Космологи в пошуках фальсифікованої інфляції

Пристебніть ремені безпеки вашого зорельота: хоча космічна інфляція добре відома тим, що розв'язує деякі важливі загадки структури та еволюції Всесвіту, інші, абсолютно відмінні теорії також можуть пояснити ці загадки.

Згідно з деякими з цих теорій, стан Всесвіту, що передував Великому вибуху - так званий первозданний Всесвіт - стискався, а не розширювався, і Великий вибух, таким чином, був частиною Великого стрибка.

21 березня 2013 року Європейське космічне агентство провело міжнародну прес-конференцію, щоб оголосити про нові результати, отримані за допомогою космічного апарату "Планк". Він склав карту космічного мікрохвильового фонового випромінювання - світла, що виникло понад 13 мільярдів років тому відразу після Великого вибуху.

Нова карта підтверджувала теорію про те, що Всесвіт почався з вибуху, за яким послідував короткий період гіперприскореного розширення, тобто інфляція.

Це розширення згладило Всесвіт до такої міри, що через мільярди років він залишається майже однорідним в усьому просторі, напрямках і "плоским", а не зігнутим, як сфера, за винятком крихітних варіацій концентрації матерії, які пояснюють появу зірок і галактик навколо нас.

Проблема фальсифікованості

Група вчених запропонувала новий потужний тест на інфляцію - теорію про те, що Всесвіт різко збільшився в розмірах за швидкоплинну частку секунди відразу після Великого вибуху. Їхня мета - дати відповідь на давнє запитання: яким був Всесвіт до Великого вибуху?

Щоб допомогти визначитися між інфляцією та іншими ідеями, неминуче постає питання про фальсифікованість - тобто про те, чи можна перевірити теорію, щоб потенційно довести її хибність.

Деякі дослідники, включно з Аві Лоеба з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики (CfA), висловлюють побоювання з приводу інфляції, вважаючи, що уявна нескінченна адаптивність робить її практично неможливою для належної перевірки.

Принцип фальсифікації, створений Карлом Поппером, являє собою спосіб створення червоної лінії, так би мовити, гільйотини, що різко відокремлює науку від ненауки - щоб теорію вважали науковою, її необхідно перевірити й довести, що вона може бути помилковою.

"Фальсифікованість має бути відмінною рисою будь-якої наукової теорії. Поточна ситуація з інфляцією така, що це настільки гнучка ідея, що її неможливо фальсифікувати експериментально", - каже Лоеб.

"Незалежно від того, яке значення люди вимірюють для спостережуваного атрибута, завжди знайдуться моделі інфляції, які зможуть це пояснити".

Дебати про фальсифікованість інфляції розпочалися 2017 року, коли Лоеб - разом із професором Принстонського університету Полом Джей Стейнхардтом і тодішнім постдокторантом, фізиком-теоретиком Анною Іджас, яка працює нині в Інституті Ейнштейна, - написав статтю в журналі Scientific American "Pop Goes the Universe", де заперечувалося домінування інфляційної теорії.

За роки, що минули після пресконференції ЄКА 2013 року, - пишуть Лоеб і його колеги, - точніші дані, зібрані супутником "Планк" та іншими приладами, тільки зміцнили цю теорію.

Проте, навіть зараз спільнота космологів не розглядає інфляційну теорію холодним, чесним поглядом і не приділяє значної уваги критикам, які сумніваються в тому, що інфляція мала місце.

Швидше, космологи приймають за чисту монету твердження, що ми повинні вірити інфляційній теорії, тому що вона пропонує єдине просте пояснення спостережуваних особливостей Всесвіту.

Але дані Планка, доповнені теоретичними проблемами, похитнули основи цього твердження.

Доводи на користь космології, що стрибає

У "Pop Goes the Universe" автори наводять докази на користь стрибучої космології, запропонованої Стейнхардтом та іншими 2001 року.

На закінчення вони роблять незвичайну заяву про те, що інфляційну космологію "не можна оцінити за допомогою наукового методу", і далі стверджують, що деякі вчені, які приймають інфляцію, пропонують "відкинути одну з визначальних властивостей науки: емпіричну перевірку", тим самим "просуваючи ідею якоїсь неемпіричної науки".

"Одним із неминучих наслідків інфляції є поняття мультивсесвіту. Усе, що може статися, відбудеться нескінченну кількість разів, - пояснює Лоеб. - То чи справді інфляція піддається фальсифікації? Ми вважаємо, що наукова теорія - це теорія, яку можна фальсифікувати. Якщо інфляція може вмістити в себе все, що завгодно, це проблема".

Перевірка теорії інфляції

Стаття 2017 року викликала "дивну" відповідь професора Массачусетського технологічного інституту Алана Гута - лист, підписаний 32 колегами Гута, включно зі Стівеном Гокінгом і п'ятьма лауреатами Нобелівської премії.

Гут написав в електронному листі Лоебу і його команді, що він ніколи не стверджував, що інфляція "не може або не повинна бути перевірена".

За словами Лоеба, лист Гута спонукав їх шукати спосіб перевірити теорію інфляції, що призвело до публікації їхньої останньої роботи.

Модернізований BICEP і масив Кека
Існують десятки різних варіантів інфляції, і малоймовірно, що один експеримент або спостереження сфальсифікує всі одночасно.

Проте поточні та майбутні дослідження можуть виключити найбільш популярні інфляційні моделі, тобто ті, які не вимагають тонкого налаштування або спеціальних адаптацій.

Наприклад, більшість інфляційних моделей передбачають існування первісних гравітаційних хвиль, які повинні були поляризувати космічний мікрохвильовий фон у ранньому Всесвіті.

Модернізовані масиви BICEP і Keck, які планується завершити цьогоріч, мають бути достатньо чутливими, щоб або виявити цю поляризацію, або забезпечити суворі верхні межі, які спростують популярні моделі інфляції "повільного обертання".

Ранні надмасивні чорні діри фальсифікують інфляцію
Тим часом, виявлення надмасивних чорних дір на високих червоних зміщеннях у ранньому Всесвіті починає кидати виклик стандартним моделям космології. Виявлення об'єктів ще більш ранньої епохи призвело б до фальсифікації інфляції та Великого вибуху загалом, - припускаючи, що ці астрономічні об'єкти існували до Великого стрибка.

Первісний стандартний годинник

Група вчених під керівництвом Сінгана Чена з CfA разом із Лоебом і Чжун Чжі Сяньюєм з фізичного факультету Гарвардського університету застосували ідею, яку вони називають "первісний стандартний годинник", до неінфляційних теорій та виклали метод, який може бути використаний для експериментальної фальсифікації інфляції.

У спробі знайти якусь характеристику, яка відокремлює інфляцію від інших теорій, команда почала з визначення детермінуючої властивості різних теорій - еволюції розміру первозданного Всесвіту.

"Наприклад, під час інфляції розмір Всесвіту зростає експоненціально", - каже Сяньюй.

"У деяких альтернативних теоріях розмір Всесвіту зменшується. Деякі пропонують дуже повільне розширення, а інші - дуже швидке".

"Атрибути, які люди пропонували досі для вимірювання, зазвичай важко розрізнити між різними теоріями, тому що вони не пов'язані безпосередньо з еволюцією розміру первозданного Всесвіту", - пояснює він.

"Тому ми хотіли знайти спостережувані атрибути, які можна безпосередньо пов'язати з визначальною властивістю".

Такою метою можуть служити сигнали, що генеруються первісним стандартним годинником. Цей годинник являє собою будь-який тип важкої елементарної частинки в первозданному Всесвіті. Він має існувати в будь-якій теорії, а його положення мають коливатися з деякою регулярною частотою, подібно до цокання маятника годинника.

Всесвіт, що стискається?

Первісний Всесвіт не був повністю однорідним. У ньому існували крихітні порушення щільності в мізерних масштабах, які стали зачатками великомасштабної структури, спостережуваної в сучасному Всесвіті.

Це і є основне джерело інформації, на яке спираються фізики, коли намагаються дізнатися, що було до Великого вибуху.

Цокання стандартного годинника генерувало сигнали, які відбилися в структурі неоднорідностей. Стандартний годинник у різних теоріях пророкує різні патерни сигналів, тому що еволюційні історії - різні.

"Якщо уявити, що вся інформація, яка стосується стану до Великого вибуху, міститься в рулоні кіноплівки, то стандартний годинник каже нам, як мають відтворюватися кадри", - пояснює Чен.

"Без інформації про годинник ми не знаємо, чи слід відтворювати фільм уперед або назад, швидко або повільно, точно так само, як ми не знаємо, роздувався або стискався первозданний Всесвіт, і як швидко він це робив. Саме тут і криється проблема. Стандартний годинник ставить часові мітки на кожному кадрі, коли фільм знімали до Великого вибуху, і каже нам, як відтворювати фільм".

"Можливо, нам доведеться шукати в багатьох різних місцях"

Команда розрахувала, як ці сигнали стандартного годинника мають виглядати в неінфляційних теоріях. Вона запропонувала і відповідний метод астрофізичних спостережень.

"Якби було знайдено картину сигналів, що представляють Всесвіт, який стискається, то це спростувало б усю інфляційну теорію", - упевнений Сяньюй.

Успіх ідеї залежить від експериментів.

"Сигнали будуть дуже тонкими для виявлення, - каже Чен, - тому, можливо, нам доведеться шукати їх у різних місцях".

Одним із таких місць є космічне мікрохвильове фонове випромінювання, іншим - розподіл галактик.

"Ми вже почали пошук цих сигналів, і вже є кілька цікавих кандидатів, але нам потрібно більше даних".

Лоеб сподівається, що дані, необхідні для проведення тесту, будуть отримані протягом наступного десятиліття.

Останнє слово - Сінган Чен і Брайан Кітінг із Гарварду

"Сигнали змінять статистичний розподіл темних/світлих плям у космічному мікрохвильовому фоні або статистичний розподіл кількості галактик порівняно з передбаченнями стандартної моделі, у якій ці сигнали відсутні.

Наприклад, вони передбачать, що існує трохи більше галактик, розділених одними відстанями, ніж іншими, і вибір цих відстаней визначається типом сценарію первозданного Всесвіту", - Сінган Чен.

Останнє слово залишається за доктором Брайаном Кітінгом, заслуженим професором фізики університету Сан-Дієго, який заявив таке:

"Так, інфляція може бути фальсифікована, проте все залежить від того, яка версія інфляції оцінюється і наскільки фальсифікація є неодмінною умовою справжньої науки.

Наприклад, більшість моделей інфляції передбачають, що Всесвіт має бути просторово-плоским, з нульовою кривизною на великих масштабах.

Таке передбачення узгоджується з усіма вимірами космічного мікрохвильового фону, але їхня точність обмежена. Тому коли-небудь ми зможемо провести експеримент, який виміряє відхилення від нульової кривизни".

"Тож і противники, і прихильники мають рацію у своїх звинуваченнях", - підсумовує Кітінг.

"Але наука не залежить виключно від консенсусу експертів перед фактом".

Насправді, Карл Поппер, головний зачиншик фальсифікації, вважав фальсифікацію лише частиною наукового процесу.

До речі, псевдо-науки, такі, як астрологія або френологія, також можуть бути фальсифіковані. Астрологія висуває цілком собі фальсифіковані гіпотези про майбутнє любовне життя, які майже завжди виявляться хибними.

Тому за метрикою фальсифікації вона вважатиметься наукою. Чи багато хто з нас погодиться з таким визначенням?

Інакше кажучи, фальсифікація як єдиний критерій хорошої науки не є загальновизнаним стандартом. Немає жодного хорошого визначення того, що вона включає в себе.

Зрештою, якщо інфляція не може бути доведена, а альтернативи інфляції не можуть бути фальсифіковані. Можливо, для прогресу буде достатньо лише соціального доказу! (тобто віри? - Alter Science).

Очікується, що майбутні дослідження галактик - LSST, Euclid і SphereX НАСА - нададуть високоякісні дані, які можна буде використовувати для досягнення поставленої мети.