Главная Астрономия Ведущие мировые космологи сомневаются, что теория инфляции может быть проверена

Космологи в поисках фальсифицируемой инфляции

Пристегните ремни безопасности вашего звездолета: хотя космическая инфляция хорошо известна тем, что разрешает некоторые важные загадки структуры и эволюции Вселенной, другие, совершенно отличные теории также могут объяснить эти загадки.

Согласно некоторым из этих теорий, состояние Вселенной, предшествовавшее Большому взрыву - так называемая первозданная Вселенная - сжималось, а не расширялось, и Большой взрыв, таким образом, был частью Большого скачка.

21 марта 2013 года Европейское космическое агентство провело международную пресс-конференцию, чтобы объявить о новых результатах, полученных с помощью космического аппарата "Планк". Он составил карту космического микроволнового фонового излучения - света, возникшего более 13 миллиардов лет назад сразу после Большого взрыва.

Новая карта подтверждала теорию о том, что Вселенная началась со взрыва, за которым последовал короткий период гиперускоренного расширения, то есть инфляция.

Это расширение сгладило Вселенную до такой степени, что спустя миллиарды лет она остается почти однородной во всем пространстве, направлениях и "плоской", а не изогнутой, как сфера, за исключением крошечных вариаций концентрации материи, которые объясняют появление звезд и галактик вокруг нас.

Проблема фальсифицируемости

Группа ученых предложила новый мощный тест на инфляцию - теорию о том, что Вселенная резко увеличилась в размерах за мимолетную долю секунды сразу после Большого взрыва. Их цель - дать ответ на давний вопрос: какой была Вселенная до Большого взрыва?

Чтобы помочь определиться между инфляцией и другими идеями, неизбежно возникает вопрос о фальсифицируемости - то есть о том, можно ли проверить теорию, чтобы потенциально доказать ее ложность.

Ави Лоеб, Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики

Некоторые исследователи, включая Ави Лоеба из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA), высказывают опасения по поводу инфляции, полагая, что кажущаяся бесконечная адаптивность делает ее практически невозможной для надлежащей проверки.

Принцип фальсификации, созданный Карлом Поппером, представляет собой способ создания красной линии, так сказать, гильотины, резко отделяющей науку от ненауки - чтобы теория считалась научной, ее необходимо проверить и доказать, что она может быть ложной.

"Фальсифицируемость должна быть отличительной чертой любой научной теории. Текущая ситуация с инфляцией такова, что это настолько гибкая идея, что ее невозможно фальсифицировать экспериментально", - говорит Лоеб.

"Независимо от того, какое значение люди измеряют для наблюдаемого атрибута, всегда найдутся модели инфляции, которые смогут это объяснить".

Дебаты о фальсифицируемости инфляции начались в 2017 году, когда Лоеб - вместе с профессором Принстонского университета Полом Джей Стейнхардтом и тогдашним постдокторантом, физиком-теоретиком Анной Иджас, работающей сейчас в Институте Эйнштейна, - написал статью в журнале Scientific American "Pop Goes the Universe", где оспаривалось доминирование инфляционной теории.

За годы, прошедшие после пресс-конференции ЕКА 2013 года, - пишут Лоеб и его коллеги, - более точные данные, собранные спутником "Планк" и другими приборами, только укрепили эту теорию.

Тем не менее, даже сейчас сообщество космологов не рассматривает инфляционную теорию холодным, честным взглядом и не уделяет значительного внимания критикам, сомневающимся в том, что инфляция имела место.

Скорее, космологи принимают за чистую монету утверждение, что мы должны верить инфляционной теории, потому что она предлагает единственное простое объяснение наблюдаемых особенностей Вселенной.

Но данные Планка, дополненные теоретическими проблемами, пошатнули основы этого утверждения.

Доводы в пользу прыгающей космологии

В "Pop Goes the Universe" авторы приводят доводы в пользу прыгающей космологии, предложенной Стейнхардтом и другими в 2001 году.

В заключение они делают необычное заявление о том, что инфляционная космология "не может быть оценена с помощью научного метода", и далее утверждают, что некоторые ученые, принимающие инфляцию, предлагают "отбросить одно из определяющих свойств науки: эмпирическую проверяемость", тем самым "продвигая идею некой неэмпирической науки".

"Одним из неизбежных последствий инфляции является понятие мультивселенной. Все, что может произойти, произойдет бесконечное число раз, - поясняет Лоеб. - Так действительно ли инфляция поддается фальсификации? Мы считаем, что научная теория - это теория, которую можно фальсифицировать. Если инфляция может вместить в себя все, что угодно, это проблема".

Проверка теории инфляции

Статья 2017 года вызвала "странный" ответ профессора Массачусетского технологического института Алана Гута - письмо, подписанное 32 коллегами Гута, включая Стивена Хокинга и пяти лауреатов Нобелевской премии.

Гут написал в электронном письме Лоебу и его команде, что он никогда не утверждал, что инфляция "не может или не должна быть проверена".

По словам Лоеба, письмо Гута побудило их искать способ проверить теорию инфляции, что привело к публикации их последней работы.

Модернизированный BICEP и массив Кека

Существуют десятки различных вариантов инфляции, и маловероятно, что один эксперимент или наблюдение сфальсифицирует все одновременно.

Тем не менее, текущие и предстоящие исследования могут исключить наиболее популярные инфляционные модели, то есть те, которые не требуют тонкой настройки или специальных адаптаций.

Например, большинство инфляционных моделей предсказывают существование первобытных гравитационных волн, которые должны были поляризовать космический микроволновый фон в ранней Вселенной.

Инфляция с точки зрения квантовой теории

Модернизированные массивы BICEP и Keck, которые планируется завершить в этом году, должны быть достаточно чувствительными, чтобы либо обнаружить эту поляризацию, либо обеспечить строгие верхние пределы, которые опровергнут популярные модели инфляции "медленного вращения".

Ранние сверхмассивные черные дыры фальсифицируют инфляцию

Между тем, обнаружение сверхмассивных черных дыр на высоких красных смещениях в ранней Вселенной начинает бросать вызов стандартным моделям космологии. Обнаружение объектовв еще более ранней эпохи привело бы к фальсификации инфляции и Большого взрыва в целом, - предполагая, что эти астрономические объекты существовали до Большого скачка.

Первобытные стандартные часы

Группа ученых под руководством Сингана Чена из CfA вместе с Лоебом и Чжун Чжи Сяньюем с физического факультета Гарвардского университета применили идею, которую они называют "первобытные стандартные часы", к неинфляционным теориям и изложили метод, который может быть использован для экспериментальной фальсификации инфляции.

В попытке найти некую характеристику, которая отделяет инфляцию от других теорий, команда начала с определения детерминирующего свойства различных теорий - эволюции размера первозданной Вселенной.

"Например, во время инфляции размер Вселенной растет экспоненциально", - говорит Сяньюй.

"В некоторых альтернативных теориях размер Вселенной уменьшается. Некоторые предлагают очень медленное расширение, а другие - очень быстрое".

Космологи предполагают, что по стандартным часам вселенной можно проследить ее историю

"Атрибуты, которые люди предлагали до сих пор для измерения, обычно трудно различить между разными теориями, потому что они не связаны напрямую с эволюцией размера первозданной Вселенной", - поясняет он.

"Поэтому мы хотели найти наблюдаемые атрибуты, которые можно напрямую связать с определяющим свойством".

Такой целью могут служить сигналы, генерируемые первобытными стандартными часами. Эти часы представляют собой любой тип тяжелой элементарной частицы в первозданной Вселенной. Они должны существовать в любой теории, а их положения должны колебаться с некоторой регулярной частотой, подобно тиканью маятника часов.

Сжимающаяся Вселенная?

Первобытная Вселенная не была полностью однородной. В ней существовали крошечные нарушения плотности в мизерных масштабах, которые стали зачатками крупномасштабной структуры, наблюдаемой в современной Вселенной.

Это и есть основной источник информации, на который опираются физики, когда пытаются узнать, что было до Большого взрыва.

Тиканье стандартных часов генерировало сигналы, которые отпечатались в структуре неоднородностей. Стандартные часы в разных теориях предсказывают разные паттерны сигналов, потому что эволюционные истории - различны.

"Если представить, что вся информация, которая относится к состоянию до Большого взрыва, находится в рулоне кинопленки, то стандартные часы говорят нам, как должны воспроизводиться кадры", - объясняет Чен.

"Без информации о часах мы не знаем, следует ли воспроизводить фильм вперед или назад, быстро или медленно, точно так же, как мы не знаем, раздувалась или сжималась первозданная Вселенная, и как быстро она это делала. Именно здесь и кроется проблема. Стандартные часы ставят временные метки на каждом кадре, когда фильм снимался до Большого взрыва, и говорят нам, как воспроизводить фильм".

"Возможно, нам придется искать во многих разных местах"

Команда рассчитала, как эти сигналы стандартных часов должны выглядеть в неинфляционных теориях. Она предложила и соответствующий метод астрофизических наблюдений.

"Если бы была найдена картина сигналов, представляющих сжимающуюся Вселенную, то это опровергло бы всю инфляционную теорию", - уверен Сяньюй.

Успех идеи зависит от экспериментов.

"Сигналы будут очень тонкими для обнаружения, - говорит Чен, - поэтому, возможно, нам придется искать их в разных местах".

Одним из таких мест является космическое микроволновое фоновое излучение, другим - распределение галактик.

«Мы уже начали поиск этих сигналов, и уже есть несколько интересных кандидатов, но нам нужно больше данных».

Лоеб надеется, что данные, необходимые для проведения теста, будут получены в течение следующего десятилетия.

Последнее слово - Синган Чен и Брайан Китинг из Гарварда

"Сигналы изменят статистическое распределение темных/светлых пятен в космическом микроволновом фоне или статистическое распределение количества галактик по сравнению с предсказаниями стандартной модели, в которой эти сигналы отсутствуют.

 

Например, они предскажут, что существует немного больше галактик, разделенных одними расстояниями, чем другими, и выбор этих расстояний определяется типом сценария первозданной Вселенной", - Синган Чен.

Последнее слово остается за доктором Брайаном Китингом, заслуженным профессором физики университета Сан-Диего, который заявил следующее:

«Да, инфляция может быть фальсифицирована, однако все зависит от того, какая версия инфляции оценивается и насколько фальсификация является непременным условием настоящей науки.

Например, большинство моделей инфляции предсказывают, что Вселенная должна быть пространственно-плоской, с нулевой кривизной на больших масштабах.

Такое предсказание согласуется со всеми измерениями космического микроволнового фона, но их точность ограничена. Поэтому когда-нибудь мы сможем провести эксперимент, который измерит отклонение от нулевой кривизны».

"Так что и противники, и сторонники правы в своих обвинениях", - заключает Китинг.

"Но наука не зависит исключительно от консенсуса экспертов перед фактом".

На самом деле, Карл Поппер, главный зачиншик фальсификации, считал фальсификацию лишь частью научного процесса.

К слову, псевдо-науки, такие, как астрология или френология, также могут быть фальсифицированы. Астрология выдвигает вполне себе фальсифицируемые гипотезы о будущей любовной жизни, которые почти всегда оказаться ложными.

Поэтому по метрике фальсификации она будет считаться наукой. Многие ли из нас согласятся с таким определением?

Иначе говоря, фальсификация как единственный критерий хорошей науки не является общепризнанным стандартом. Нет ни одного хорошего определения того, что она включает в себя.

В конце концов, если инфляция не может быть доказана, а альтернативы инфляции не могут быть фальсифицированы. Возможно, для прогресса будет достаточно только социального доказательства! (то есть веры? - Alter Science)

Ожидается, что будущие исследования галактик - LSST, Euclid и SphereX НАСА - предоставят высококачественные данные, которые можно будет использовать для достижения поставленной цели.