Os cosmólogos estão se enganando sobre o Big Bang, a matéria escura e muito mais?

Crédito da imagem: NASA/ESA/STScI, do grande aglomerado de galáxias Abell 2744 e seu efeito de lente gravitacional nas galáxias de fundo, consistente com a teoria da relatividade geral de Einstein.



A inércia das ideias anteriores é a única coisa que nos impede da próxima grande revolução na ciência?


Este post foi escrito por Brian Koberlein. Brian é astrofísico e professor sênior de física e astronomia na Instituto de Tecnologia de Rochester . Sua paixão é comunicar ciência ao público em geral, o que ele faz principalmente em seu blog, Um universo de cada vez .



Qualquer tolo pode criticar, condenar e reclamar – e a maioria dos tolos o faz.
Benjamin Franklin



Richard Feynman disse uma vez sobre o processo científico: O primeiro princípio é que você não deve se enganar – e você é a pessoa mais fácil de enganar. A ideia de que os cientistas podem estar se enganando (seja por ignorância ou para preservar seus empregos) é uma acusação comum feita por céticos de disciplinas científicas que vão desde das Alterações Climáticas para cosmologia . É fácil descartar tais críticas como infundadas, mas levanta uma questão interessante: como podemos dizer que estamos não nos enganando?

A visão popular da ciência é que os experimentos devem ser repetíveis e falsificáveis. Se você tem um modelo científico, esse modelo deve fazer previsões claras, e essas previsões devem ser testáveis ​​de uma forma que possa validar ou refutar seu modelo. Às vezes, os críticos assumem que isso significa que as únicas ciências verdadeiras são aquelas que podem ser feitas em um ambiente de laboratório, mas isso é apenas parte da história. As ciências observacionais como a cosmologia também estão sujeitas a este teste, uma vez que nova evidência observacional pode potencialmente refutar nossas teorias atuais. Se, por exemplo, observo mil cisnes brancos, posso presumir que todos os cisnes são brancos. Mas a observação de um único cisne negro pode derrubar minhas ideias. Uma teoria científica, portanto, nunca é absoluta, mas sempre provisória, dependendo de qualquer evidência subsequente que surja.



Crédito da imagem: Sergio Valle Duarte, sob c.c.-by-s.a. 4.0.



Mesmo que seja tecnicamente correto, chamar teorias científicas bem estabelecidas de tentativa é um pouco enganoso. Por exemplo, Newton teoria da gravidade universal permaneceu por séculos antes de ser suplantado pela teoria de Einstein. teoria da relatividade geral . Embora agora possamos dizer que a gravidade newtoniana provavelmente está errada, é tão válido como sempre foi . Agora sabemos que Newton é um modelo aproximado que descreve a interação gravitacional de massas, e é uma aproximação tão boa que ainda a usamos hoje para coisas como o cálculo de trajetórias orbitais. É somente quando estendemos nossas observações além da gama (muito grande) de situações em que Newton é válido que a teoria de Einstein se torna necessária.

À medida que construímos um confluência de evidências para apoiar uma teoria científica, podemos ter certeza de que ela é válida com a pequena ressalva de estar aberto a novas evidências. Em outras palavras, a teoria pode ser considerada verdadeira na faixa para a qual foi testada de forma robusta, mas novos regimes podem descobrir comportamentos inesperados que levam a um avanço e a uma imagem mais completa. Nossas teorias científicas são intrinsecamente provisórias, mas não tão provisórias que não possamos confiar em sua precisão. Parece uma posição razoável, mas levanta um desafio para teorias bem estabelecidas. Como nunca podemos saber com certeza se nossos resultados experimentais são os resultados reais, como podemos ter certeza de que não estamos simplesmente reforçando a resposta que esperamos?



Valores recomendados de velocidade da luz ao longo do tempo. Adaptado de Henrion & Fischhoff (1986)

Essa linha de pensamento surge muito nos cursos introdutórios de física. Os alunos são designados para medir algum valor experimental, como a aceleração da gravidade ou o comprimento de onda de um laser. Sendo experimentadores iniciantes, às vezes cometem erros básicos e obtêm um resultado que não concorda com o valor aceito. Quando isso acontecer, eles voltarão e verificarão seu trabalho para encontrar um erro. No entanto, se cometerem erros de tal forma que seus erros sejam cancelados ou não sejam aparentes, eles não tenderão a verificar novamente seu trabalho. Como seu resultado está próximo do valor esperado, eles assumem que devem ter feito as coisas corretamente. Esse viés de confirmação é algo que todos nós temos e pode acontecer com os pesquisadores mais experientes. Historicamente, isso foi visto com coisas como a carga de um elétron ou a velocidade da luz, onde os resultados experimentais iniciais estavam um pouco errados, e os valores subsequentes tendiam a concordar mais com os resultados anteriores do que os valores atuais.



Linha do tempo do universo. Crédito de imagem: NASA/WMAP Science Team, modificado por Ryan Kaldari.



Atualmente, em cosmologia, temos um modelo que concorda fortemente com os resultados observacionais. É conhecido como o Modelo ΛCDM , assim chamado porque inclui energia escura , representado pela letra grega Lambda (Λ), e matéria escura fria (MDL). Grande parte do refinamento deste modelo envolve fazer melhores medições de certos parâmetros neste modelo, como a idade do universo, o parâmetro de Hubble e a densidade da matéria escura. Se o modelo ΛCDM é de fato uma descrição precisa do Universo, então uma medição imparcial desses parâmetros deve seguir um padrão estatístico. Ao estudar os valores históricos desses parâmetros, podemos determinar se há viés nas medições.

Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Dan Kernler.



Para ver como isso funciona, imagine uma dúzia de alunos medindo o comprimento de um quadro-negro. Estatisticamente, alguns alunos devem obter um valor maior ou menor que o valor real. Seguindo uma distribuição normal, se o valor real for 183 centímetros com um desvio padrão de um centímetro, seria de esperar que cerca de 8 dos alunos obtivessem um resultado entre 182 e 184 centímetros. Mas suponha que todos os alunos estivessem dentro dessa faixa. Então você pode suspeitar de algum viés nos resultados. Por exemplo, os alunos podem imaginar que o quadro-negro provavelmente tem 6 pés de largura (182,88 centímetros), então eles fazem sua medição esperando obter 183 centímetros. Paradoxalmente, se os resultados experimentais forem muito bons, isso levaria você a suspeitar de um viés subjacente no experimento.

Em cosmologia, os vários parâmetros são bem conhecidos. Assim, quando uma equipe de pesquisadores realiza um novo experimento, eles já sabem qual é o resultado aceito. Então, os resultados estão sendo tendenciosos por resultados anteriores? Um trabalho recente na Revisão Trimestral de Física olha para esta mesma pergunta. Olhando para 637 medições de 12 parâmetros cosmológicos diferentes, eles examinaram como os resultados foram distribuídos estatisticamente. Como os valores reais desses parâmetros não são conhecidos, os autores trataram os resultados do WMAP 7 como os valores verdadeiros. O que eles descobriram foi que a distribuição dos resultados foi um pouco mais precisa do que deveria ser. Não foi um efeito enorme, então pode ser devido a um viés de expectativa, mas também foi significativamente diferente do efeito esperado, o que pode significar que houve uma superestimação das incertezas experimentais. Isso também significava que, quando os dados do Planck de 2013 chegaram, a mudança nos parâmetros estava um pouco fora da faixa que a maioria dos cosmólogos havia medido.



Crédito da imagem: Colaboração Planck / P.A.R. Ade et ai. (2013), anotações de E. Siegel.

Isso não significa que nosso modelo cosmológico atual esteja errado, mas significa que devemos ser um pouco cautelosos com nossa confiança no nível de precisão de nossos parâmetros cosmológicos. Felizmente, existem maneiras de determinar se essa anomalia se deve a algum viés, como fazer análises cegas ou incentivar dados mais abertos, onde outras equipes podem fazer uma reanálise usando seus próprios métodos e os mesmos dados brutos. O que este novo trabalho mostra é que, embora os cosmólogos não estejam se enganando, ainda há espaço para refinamento e aprimoramento dos dados, métodos e análises que realizam.

Papel: Croft, Rupert A. C. et ai. Sobre a medição de parâmetros cosmológicos . Revisão Trimestral de Física (2015) Nº 1 pp 1–14 arXiv: 1112.3108 [astro-ph.CO].


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