Gromada galaktyk we Wszechświecie na największych obserwowalnych skalach, gdzie każdy piksel reprezentuje galaktykę. Zdjęcie: Michael Blanton i współpraca SDSS.

5 mitów naukowych, które prawdopodobnie wierzą o Wszechświecie

Jak niewielka wiedza może spowodować ogromne nieporozumienia… i jak to naprawić.

„Ponieważ filozofia powstaje z podziwu, filozof musi stać się miłośnikiem mitów i poetyckich bajek. Poeci i filozofowie są tacy sami z zadziwienia. ” - Thomas Aquinas

Wszechświat jest ogromnym, tajemniczym miejscem, obejmującym wszystko, co kiedykolwiek znaliśmy, obserwowaliśmy lub mogliśmy mieć nadzieję na kontakt. Przez tysiąclecia spojrzenie w niebo - nasze okno w kosmos za naszym światem - spotykało zdumienie, podziw i fascynację nieznanym. Dzięki wszelkim postępom naukowym dokonanym przez cywilizacje na całym świecie wiemy teraz, że punkty świetlne na niebie to gwiazdy, znalezione zgrupowane w galaktykach, które gromadzą się w największych skalach, we Wszechświecie, który rozpoczął się wraz z Wielkim Wybuchem skończona ilość czasu temu: 13,8 miliarda lat. Jednak wiedza o tym nie oznacza, że ​​wiemy wszystko. W rzeczywistości znajomość fizyki otwiera drzwi do naprawdę dużych nieporozumień, z których niektóre dotykają nawet profesjonalnych naukowców. Zawierają…

Obserwowalne (żółte) i osiągalne (magenta) części Wszechświata, które są tym, czym są dzięki ekspansji przestrzeni i elementom energetycznym Wszechświata. Źródło zdjęcia: E. Siegel, na podstawie pracy użytkowników Wikimedia Commons Azcolvin 429 i Frédéric MICHEL.

1.) Jeśli Wszechświat ma 13,8 miliarda lat, to nie powinniśmy widzieć obiektów w odległości 46 miliardów lat świetlnych.

W końcu nic nie może poruszać się szybciej niż prędkość światła! Światło Słońca ma 8 minut i 20 sekund, ponieważ przemieszczenie odległości od Słońca do Ziemi zajmuje światło 8 minut i 20 sekund. Ale są dwa ważne punkty, o których należy pamiętać: jeden polega na tym, że Słońce i Ziemia nie oddalają się od siebie w kierunku podróży światła, a drugi to, że przestrzeń między Słońcem a Ziemią się nie rozszerza. W największych skalach kosmicznych Wszechświat ma oba te czynniki.

Wyobraź sobie galaktykę, która znajdowała się 10 miliardów lat świetlnych od miejsca, w którym teraz jesteśmy 10 miliardów lat temu. Wyobraź sobie, że emitowało światło. Gdyby tkanka Wszechświata nie rozszerzała się, dotarcie do nas zajęłoby 10 miliardów lat. Gdyby jednak galaktyka oddalała się od nas, ograniczona prędkością światła, do czasu, gdy światło się tam dostanie, mogłoby być nawet 20 miliardów lat świetlnych od nas. A jeśli Wszechświat się rozszerza, może być jeszcze dalej! Gdyby nasz Wszechświat składał się głównie z promieniowania, moglibyśmy widzieć w odległości do 27,6 miliarda lat świetlnych stąd w 13,8 miliarda lat Wszechświata. Gdyby zbudowano go głównie z materii, liczba ta wzrosła do 41,4 miliarda lat świetlnych. A dzięki naszej mieszance materii, ciemnej materii i ciemnej energii ekspansja przybliża tę liczbę do 46 miliardów lat świetlnych. W ten sposób widzimy obiekty tak odległe w naszym Wszechświecie.

Światło i fale w kosmosie; gdy światło przechodzi przez niepłaską przestrzeń, zmienia to sposób, w jaki obserwator w dowolnym innym miejscu postrzega upływ światła. Zdjęcie: Europejskie Obserwatorium Grawitacyjne, Lionel BRET / EUROLIOS.

2.) Nikt nie wie, jak naprawdę działa grawitacja.

Siły działające na nasz Wszechświat - grawitacja rządzona przez ogólną teorię względności Einsteina oraz siły elektromagnetyczne, słabe i silne, opisane przez teorię pola kwantowego - są łatwe do zaobserwowania i zmierzenia. Teorie leżące u ich podstaw są odrębne, a ogólna teoria względności opisuje związek między materią i energią a krzywizną czasoprzestrzeni, a kwantowa teoria pola opisuje interakcje między cząstkami występujące w tej czasoprzestrzeni. Możesz się martwić, że grawitacja z natury musi być siłą kwantową i że powinny istnieć grawitony pośredniczące w tej interakcji. Możesz również martwić się, że nie możemy obliczyć, jak siła grawitacyjna lub pole powinny działać w sytuacjach kwantowych, na przykład dla elektronu przechodzącego przez podwójną szczelinę i zakłócającego siebie.

Ale celem nauki jest wyjaśnienie obserwacji, a ogólna teoria względności robi to dla absolutnie wszystkich. Nie tylko wystarczająco, ale idealnie, do granic tego, co jesteśmy w stanie zaobserwować. Każda teoria ma swój limit ważności; Ogólna teoria względności zepsuje się w pewnym momencie, jak na osobliwościach wewnątrz czarnych dziur. Teorie pola kwantowego mają również te ograniczenia: w skali Plancka lub w odległości około 10 ^ -33 metrów lub więcej. Grawitony powinny istnieć, ale są podobne do fotonów: prawdziwe mogą być wykrywane jako fale grawitacyjne (tak jak prawdziwe fotony mogą być wykrywane jako fale świetlne), podczas gdy wirony nie mogą być wykrywane i są jedynie narzędziem obliczeniowym. Opis Einsteina jest całkowicie poprawny. Chociaż mamy nadzieję, że pewnego dnia zostanie zastąpiony kwantowym opisem grawitacji, nasz obraz zakrzywionej czasoprzestrzeni, na którą wpływa materia i energia, w której zakrzywiona czasoprzestrzeń określa ścieżki obiektów, jest zasadniczo ważna w najważniejszym znaczeniu: doskonale opisuje każdą obserwację, jaką możemy wyobrażać sobie tworzenie.

Oś czasu naszej obserwowalnej historii Wszechświata. Źródło zdjęcia: NASA / WMAP Science Team.

3.) Wielki Wybuch był narodzinami przestrzeni i czasu.

Wszechświat rozwija się i ochładza przez miliardy lat; w przeszłości wszystko było cieplejsze i gęstsze, a jeśli ekstrapolujemy wstecz dowolnie daleko, osiągniemy punkt o nieskończonej gęstości. Teoretycznie zostało to zrealizowane już w latach dwudziestych XX wieku przez kosmologów takich jak Alexandr Friedmann i Georges Lemaître, przy czym ten ostatni nazwał ten stan „pierwotnym atomem”, z którego wszystko się wyłoniło. Kiedy w latach 60. XX wieku wykryto pozostałą poświatę promieniowania przewidywaną przez ten obraz - przesuniętą do mikrofalowej części widma przez ekspansję Wszechświata - Wielki Wybuch został potwierdzony. Ekstrapoluj wstecz dowolnie daleko, a dojdziesz do osobliwości: skąd wyłania się przestrzeń i czas, jakie znamy.

Tylko to zdjęcie jest nieprawidłowe. Gdyby temperatura Wszechświata (a tym samym i jego energii) kiedykolwiek wzrosła powyżej pewnego punktu, wahania w Kosmicznym Mikrofalowym Tle byłyby większe niż to, co obserwujemy. Fakt, że to tylko kilka części na 100 000 - po raz pierwszy zmierzone przez COBE na początku lat 90. - mówi nam, że przed gorącym Wielkim Wybuchem musiał istnieć stan, w którym powstał nasz gorący, gęsty, wypełniony materią i promieniowaniem Wszechświat od. Przewidywano, jaki będzie ten stan w latach 80. XX wieku: kosmiczna inflacja, która zapoczątkowała Wielki Wybuch. Szczegóły dotyczące przewidywanych fluktuacji CMB były przewidywane i obserwowane, aby dokładnie pasowały do ​​tego, co zaobserwowaliśmy w COBE, WMAP (2000s) i Planck (2010s). Inflacja pojawiła się przed gorącym Wielkim Wybuchem. To, co stało się przed inflacją, i szczerze mówiąc, co wydarzyło się przed ostatnimi 10–32 sekundami inflacji, jest nadal tajemnicą.

Dwa możliwe wzorce splątania w przestrzeni de Sittera, reprezentujące splątane fragmenty informacji kwantowej, które mogą umożliwić pojawienie się przestrzeni, czasu i grawitacji. Źródło zdjęcia: Erik Verlinde, via https://arxiv.org/pdf/1611.02269v2.pdf.

4.) Przestrzeń, czas i grawitacja mogą być tylko złudzeniami.

Może nie są fundamentalne; może w pewnym sensie nie są tak naprawdę „prawdziwe”. W ostatnim pomyśle pojawiło się wiele szumu: niektóre z tych właściwości mogą wynikać z czegoś bardziej fundamentalnego. Fale dźwiękowe wydobywają się z interakcji molekularnych; atomy wyłaniają się z kwarków, gluonów i elektronów oraz oddziaływań silnych i elektromagnetycznych; układy planetarne wyłaniają się z grawitacji w ogólnej teorii względności. Ale w idei grawitacji entropijnej - jak również w niektórych innych scenariuszach (takich jak qbity) - grawitacja, a nawet sama przestrzeń i czas mogą wyłaniać się z innych bytów w podobny sposób.

Ale u podstaw tego leży fakt, że w równaniach rządzących grawitacją i termodynamiki istnieją ścisłe związki. Zwykle przyjmujemy punkt widzenia, że ​​grawitacja i cząstki są podstawowymi bytami, i że powstaje termodynamika: opisywanie zagregowanych właściwości dużej liczby bardziej fundamentalnych rzeczy. W rzeczywistości prawa termodynamiki wyłaniają się z innej, bardziej fundamentalnej dziedziny; mechanika statystyczna. Grawitacja może jeszcze wyłonić się z czegoś bardziej fundamentalnego: strun, pętli, owłosionych czarnych dziur, cząstek Plancka lub innej teoretycznej konstrukcji. Kluczem jest jednak to, że prognozy tej „bardziej fundamentalnej” idei muszą różnić się od prognoz Ogólnej teorii względności i nie zostały przedstawione w żaden zweryfikowany sposób. Ale co najważniejsze, grawitacja nie jest złudzeniem, nawet jeśli nie jest fundamentalna; istnieje tak samo pewnie, jak każda nowa własność. A jeśli chodzi o przestrzeń i czas? Nie mogą być również fundamentalne, ale nie ma dobrego pomysłu na to, co z tego wynikną, łączy się z czymkolwiek, co można przetestować. Tak czy inaczej, przestrzeń, czas i grawitacja z pewnością istnieją, a nazywanie ich „iluzją” jest po prostu nieprawdą.

Fluktuacje samej czasoprzestrzeni w skali kwantowej rozciągają się we Wszechświecie podczas inflacji, powodując niedoskonałości zarówno gęstości, jak i fal grawitacyjnych. Źródło zdjęcia: E. Siegel, ze zdjęciami pochodzącymi z ESA / Planck i międzyagencyjnej grupy zadaniowej DoE / NASA / NSF ds. Badań CMB.

5.) W każdym razie to tylko teoria.

Wielki Wybuch: tylko teoria. Grawitacja: tylko teoria. Nawet cała dziedzina łączenia tych pomysłów nazywa się fizyką teoretyczną. To nie tak, że są to fakty, prawdy, a nawet prawa. To tylko teorie.

Ale to całkowicie pomija sens teorii naukowej. Fakty są najbardziej podstawowymi elementami nauki. Robisz obserwację i to jest fakt. Dokonujesz pomiaru i to jest fakt. Pojedynczy punkt danych eksperymentalnych jest faktem, dlatego zbieramy ich jak najwięcej i opracowujemy konfiguracje, aby zebrać jeszcze więcej. Kiedy zauważysz, że rzeczy są skorelowane, że relacje między różnymi mierzalnymi / obserwowalnymi są zgodne z określoną formą lub równaniem, jest to prawo. Tylko wtedy, gdy możesz stworzyć ogólne ramy, które nie tylko wyjaśniają fakty i obejmują prawa, ale także dokonują nowych prognoz dotyczących rzeczy, które możesz wyjść i zaobserwować, że masz teorię naukową. Jeśli następnie wyjdziesz, zweryfikuj i zweryfikuj swoje teorie i popchnij je do absolutnych granic, że masz teorię tak dobrą jak Wielki Wybuch lub Ogólna teoria względności.

I to prawda: nawet teoria tak solidna i zaakceptowana, jak te przykłady, nigdy nie będzie ostateczną odpowiedzią. Zawsze jest więcej do nauczenia się, więcej granic do przekroczenia i więcej pytań do odkrycia i zbadania. Ale najlepiej przyjęte teorie dnia są tak bliskie prawdzie, jak nauka może kiedykolwiek dojść, nawet jeśli zawsze staramy się być bliżej. Lepiej zrozumieć rzeczywistość, biorąc pod uwagę wszystkie niuanse, najlepiej jak potrafimy, niż trwać w pocieszającym micie.

Ten post pojawił się po raz pierwszy w Forbes i jest dostarczany bez reklam przez naszych zwolenników Patreon. Skomentuj nasze forum i kup pierwszą książkę: Beyond The Galaxy!