Como identificar uma teoria científica ruim
Há um grande conjunto de evidências científicas que apoiam a imagem do Universo em expansão e do Big Bang. O pequeno número de parâmetros de entrada e o grande número de sucessos e previsões observacionais que foram verificados posteriormente estão entre as características de uma teoria científica bem-sucedida. (NASA/GSFC)
Nossos preconceitos, preferências e ideias de simplicidade e elegância podem atrapalhar. Aqui está uma maneira científica de cortar todos eles.
Quais são as regras que regem a realidade? Se você puder determinar quais são as leis reais da natureza, poderá prever com sucesso o resultado de qualquer experimento. Você poderia criar qualquer configuração física que sonhasse e saberia como ela se comportaria à medida que avançasse no tempo. Mesmo dentro dos parâmetros da mecânica quântica, você seria capaz de fornecer uma distribuição de probabilidade exata, com a realidade correspondendo ao que você observaria várias vezes.
Esse é o sonho de qualquer cientista que trabalhe com uma teoria: criar algo tão bem-sucedido que seus poderes preditivos e pós-ditivos estejam sempre corretos. Em 2018, estamos mais perto do que nunca de acertar em cheio. Mas existem regras para teorizar com sucesso e, se você as violar, sua teoria não estará apenas errada; será má ciência.
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 nenhum dos dois podia fazer. Por mais interessantes que sejam esses dois modelos, nenhum deles teria muito a dizer se outro novo planeta fosse descoberto. Nossas teorias devem se esforçar para ser não apenas descritivas, mas prescritivas. (ETHAN SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)
Sempre que observamos um fenômeno ocorrer no Universo, nossa curiosidade nos obriga a tentar entender o que o causou. Não basta descrevê-lo com uma imagem poética ou uma analogia; exigimos uma descrição quantitativa do que acontece, quando e em que quantidade. Buscamos entender quais processos impulsionam esse fenômeno e como esses processos criam o efeito observado da exata magnitude observada.
E queremos ser capazes de aplicar nossas regras a sistemas que ainda não observamos ou medimos, para prever novos comportamentos que não surgiriam em outras formulações. Ideias são poucas, mas boas ideias são extremamente raras. O simples porquê? A maioria das ideias pressupõe muito e prevê muito pouco. Há uma ciência de como tudo isso funciona.
A descoberta do Hubble de uma variável Cefeida na galáxia de Andrômeda, M31, abriu o Universo para nós, dando-nos a evidência observacional de que precisávamos para galáxias além da Via Láctea e levando ao Universo em expansão. (E. HUBBLE, NASA, ESA, R. GENDLER, Z. LEVAY E A EQUIPE HUBBLE HERITAGE)
Pegue o Universo em expansão, por exemplo. Quando olhamos para galáxias fora da Via Láctea, podemos medir estrelas individuais dentro delas. Como também medimos estrelas dentro de nossa própria galáxia e acreditamos (com grande precisão) que entendemos como as estrelas funcionam, quando medimos os mesmos tipos de estrelas em outros lugares, podemos usar essa informação para determinar a que distância elas estão. . Obtenha o suficiente dessas medidas para os tipos certos de estrelas e você pode derivar a que distância essas galáxias estão.
Quanto mais distante uma galáxia está, mais rápido ela se expande para longe de nós e mais sua luz parece desviada para o vermelho. Uma galáxia se movendo com o Universo em expansão estará a um número ainda maior de anos-luz de distância, hoje, do que o número de anos (multiplicado pela velocidade da luz) que a luz emitida por ela levou para chegar até nós. (LARRY MCNISH DO RASC CALGARY CENTER)
Acrescente a isso o fato de que a luz parece desviada para o vermelho dessas galáxias, e podemos inferir uma de duas coisas:
- ou as galáxias distantes estão se afastando de nós e sua luz parece mais vermelha por causa de seu movimento em relação a nós,
- ou o espaço entre essas galáxias e nós está se expandindo, fazendo com que o comprimento de onda dessa luz se alongue e se torne mais vermelho ao longo de sua jornada.
Qualquer uma delas seria consistente com as leis conhecidas da física, tornando ambas ótimas explicações candidatas. Quando olhamos para a relação distância-redshift para galáxias próximas, podemos ver que ela não discrimina entre essas duas possibilidades.
A relação redshift-distância para galáxias distantes. Os pontos que não caem exatamente na linha devem o pequeno descompasso às diferenças nas velocidades peculiares, que oferecem apenas pequenos desvios da expansão geral observada. Os dados originais de Edwin Hubble, usados pela primeira vez para mostrar que o Universo estava se expandindo, todos cabem na pequena caixa vermelha no canto inferior esquerdo. (ROBERT KIRSHNER, PNAS, 101, 1, 8–13 (2004))
Esta é uma maneira razoável de começar a teorizar! Veja um fenômeno e apresente uma explicação plausível (ou várias explicações plausíveis) para o que você observou. Ambas essas ideias teriam consequências para o Universo, no entanto. Se galáxias distantes estivessem se afastando de nós, você chegaria a um ponto em que seria limitado pela velocidade da luz: o limite máximo de velocidade do Universo.
Mas se o espaço entre as galáxias estivesse se expandindo, não há limite para a quantidade de desvio para o vermelho que poderíamos observar. A distâncias muito grandes, veríamos uma diferença entre essas duas explicações. Deixando todos os preconceitos de lado, se você puder fazer uma previsão física baseada em sua teoria que seja única e poderosa, testá-la será o fator decisivo.
As diferenças entre uma explicação baseada apenas em movimento para o desvio para o vermelho/distâncias (linha pontilhada) e as previsões da relatividade geral (sólidas) para distâncias no Universo em expansão. Definitivamente, apenas as previsões de GR correspondem ao que observamos. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO REDSHIFTIMPROVE)
O fato de podermos usar uma teoria para fazer uma previsão única e poderosa é uma das marcas do que separa uma boa teoria científica de uma ruim. Se sua teoria não faz previsões, é bastante inútil no que diz respeito à física. Esta é uma acusação que muitas vezes é corretamente levantada contra a teoria das cordas, cuja as previsões são praticamente impossíveis de testar na prática .
Mas quando a acusação é feita contra a inflação cósmica, é completamente injusto. A inflação fez nada menos que seis previsões únicas que não foram testados quando foi proposto, e quatro deles já foram validados, com os outros dois aguardando melhores experimentos para testá-los. Sua teoria, para ser de alguma qualidade, deve ser testável em relação às alternativas.
As flutuações na CMB, a formação e as correlações entre a estrutura em larga escala e as observações modernas de lentes gravitacionais, entre muitas outras, apontam para a mesma imagem: um Universo em aceleração, contendo e cheio de matéria escura e energia escura. Mas alternativas que oferecem previsões observáveis diferentes também devem ser consideradas. (CHRIS BLAKE E SAM MOORFIELD)
Também não deve ser desnecessariamente complicado. Existem muitos mistérios no Universo hoje, desde fenômenos de pequena escala, como por que os neutrinos têm massa, até matéria escura e energia escura nas maiores escalas. Há uma infinidade de modelos por aí para explicar esses (e outros) quebra-cabeças, mas a maioria das ideias teóricas são muito ruins.
Por quê?
Porque a maioria deles invoca todo um conjunto de novas físicas para explicar apenas uma observação inexplicável.
Embora as densidades de energia da matéria, radiação e energia escura sejam muito conhecidas, ainda há muito espaço de manobra na equação do estado da energia escura. Pode ser uma constante, mas também pode aumentar ou diminuir em força ao longo do tempo. (HISTÓRIAS QUÂNTICAS)
Tome a energia escura, por exemplo. É, no momento, completamente explicável pela adição de apenas um novo parâmetro – uma constante cosmológica – à nossa teoria da gravidade mais conhecida, a Relatividade Geral. Mas existem explicações alternativas que também podem fazer o trabalho.
- A energia escura pode ser um novo campo, com uma equação de estado não constante e/ou uma magnitude que muda ao longo do tempo.
- Pode estar conectado à inflação por meio de um campo semelhante à quintessência.
- Ou a Relatividade Geral pode ser substituída por qualquer alternativa que pudéssemos inventar que ainda não tenha sido descartada pelos dados existentes.
Essas explicações são importantes para se ter em mente como possibilidades, mas também são exemplos de uma teoria científica especulativa em que ninguém deveria acreditar.
Por si só, os dados do Planck não fornecem restrições muito rígidas na equação do estado da energia escura. Mas quando a combinamos com o conjunto completo de dados de estrutura de grande escala (BAO) e os conjuntos de dados de supernova disponíveis, podemos demonstrar definitivamente que a energia escura é extremamente consistente com ser uma constante cosmológica pura (na interseção das duas linhas pontilhadas) . Não existe motivação para outras alternativas que possuam parâmetros livres adicionais. (RESULTADOS PLANCK 2018. VI. PARÂMETROS COSMOLÓGICOS; COLABORAÇÃO PLANCK (2018))
Por que não? Porque essas explicações alternativas não estão fazendo nada significativamente melhor do que a explicação padrão de uma constante cosmológica. O conjunto completo de dados que temos sobre o comportamento da energia escura – incluindo supernovas, explosões de raios gama, oscilações acústicas de bárions, o fundo cósmico de micro-ondas e os dados de agrupamento em larga escala – não mostram evidências de nenhum deles.
Não há quebra-cabeças não resolvidos ou problemas observacionais que surgem com a visão padrão da energia escura. Em outras palavras, não há motivação para complicar desnecessariamente as coisas. Como O bule de Russell , só porque algo não está descartado não significa que vale a pena considerar.
O aglomerado de galáxias em colisão El Gordo, o maior conhecido no Universo observável, mostrando a mesma evidência de matéria escura que outros aglomerados em colisão. É possível explicar El Gordo com nova física, mas esta é uma complicação desnecessária; a matéria escura sem colisões padrão se sai bem aqui. (NASA, ESA, J. JEE (UNIV. DA CALIFÓRNIA, DAVIS), J. HUGHES (RUTGERS UNIV.), F. MENANTEAU (RUTGERS UNIV. E UNIV. DE ILLINOIS, URBANA-CHAMPAIGN), C. SIFON (LEIDEN OBS .), R. MANDELBUM (CARNEGIE MELLON UNIV.), L. BARRIENTOS (UNIV. CATOLICA DE CHILE), E K. NG (UNIV. DA CALIFÓRNIA, DAVIS))
O ônus da prova é de qualquer teórico demonstrar que seu novo modelo tem uma motivação convincente. Historicamente, essa motivação veio na forma de dados inexplicáveis, que clamam por explicação e que não podem ser explicados sem algum tipo de nova física. Se puder ser explicado sem nova física, esse é o caminho que você deve seguir. A história mostrou que esse caminho é quase sempre correto.
Se você pode explicar o que sua teoria padrão não explica, com um novo campo, uma nova partícula ou uma nova interação, esse é o próximo caminho que você deve tentar. Idealmente, você explicará várias observações com esse novo parâmetro de sua teoria e isso levará a novas previsões que você pode testar.
Um Universo com energia escura (vermelho), um Universo com grande energia heterogênea (azul) e um Universo crítico, livre de energia escura (verde). Observe que a linha azul se comporta de maneira diferente da energia escura. Novas ideias devem fazer previsões diferentes e observáveis das outras ideias principais. (GÁBOR RÁCZ ET AL., 2017)
Mas adicionar mais e mais modificações à sua teoria – tornando seu modelo objetivamente mais complicado – obviamente terá o poder de oferecer a você um melhor ajuste aos dados. Em geral, o número de novos parâmetros livres que sua ideia introduz deve ser muito menor do que o número de coisas novas que ela pretende explicar. O grande poder da ciência está em sua capacidade de prever e explicar o que vemos no Universo. A chave é fazê-lo da forma mais simples possível, mas não simplificar mais do que isso.
Abundam as teorias científicas ruins, repletas de complicações desnecessárias, conjuntos extras de parâmetros e especulações irrestritas e mal motivadas. A menos que haja uma verificação da realidade, na forma de dados experimentais ou observacionais, não vale a pena perder tempo.
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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