• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: O que a 'verdade' significa para um cientista?

Se você olhar cada vez mais longe, você também olhará cada vez mais longe no passado. O mais distante que podemos ver no tempo é de 13,8 bilhões de anos: nossa estimativa para a idade do Universo. É a extrapolação de volta aos primeiros tempos que levou à ideia do Big Bang. Embora tudo o que observamos seja consistente com a estrutura do Big Bang, não é algo que possa ser comprovado. (NASA / STSCI / A. FELID)

É muito diferente dos significados coloquiais de verdadeiro e falso ou certo e errado.

De muitas maneiras, o esforço humano da ciência é a busca final da verdade. Ao fazer perguntas ao mundo natural e ao Universo sobre si mesmo, buscamos obter uma compreensão de como é o Universo, quais são as regras que o governam e como as coisas vieram a ser como são hoje. A ciência é o conjunto completo de conhecimento que obtemos ao observar, medir e realizar experimentos que testam o Universo, mas também é o processo pelo qual realizamos essas investigações. Pode ser fácil ver como obtemos conhecimento com esse esforço, mas como os cientistas chegam à ideia de uma verdade científica? Essa é a pergunta de Curtis Brand, quando ele pergunta:

Eu estava falando com um amigo [que é] um analista econômico, e sua definição pessoal de verdade era quando algo tem mais de 51% de probabilidade de acontecer… Na ciência, você realmente aceita algo como verdade e, em caso afirmativo, por que você normalmente decide que é digno de ser chamado de verdade?

Quando falamos cientificamente, a verdade é algo muito diferente de como a usamos coloquialmente. Aqui está como.

Um dos grandes quebra-cabeças dos anos 1500 era como os planetas se moviam de maneira aparentemente retrógrada. Isso pode ser explicado através do modelo geocêntrico de Ptolomeu (L), ou heliocêntrico de Copérnico (R). No entanto, obter os detalhes com precisão arbitrária era algo que exigiria avanços teóricos em nossa compreensão das regras subjacentes aos fenômenos observados, o que levou às leis de Kepler e, eventualmente, à teoria da gravitação universal de Newton. (ETHAN SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Vamos considerar a seguinte afirmação: a Terra é redonda. Se você não é um cientista (e também não é um terraplanista ), você pode pensar que esta declaração é irrepreensível. Você pode pensar nisso como sendo cientificamente verdade. De fato, afirmar que a Terra é redonda é uma conclusão científica válida e um fato científico, pelo menos se você contrastar uma Terra redonda com uma Terra plana.

Mas sempre há uma nuance e uma advertência adicionais em jogo. Se você medisse o diâmetro da Terra em nosso equador, obteria um valor: 7.926 milhas (12.756 km). Se você medisse o diâmetro do pólo norte ao pólo sul, obteria um valor ligeiramente diferente: 7.900 milhas (12.712 km). A Terra não é uma esfera perfeita, mas sim uma forma quase esférica que se projeta no equador e é comprimida nos pólos.

Planeta Terra, visto em sua totalidade (tanto quanto se pode ver de uma só vez) do satélite GOES-13. Nesta imagem, o planeta pode parecer perfeitamente esférico, mas seu diâmetro equatorial é ligeiramente maior que seu diâmetro polar: a Terra é mais precisamente aproximada por um esferóide oblato do que por uma esfera perfeitamente redonda. (NASA / GODDARD SPACE FLIGHT CENTER / GOES-13 / NOAA)

Para um cientista, isso ilustra muito bem as advertências associadas a um termo como verdade científica. Claro, é mais verdade que a Terra é uma esfera do que a Terra é um disco ou um círculo. Mas não é uma verdade absoluta que a Terra seja uma esfera, porque é mais correto chamá-la de esferóide oblato do que de esfera. E mesmo se você fizer isso, chamá-lo de esferoide oblato também não é a verdade absoluta.

Existem características da superfície da Terra que demonstram desvios significativos de uma forma suave como uma esfera ou um esferóide oblato. Existem cadeias de montanhas, rios, vales, planaltos, oceanos profundos, trincheiras, cordilheiras, vulcões e muito mais. Existem locais onde a terra se estende a mais de 29.000 pés (quase 9.000 metros) acima do nível do mar e lugares onde você não tocará a superfície da Terra até que esteja 36.000 pés (11.000 metros) abaixo da superfície do oceano.

De uma profundidade de mais de 7.000 metros na Fossa das Marianas, o veículo submersível ‘Jiaolong’ trabalha para criar imagens de plantas e animais vivos ao longo do fundo do oceano no Oceano Pacífico ocidental. A Fossa das Marianas contém a parte mais profunda dos oceanos do mundo e se estenderá ainda mais fundo do que isso em seu extremo. (VCG/VCG via Getty Images)

Este exemplo destaca algumas maneiras importantes de pensar cientificamente que diferem de como pensamos coloquialmente.

1. Não há verdades absolutas na ciência; existem apenas verdades aproximadas.
2. Se uma afirmação, teoria ou estrutura é verdadeira ou não, depende de fatores quantitativos e de quão de perto você examina ou mede os resultados.
3. Toda teoria científica tem um alcance finito de validade: dentro desse alcance, a teoria é indistinguível da verdadeira, fora desse alcance, a teoria não é mais verdadeira.

Isso representa uma enorme diferença de como comumente pensamos sobre fato versus ficção, verdade versus falsidade, ou mesmo certo versus errado.

Segundo a lenda, o primeiro experimento a mostrar que todos os objetos caíram na mesma proporção, independentemente da massa, foi realizado por Galileu Galilei no topo da Torre Inclinada de Pisa. Quaisquer dois objetos lançados em um campo gravitacional, na ausência (ou desprezando) a resistência do ar, irão acelerar até o solo na mesma taxa. Isso foi posteriormente codificado como parte das investigações de Newton sobre o assunto, que substituiu as noções anteriores de uma aceleração constante para baixo, que se aplica apenas à superfície da Terra. (GETTY IMAGENS)

Por exemplo, se você deixar cair uma bola na Terra, poderá fazer a pergunta quantitativa e científica de como ela se comportará. Como tudo na superfície da Terra, ele acelerará para baixo a 9,8 m/s² (32 pés/s²). E esta é uma ótima resposta, porque é aproximadamente verdadeira.

Na ciência, porém, você pode começar a olhar mais profundamente e ver onde essa aproximação não é mais verdadeira. Se você fizer esse experimento ao nível do mar, em várias latitudes, verá que essa resposta varia: de 9,79 m/s² no equador a 9,83 m/s² nos polos. Se você for para altitudes mais altas, verá que a aceleração começa a diminuir lentamente. E se você deixar a atração gravitacional da Terra, descobrirá que essa regra não é universal, mas é substituída por uma regra mais geral: a lei da gravitação universal.

As trajetórias da missão Apollo, possibilitadas pela proximidade da Lua conosco. A lei da gravitação universal de Newton, apesar de ter sido superada pela Relatividade Geral de Einstein, ainda é tão boa em ser aproximadamente verdadeira na maioria das escalas do Sistema Solar que encapsula toda a física de que precisamos para viajar da Terra à Lua e pousar em seu planeta. superfície e retornar. (ESCRITÓRIO DE VOO ESPACIAL TRIPULADO DA NASA, MISSÕES APOLLO)

Esta lei é ainda mais geralmente verdadeira. A lei da gravitação universal de Newton pode explicar todos os sucessos da modelagem da aceleração da Terra como uma constante, mas também pode fazer muito mais. Ele pode descrever o movimento orbital das luas, planetas, asteróides e cometas do sistema solar, bem como quanto você pesaria em qualquer um dos planetas. Ele descreve como as estrelas se movem dentro das galáxias e até nos permitiu prever como enviar um foguete para pousar humanos na Lua, com trajetórias extraordinariamente precisas.

Mas mesmo a lei de Newton tem seus limites. Quando você se aproxima da velocidade da luz, ou se aproxima muito de uma massa extremamente grande, ou quer saber o que está ocorrendo em escalas cósmicas (como no caso do Universo em expansão), Newton não o ajudará. Para isso, você precisa substituir Newton e passar para a Relatividade Geral de Einstein.

Uma ilustração de lentes gravitacionais mostra como as galáxias de fundo – ou qualquer caminho de luz – são distorcidas pela presença de uma massa intermediária, mas também mostra como o próprio espaço é dobrado e distorcido pela presença da própria massa em primeiro plano. Antes de Einstein apresentar sua teoria da Relatividade Geral, ele entendeu que essa flexão deveria ocorrer, embora muitos permanecessem céticos até (e mesmo depois) o eclipse solar de 1919 confirmar suas previsões. Há uma diferença significativa entre as previsões de Einstein e Newton para a quantidade de flexão que deve ocorrer, devido ao fato de que o espaço e o tempo são afetados pela massa na Relatividade Geral. (NASA/ESA)

Para as trajetórias de partículas que se movem perto da velocidade da luz, ou para obter previsões muito precisas para a órbita de Mercúrio (o planeta mais próximo e mais rápido do Sistema Solar), ou para explicar a curvatura gravitacional da luz das estrelas pelo Sol (durante um eclipse) ou por uma grande coleção de massa (como no caso das lentes gravitacionais, acima), a teoria de Einstein acerta onde a de Newton falha. Na verdade, para cada teste observacional ou experimental que lançamos na Relatividade Geral, desde ondas gravitacionais até o arrasto de quadros do próprio espaço, ele é aprovado com louvor.

Isso significa que a teoria da Relatividade Geral de Einstein pode ser tomada como uma verdade científica?

Quando você aplica a esses cenários específicos, absolutamente. Mas há outros cenários aos quais podemos aplicá-lo, todos ainda não suficientemente testados, onde esperamos que não forneça previsões quantitativamente precisas.

Mesmo dois buracos negros em fusão, uma das fontes mais fortes de um sinal gravitacional no Universo, não deixam uma assinatura observável que possa investigar a gravidade quântica. Para isso, teremos que criar experimentos que investiguem o regime de campo forte da relatividade, ou seja, próximo à singularidade, ou que tirem proveito de configurações de laboratório inteligentes. (SXS, O PROJETO SIMULADOR DE ESPAÇOS EXTREMOS (SXS) ( BLACK-HOLES.ORG ))

Há muitas perguntas que podemos fazer sobre a realidade que exigem que entendamos o que está acontecendo onde a gravidade é importante ou onde a curvatura do espaço-tempo é extremamente forte: exatamente onde você desejaria a teoria de Einstein. Mas quando as escalas de distância em que você está pensando também são muito pequenas, você espera que os efeitos quânticos também sejam importantes, e a Relatividade Geral não pode explicar isso. Isso inclui perguntas como as seguintes :

• O que acontece com o campo gravitacional de um elétron quando ele passa por uma fenda dupla?
• O que acontece com a informação das partículas que formam um buraco negro, se o estado final do buraco negro é decair em radiação térmica?
• E qual é o comportamento de um campo/força gravitacional em e ao redor de uma singularidade?

A teoria de Einstein não apenas errará essas respostas, mas também não terá respostas sensatas para oferecer. Nesses regimes, sabemos que precisamos de uma teoria mais avançada, como uma teoria gravitacional quântica válida, para nos dizer o que vai acontecer nessas circunstâncias.

Codificados na superfície do buraco negro podem estar bits de informação, proporcionais à área de superfície do horizonte de eventos. Quando o buraco negro decai, ele decai para um estado de radiação térmica. Se essa informação sobrevive e é codificada na radiação ou não, e em caso afirmativo, como, não é uma questão para a qual nossas teorias atuais possam fornecer a resposta. (T.B. BAKKER / DR. J.P. VAN DER SCHAAR, UNIVERSIDADE DE AMSTERDÃO)

Sim, as massas na superfície da Terra aceleram para baixo a 9,8 m/s², mas se fizermos as perguntas certas ou realizarmos as observações ou experimentos corretos, podemos descobrir onde e como essa descrição da realidade não é mais uma boa aproximação da verdade . As leis de Newton podem explicar esse fenômeno e muitos outros, mas podemos encontrar observações e experimentos que nos mostram onde Newton também é insuficiente.

Mesmo substituir as leis de Newton pela Relatividade Geral de Einstein leva à mesma história: a teoria de Einstein pode explicar com sucesso tudo o que a de Newton pode, além de fenômenos adicionais. Alguns desses fenômenos já eram conhecidos quando Einstein estava construindo sua teoria; outros ainda não haviam sido testados. Mas podemos ter certeza de que mesmo a maior realização de Einstein um dia será superada. Quando isso acontecer, esperamos que aconteça exatamente da mesma maneira.

A gravidade quântica tenta combinar a teoria geral da relatividade de Einstein com a mecânica quântica. As correções quânticas à gravidade clássica são visualizadas como diagramas de loop, como o mostrado aqui em branco. Se o espaço (ou o tempo) em si é discreto ou contínuo ainda não está decidido, assim como a questão se a gravidade é quantizada ou se as partículas, como as conhecemos hoje, são fundamentais ou não. Mas se esperamos uma teoria fundamental de tudo, ela deve incluir campos quantizados, o que a Relatividade Geral não faz sozinha. (LAC NACIONAL ACELERATOR LAB)

A ciência não é sobre encontrar a verdade absoluta do Universo. Não importa o quanto gostaríamos de saber qual é a natureza fundamental da realidade, desde as menores escalas subatômicas até as maiores cósmicas e além, isso não é algo que a ciência possa oferecer. Todas as nossas verdades científicas são provisórias, e devemos reconhecer que são apenas modelos ou aproximações da realidade.

Mesmo as teorias científicas mais bem-sucedidas imagináveis ​​terão, por sua própria natureza, um alcance limitado de validade. Mas podemos teorizar o que quisermos, e quando uma nova teoria atende aos três critérios a seguir:

1. ela alcança todos os sucessos da teoria predominante e pré-existente,
2. ele tem sucesso onde a teoria atual é conhecida por falhar,
3. e faz novas previsões para fenômenos até então não medidos, distintos da teoria anterior, que passam nos testes observacionais ou experimentais críticos,

ele substituirá o atual como nossa melhor aproximação de uma verdade científica.

Toda a nossa história cósmica é teoricamente bem compreendida, mas apenas qualitativamente. É confirmando e revelando observacionalmente vários estágios no passado do nosso Universo que devem ter ocorrido, como quando as primeiras estrelas e galáxias se formaram e como o Universo se expandiu ao longo do tempo, que podemos realmente entender nosso cosmos. As assinaturas de relíquias impressas em nosso Universo de um estado inflacionário antes do Big Bang quente nos dão uma maneira única de testar nossa história cósmica, mas mesmo essa estrutura tem limitações fundamentais. (NICOLE RAGER FULLER / FUNDAÇÃO NACIONAL DE CIÊNCIAS)

Todas as nossas verdades científicas atualmente mantidas, do Modelo Padrão de partículas elementares ao Big Bang, à matéria escura e à energia escura, à inflação cósmica e além, são apenas provisórias. Eles descrevem o Universo com extrema precisão, tendo sucesso em regimes onde todas as estruturas anteriores falharam. No entanto, todos eles têm limitações quanto ao quão longe podemos levar suas implicações antes de chegarmos a um ponto em que suas previsões não sejam mais sensatas ou não descrevam mais a realidade. Não são verdades absolutas, mas aproximadas, provisórias.

Nenhum experimento pode provar que uma teoria científica é verdadeira; podemos apenas demonstrar que sua validade se estende ou deixa de se estender a qualquer regime em que a testamos. O fracasso de uma teoria é, na verdade, o sucesso científico final: uma oportunidade de encontrar uma verdade científica ainda melhor para aproximar a realidade. É estar errado da melhor maneira imaginável.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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