Asta îmi place mie la știință: peisajul ei nu este unul monoton și veșnic neschimbat. Uneori apar dovezi noi, care obligă la modificarea lui. În acele momente apar și marile dispute între oamenii de știință, dispute fascinante pentru cei care le urmăresc cu atenție. Istoria științei este marcată de asemenea momente, care, adesea, marchează puncte de cotitură în evoluția cunoașterii umane.
La o asemenea dispută suntem spectatori acum, o confruntare între două grupuri de oameni de știință care văd diferit primele momente ale Universului actual.
La începutul lunii mai 2017, pe site-ul revistei Scientific American, era publicată o scrisoare semnată de 33 de fizicieni renumiți, printre care se aflau Stephen Hawking, Steven Weinberg, Martin Rees, Frank Wilczek etc. Scrisoarea era una de protest împotriva articolului “Pop Goes the Universe” (tradus aproximativ: Pocnitura transformată în Univers), publicat în ediția din februarie 2017 a revistei Scientific American. Acest articol, semnat de trei reputați fizicieni: Paul J. Steinhardt, Abraham Loeb și Anna Ijjas, susținea că teoria inflației cosmice este contrazisă de dovezile actuale și, la fel de grav, ea nu satisface criteriile de validare impuse de către știință.
Înainte de a merge mai departe simt nevoia să încerc să vă clarific un pic datele problemei. Din acest motiv voi continua cu…
Inflația cosmică
Despre acest subiect am mai scris în revista noastră, dar nu am să fac trimtere la articolele anterioare. Prefer să vă prezint pe scurt punctele esențiale ale acestei teorii. Așa cum știți, conform teoriei cosmologice actuale, Universul a avut un început, altfel spus, a existat ceea ce în termeni populari poartă numele de Big Bang. Nu vă pot spune când a apărut această teorie, ea fiind rezultatul unei lungi evoluții (despre care v-am povestit în serialul ”Scurtă istorie a Big Bang-ului”).
În schimb vă pot spune că o lucrare științifică din 1948, ”The Origin of Chemical Elements”, semnată de către Ralph Alpher, Hans Bethe și George Gamow, și descoperirea fondului cosmologic de radiații cosmice, în 1964, de către Arno Penzias și Robert Woodrow Wilson au pus bazele teoriei Big bang-ului.
De-a lungul timpului, pe măsură ce s-au acumulat date observaționale din ce în ce mai precise, teoria a evoluat. Dar, la un moment dat a apărut o problemă gravă. Atunci când observăm fondul cosmologic de radiații, putem vedea Universul așa cum arăta el la circa 380.000 de ani după Big Bang, în momentul în care a devenit trasparent. La acel moment Universul nostru avea un diametru de circa 90 de milioane de ani lumină. Datele observaționale ne arată un Univers foarte uniform, cu foarte mici fluctuații.
În articolul dedicat detectării undelor gravitaționale primordiale de către telescopul BICEP2, din aprilie 2014, îl citam pe Alan Guth, pentru explica în ce constă această problemă: ”În anumite circumstanțe, această uniformitate poate fi ușor de explicat, dacă a existat un timp suficient de lung pentru a se uniformiza temperatura. Dar, în teoria clasică a Big Bang-ului Universul [în fazele sale inițiale], a evoluat prea repede pentru a lăsa timp temperaturii să se uniformizeze.
De dragul discuției, să presupunem că [la începuturile sale] Universul era populat cu mici creaturi purpurii, fiecare fiind echipată cu un cuptor și un frigider. [Să mai presupunem că] aceste creaturi își dedică viața uniformizării temperaturii din Univers. Aceste creaturi ar fi trebuit să poată comunica între ele cu o viteză de 100 de ori mai mare decât cea a luminii, pentru a fi capabile să uniformizeze temperatura Universului, așa cum o vedem noi la 380.000 de ani după Big Bang.
[…] În modelul clasic al Big Bang-ului […] uniformitatea temperaturii este postulată ca atare și nu ne este dată ca o consecință a vreunui proces fizic.” Asemenea postulări ad-hoc arată doar gradul nostru de ignoranță în ceea ce privește momentele de început ale Universului. Din acest motiv cosmologii au căutat să idenfice procesul fizic care a făcut ca Universul să fie atât de uniform.
În 1980 Alan Guth, cel pe care îl citam mai devreme, propune un mecanism care ar duce la uniformizarea Universului. Acesta poartă numele de inflație. Alan Guth: ”[Teoria] inflației propune un mecanism prin care expansiunea Universului a fost declanșată de formă de gravitație repulsivă.
[…] Teoria modernă a fizicii particulelor elementare sugerează că la energii foarte mari ar trebui să existe forme de materie care creează gravitație repulsivă. La rândul ei, [teoria] inflației spune că cel puțin o zonă foarte mică din universul timpuriu era umplută cu un tip de materie care producea gravitație repulsivă. Această zonă inițială era incredibil de mică, mai mică de 10 la puterea -24 cm, adică de circa 100 de miliarde de ori mai mică decât un proton. Aici a început o expansiune exponențială, sub influența gravitației repulsive, dublându-și dimensiunea la fiecare 10 la puterea -37 secunde.
Pentru a descrie corect Universul nostru, au fost necesare cel puțin 80 de dublări de dimensiune, iar zona inițială de Univers a ajuns să aibă acum o dimensiune de circa un centimetru. În timpul acestei perioade de expansiune exponențială orice material obișnuit s-ar fi diluat, densitatea sa scăzând până aproape de zero. În cazul nostru s-a întâmplat ceva complet diferit. Materia care produce gravitație repulsivă își menținea densitatea, oricât de mare ar fi expansiunea!
[…] La un anumit moment inflația a luat sfârșit, deoarece materia care producea gravitația repulsivă a devenit metastabilă și s-a dezintegrat în particule obișnuite, producând acea supă fierbinte de particule care reprezintă punctul de plecare a Big Bang-ului convențional. […]”
Nu voi insista mai mult asupra acestui mecanism inflaționar. Voi mai spune doar că în prezent acesta are o largă acceptare în rândul cosmologilor și că nu există un model unic al inflației, ci mai multe.
Autorii articolului publicat în februarie de către Scientific American propun un mecanism fizic complet diferit pentru a explica uniformitatea Universului. Acesta poartă numele de…
Big Bounce
Nu știu deocamdată care ar fi cea mai potrivită traducere pentru Big Bounce, probabil că ”marele salt” ar fi tocmai nimerită. Pentru susținătorii teoriei Big Bounce nu există un moment de început al Universului. Ei pleacă prin a postula o structură atomică a spațiu-timpului, asemănătoare cu structura atomică a materiei propuse de către Democrit cu 2000 de ani în urmă.
Acest postulat face parte dintr-o teorie mai largă, care poartă numele de Loop Quantum Gravity, care încearcă, întocmai ca teoria stringurilor, să unifice teoria generală a relativității cu mecanica cuantică. Apărută pe la începutul anilor 1980 și studiată în prezent de multe grupuri de cercetare din toată lumea, această teorie are consecințe dramatice asupra cosmologiei.
În primul rând, structura atomică a spațiu-timpului duce la dispariția singularității inițiale, corespunzătoare momentului ”t=0” din teoria Big Bangului. Altfel spus nu mai avem un început al Universului în sensul clasic. La densități foarte mari ale materiei, forța gravitațională își schimbă semnul devenind repulsivă.
Conform modelelor, în Universul timpuriu densitatea materiei era uriașă, dar finită. Practic, într-un volum de dimensiunea unui proton exista o cantitate de materie echivalentă cu cea a unui trilion de mase solare… La asemenea densități forța gravitațională devine repulsivă, declanșând expansiunea Universului.
Acum vreau să remarc un lucru: în absența unei singularități inițiale, cum este cea propusă de teoria Big Bang, nu mai avem un început al timpului, nu mai avem acel moment „t=0” al teoriei Big Bang-ului. Practic istoria Universului se extinde infinit în urmă. Deocamdată avem doar niște modele matematice relativ simple ale unui asemenea Univers.
Conform scenariilor Big Bounce, Universul nostru are un predecesor, care, după o perioadă de expansiune, s-a contractat, până la o densitate de ordinul de mărime a celei pe care am amintit-o mai devreme. În acest moment s-a declanșat o nouă expansiune a Universului, cel în care trăim acum. Acest scenariu poate fi extins oricât în urmă, rezultând un număr infinit de Universuri care se dilată, pentru ca mai apoi să se contracte până la o anumită limită, după care să expandeze din nou.
Tocmai această succesiune nesfârșită de Universuri a făcut ca cel actual să fie atât de uniform.
Acuzațiile
Acum a sosit momentul să vă prezint articolul ”Pop Goes the Universe” publicat în ediția din feburarie 2017 a revistei Scientific American. Cei trei autori, despre care aminteam la începutul articolului, încep prin a prezenta rezultatele obținute cu ajutorul telescopului spațial Planck. Acestea au fost anunțate în cadrul unei conferințe de presă organizate în 23 martie 2013.
Conform lor cercetătorii care le-au anunțat au declarat că ”datele obținute cu ajutorul telescopului spațial Planck se potrivesc perfect cu predicțiile celor mai simple modele inflaționare, întărind convingerea că avem de-a face cu o teorie bine stabilită.” Autorii articolului (Paul J. Steinhardt, Abraham Loeb și Anna Ijjas) au discutat împreună aceste rezultate și au ajuns la o cu totul altă concluzie:
”Datele transmise de către telescopul spațial Planck defavorizează cele mai simple modele inflaționare și scot în evidență problemele fundamentale ale teoriei, ceea ce oferă noi motive pentru a lua în considerare alte modele despre originea și evoluția Universului.” Este foarte tranșant acest început de articol. Urmează apoi detalii, care atacă direct teoria inflației.
Rezumând, autorii au de reproșat mai multe lucruri. În primul rând teoria inflației are nevoie de un ”ingredient critic”, o energie antigravitațională, care ar declanșa întreg procesul. O asemenea energie a rămas la stadiul de ipoteză, existența ei neputând fi demonstrată niciodată experimental.
În plus, teoria inflației conduce către existența multiversului, o ipoteză inacceptabilă pentru autorii articolului, deoarece asta face imposibilă elaborarea de predicții pentru Universul în care trăim. ”O bună teorie științifică trebuie să explice de ce observăm ceva și nu altceva. Multiversul pică acest test fundamental”, explică autorii.
Pentru ei teoria inflației nu satisface rigorile metodei științifice. Teoria inflației este mult prea flexibilă, astfel încât nu există nici un experiment care să o poată infirma. În cazul ei pot fi modificați la nesfârșit parametri inițiali, astfel încât să se suprapună cu concluziile oricărui experiment. Teoria inflaței poate fi imunizată împotriva oricărui rezultat.
”Astfel teoria se poate adapta, până la nivelul în care își pierde orice putere de a explica ceva. Puterea de explicare a unei teorii este măsurată prin numărul de posibilități pe care le exclude. Mai multă imunizare înseamnă mai puține excluderi și o mai mică putere de explicare. O teorie care nu exclude nimic, are o putere de explicare egală cu zero.”
Replica
Răspunsul postat de către cei 33 de fizicieni la articolul semnat de către Paul J. Steinhardt, Abraham Loeb și Anna Ijjas a fost unul neașteptat de agresiv. Ei încep prin a argumenta că există în prezent mai bine de 14.000 de lucrări științifice, semnate de peste 9.000 de autori diferiți care discută teoria inflației.
”A susține că teoria inflației este în afara metodei științifice echivalează nu numai cu respingerea cercetărilor realizate de către autorii acestei scrisori, ci și a celor realizate de către mulți alți cercetători. Mai mult decât atât, așa cum s-a arătat în cadrul unor cercetări internaționale majore, inflația nu este doar testabilă, ci și a fost supusă unui număr semnficativ de teste, pe care, până acum le-a trecut pe toate.”
Inflația nu reprezintă o teorie unică. Ci mai degrabă o întreagă clasă de modele care pleacă de la aceleași principii. ”Desigur, nimeni nu crede că toate aceste modele sunt corecte, iar întrebarea relevantă este dacă există cel puțin un model de inflație care să fie bine motivat pe baza ipotezelor fizicii particulelor care stau la baza sa, și care să descrie în mod corect proprietățile măsurabile ale universului nostru.
Acest lucru este foarte asemănător cu primi pași ai dezvoltării modelului standard al fizicii particulelor, când au fost explorate o varietate de modele ale câmpului cuantic, în căutarea celui care se potrivește cel mai bine tuturor experimentelor.”
Iar teoria inflatiei a fost confirmată prin numeroase observații. De exemplu ea a prezis densitatea și geometria Universului mai înainte ca acestea să fie măsurate direct de către sateliții WMAP și Planck. De asemenea observațiile au confirmat amplitudinea fluctuațiilor din fondul cosmologic de radiații prezise de modelele bazate pe teoria inflației.
O altă dovadă de predicție confirmată este așanumitul ”mod E” de polarizare a luminii, din același fond cosmologic de radiații cosmice de fond. ”Dacă inflația nu poate fi testată, așa cum vor să ne convingă autorii articolului din februarie, atunci cum se întâmplă ca există există atâtea teste care o confirmă, cu un succes atât de remarcabil?”, se întreabă, retoric, autorii răspunsului din mai.
Cât despre acuzația că teoria inflației poate fi adaptată oricărui rezultat, prin alegerea anumitor valori ai parametrilor inițiali, în răspunsul lor, cei 33 de fizicieni arată că ”testabilitatea unei teorii nu impune în nici un fel ca toate previziunile sale să fie independente de alegerea parametrilor inițiali. Dacă ar fi necesară o astfel de independență a parametrilor, atunci ar trebui să punem la îndoială și statutul Modelului Standard, care este determinat de cel puțin 19 parametri determinați empiric.
[…] În ciuda retoricii [folosite de către autorii articolului din Scientific American] practica standard în știința empirică este aceea de a modifica teoria pe măsură ce apar date noi. De exemplu, Modelul Standard a fost modificat pentru a ține cont de cuarcii și leptonii proaspăt descoperiți la acea vreme. În ceea ce privește teoria inflației, datele experimentale nu au obligat la modificarea modelelor inflaționare standard.”
În articolul din care citam mai devreme se susţinea că teoria inflaţiei implică existenţa multiversului, iar o asemenea concluzie face ca ea să nu poată face predicții clare pentru Universul în care trăim. ”Deși posibilitatea unui multivers este un domeniu activ de studiu, această posibilitate nu interferează în nici un fel cu testabilitatea empirică a inflației.
Dacă imaginea multiversului este validă, atunci Modelul Standard ar fi înțeles corect ca o descriere a fizicii în Universul nostru și, în mod similar, modelele inflației, care sunt rafinate de observațiile actuale, ar descrie modalitățile în care ea se poate produce în partea noastră Univers. Ambele teorii vor rămâne în domeniul științei empirice. Oamenii de știință sunt în continuare capabili să compare datele obținute recent – de la observațiile astrofizice și experimentele fizicii particulelor – cu predicțiile cantitative precise ale modelelor specifice teoriei inflației și ale Modelulului Standard.”
Concluzie
Așa cum ați văzut, avem de-a face cu o dispută aspră. Așa sunt adesea disputele în știință. Nu îndrăznesc să presupun cum va fi tranșată, dar sunt convins că datele pe care le vom aduna cu răbdare în viitor vor lămuri lucrurile. De exemplu, detectarea undelor gravitaționale primordiale, care s-au produs pe perioada inflației, ar putea închide cu succes această dispută cosmică.
