Cosa sappiamo veramente del nostro universo?
Nato da un’esplosione cosmica 13,8 miliardi di anni fa, l’universo si è rapidamente gonfiato e poi raffreddato, si sta ancora espandendo ad un ritmo crescente e per lo più costituito da materia oscura sconosciuta ed energia oscura … giusto?,
Questa storia ben nota è solitamente presa come un fatto scientifico evidente, nonostante la relativa mancanza di prove empiriche-e nonostante un costante raccolto di discrepanze derivanti dalle osservazioni dell’universo lontano.
Negli ultimi mesi, nuove misurazioni della costante di Hubble, il tasso di espansione universale, hanno suggerito grandi differenze tra due metodi di calcolo indipendenti., Le discrepanze sul tasso di espansione hanno enormi implicazioni non solo per il calcolo, ma per la validità dell’attuale modello standard della cosmologia alle scale estreme del cosmo.
Un’altra recente sonda ha trovato galassie incoerenti con la teoria della materia oscura, che postula che questa ipotetica sostanza sia ovunque. Ma secondo le ultime misurazioni, non lo è, suggerendo che la teoria deve essere riesaminata.
Forse vale la pena fermarsi a chiedere perché gli astrofisici ipotizzano che la materia oscura sia ovunque nell’universo., La risposta sta in una caratteristica peculiare della fisica cosmologica che non viene spesso osservata. Una funzione cruciale di teorie come la materia oscura, l’energia oscura e l’inflazione—ognuna a suo modo legata al paradigma del big bang—non è quella di descrivere fenomeni empirici noti, ma piuttosto di mantenere la coerenza matematica del quadro stesso tenendo conto delle osservazioni discrepanti. Fondamentalmente, sono nomi per qualcosa che deve esistere nella misura in cui si presume che il quadro sia universalmente valido.,
Ogni nuova discrepanza tra osservazione e teoria può, naturalmente, in sé e per sé essere considerata un’eccitante promessa di ulteriori ricerche, un progressivo affinamento verso la verità. Ma quando si sommano, potrebbero anche suggerire un problema più confuso che non viene risolto modificando i parametri o aggiungendo nuove variabili.
Considera il contesto del problema e la sua cronologia. Come scienza matematicamente guidata, la fisica cosmologica è solitamente pensata per essere estremamente precisa., Ma il cosmo è diverso da qualsiasi materia scientifica sulla terra. Una teoria dell’intero universo, basata sul nostro piccolo quartiere come l’unico campione noto di esso, richiede molte ipotesi semplificanti. Quando queste ipotesi si moltiplicano e si estendono su grandi distanze, il potenziale di errore aumenta, e questo è ulteriormente aggravato dai nostri mezzi di test molto limitati.
Storicamente, le leggi fisiche di Newton costituivano un quadro teorico che funzionava per il nostro sistema solare con notevole precisione., Sia Urano che Nettuno, ad esempio, sono stati scoperti attraverso previsioni basate sul modello di Newton. Ma man mano che le scale si ingrandivano, la sua validità si dimostrò limitata. La struttura della relatività generale di Einstein forniva una portata estesa e più precisa oltre i confini più remoti della nostra galassia. Ma fino a che punto potrebbe andare?,
Il paradigma del big bang emerso a metà del xx secolo estende efficacemente la validità del modello a una sorta di infinito, definito sia come limite del raggio dell’universo (calcolato a 46 miliardi di anni luce), sia in termini di inizio del tempo. Questo tratto gigante si basa su alcune scoperte concrete, come l’osservazione di Edwin Hubble che l’universo sembra espandersi (nel 1929) e il rilevamento della radiazione di fondo a microonde (nel 1964)., Ma considerando la scala coinvolta, queste osservazioni limitate hanno avuto un’influenza fuori misura sulla teoria cosmologica.
È, ovviamente, del tutto plausibile che la validità della relatività generale si abbassi molto più vicino a casa nostra che ai margini dell’ipotetica fine dell’universo., E se così fosse, l’edificio teorico multistrato di oggi del paradigma del big bang si rivelerebbe un confuso mix di bestie immaginarie inventate per sostenere il modello, insieme a variabili empiricamente valide che dipendono reciprocamente l’una dall’altra fino al punto di rendere impossibile ordinare la scienza dalla finzione.
Aggravando questo problema, la maggior parte delle osservazioni dell’universo avviene sperimentalmente e indirettamente., I telescopi spaziali di oggi non forniscono alcuna visione diretta di nulla-producono misurazioni attraverso un gioco di previsioni teoriche e parametri flessibili, in cui il modello è coinvolto in ogni fase del percorso. Il quadro incornicia letteralmente il problema; determina dove e come osservare. E così, nonostante le tecnologie e i metodi avanzati coinvolti, le profonde limitazioni allo sforzo aumentano anche il rischio di essere portati fuori strada da quel tipo di ipotesi che non possono essere calcolate.,
Dopo aver trascorso molti anni a ricercare le basi della fisica cosmologica da una prospettiva di filosofia della scienza, non sono stato sorpreso di sentire alcuni scienziati parlare apertamente di una crisi in cosmologia. Nel grande “dibattito sull’inflazione” in Scientific American alcuni anni fa, un pezzo chiave del paradigma del big bang è stato criticato da uno dei sostenitori originali della teoria per essere diventato indifendibile come teoria scientifica.
Perché?, Perché la teoria dell’inflazione si basa su accorgimenti ad hoc per accogliere quasi tutti i dati e perché il suo campo fisico proposto non si basa su nulla con giustificazione empirica. Questo è probabilmente perché una funzione cruciale dell’inflazione è quella di colmare la transizione da un big bang inconoscibile a una fisica che possiamo riconoscere oggi. Quindi, è scienza o un’invenzione conveniente?
Alcuni astrofisici, come Michael J. Disney, hanno criticato il paradigma del big bang per la sua mancanza di certezze dimostrate., Nella sua analisi, il quadro teorico ha molte meno osservazioni certe rispetto ai parametri liberi per modificarli-un cosiddetto “significato negativo” che sarebbe un segnale allarmante per qualsiasi scienza. Come Disney scrive in American Scientist: “Uno scettico ha il diritto di sentire che un significato negativo, dopo così tanto tempo, sforzo e taglio, non è altro che ci si aspetterebbe da un racconto popolare costantemente rieditato per adattarsi a nuove osservazioni scomode.”
Mentre discuto nel mio nuovo libro, Metaphysical Experiments, c’è una storia più profonda dietro i problemi attuali., L’ipotesi del big bang è originariamente emersa come una conseguenza indiretta della relatività generale in fase di rimodellamento. Einstein aveva fatto un’ipotesi fondamentale sull’universo, che era statico sia nello spazio che nel tempo, e per far sì che le sue equazioni si sommassero, aggiunse una “costante cosmologica”, per la quale ammise liberamente che non vi era alcuna giustificazione fisica.,
Ma quando Hubble osservò che l’universo si stava espandendo e la soluzione di Einstein non sembrava più avere senso, alcuni fisici matematici cercarono di cambiare un’ipotesi fondamentale del modello: che l’universo era lo stesso in tutte le direzioni spaziali ma variante nel tempo. Non in modo insignificante, questa teoria è venuto con un rialzo molto promettente: una possibile fusione tra cosmologia e fisica nucleare. Potrebbe il coraggioso nuovo modello dell’atomo spiegare anche il nostro universo?,
Fin dall’inizio, la teoria ha parlato solo all’indomani di un evento esplicitamente ipotetico, la cui funzione principale era come condizione limite, il punto in cui la teoria si rompe. La teoria del Big bang non dice nulla sul big bang; è piuttosto una possibile premessa ipotetica per risolvere la relatività generale.
In cima a questa ipotesi poco impegnativa ma molto produttiva, pavimento su pavimento è stato aggiunto intatto, con scale notevolmente estese e nuove discrepanze., Per spiegare le osservazioni di galassie incoerenti con la relatività generale, l’esistenza della materia oscura è stata postulata come una forma sconosciuta e invisibile di materia calcolata per costituire più di un quarto di tutto il contenuto di massa-energia nell’universo—supponendo, ovviamente, che la struttura sia universalmente valida. Nel 1998, quando una serie di misurazioni di supernova di galassie acceleranti sembrava in contrasto con il quadro, emerse una nuova teoria di una forza misteriosa chiamata energia oscura, calcolata per riempire circa il 70% dell’energia di massa dell’universo.,
Il punto cruciale del paradigma cosmologico di oggi è che per mantenere una teoria matematicamente unificata valida per l’intero universo, dobbiamo accettare che il 95% del nostro cosmo è fornito da elementi e forze completamente sconosciute per le quali non abbiamo alcuna prova empirica. Per uno scienziato essere sicuro di questa immagine richiede una fede eccezionale nel potere dell’unificazione matematica.
Alla fine, l’enigma per la cosmologia è la sua dipendenza dal quadro come presupposto necessario per condurre ricerche., Per mancanza di una chiara alternativa, come astrofisico Disney osserva anche, è in un certo senso bloccato con il paradigma. Sembra più pragmatico aggiungere nuovi piani teorici piuttosto che ripensare i fondamenti.
Contrariamente all’ideale scientifico di avvicinarsi progressivamente alla verità, sembra piuttosto che la cosmologia, per prendere in prestito un termine dagli studi tecnologici, sia diventata dipendente dal percorso: sovradeterminata dalle implicazioni delle sue invenzioni passate.,
Questo articolo è basato su estratti modificati dal libro Metaphysical Experiments: Physics and the Invention of the Universe, pubblicato dalla University of Minnesota Press.