هناك مجموعة كبيرة من الأدلة العلمية التي تدعم صورة الكون المتمدد والبيج بانج. يعد العدد القليل من معلمات الإدخال والعدد الكبير من النجاحات والتنبؤات الرصدية التي تم التحقق منها لاحقًا من بين السمات المميزة لنظرية علمية ناجحة. (ناسا / GSFC)

كيفية اكتشاف نظرية علمية سيئة

إن تحيزاتنا وأفضلياتنا وأفكار البساطة والأناقة يمكن أن تعرقل الطريق. إليك طريقة علمية لتجاوزها جميعًا.

ما هي القواعد التي تحكم الواقع؟ إذا تمكنت من تحديد ماهية قوانين الطبيعة الفعلية ، فستتمكن من التنبؤ بنتيجة أي تجربة بنجاح. يمكنك إنشاء أي إعداد مادي كنت تحلم به ، وستعرف كيف سيكون سلوكك أثناء تقدمك للأمام في الوقت المناسب. حتى ضمن معايير ميكانيكا الكم ، ستتمكن من إعطاء توزيع احتمالي دقيق ، مع مطابقة الواقع لما كنت تلاحظه مرارًا وتكرارًا.

هذا هو حلم أي عالم يعمل مع نظرية: التوصل إلى شيء ناجح للغاية بحيث تكون قدراته التنبؤية وما بعد الإملاء صحيحة في كل مرة. في عام 2018 ، أصبحنا أقرب مما كنا عليه في أي وقت مضى للوصول إلى الوضع الصحيح. ولكن هناك قواعد للتنظير بنجاح ، وإذا انتهكتها ، فلن تكون نظريتك خاطئة ؛ سيكون العلم سيئا.

واحدة من الألغاز العظيمة في القرن السادس عشر كانت كيفية تحرك الكواكب بطريقة رجعية على ما يبدو. يمكن تفسير ذلك من خلال نموذج مركز الأرض لبطليموس (L) ، أو نموذج مركز كوبرنيكوس (ع). ومع ذلك ، كان الحصول على التفاصيل بشكل صحيح التعسفي شيء لا يمكن لأحد القيام به. وبقدر اهتمام كلا النموذجين ، فلن يكون لدى أي منهما الكثير ليقول إن تم اكتشاف كوكب جديد. يجب أن تسعى نظرياتنا إلى أن لا تكون وصفيًا فحسب ، بل وصفيًا. (إيثان سيجل / ما وراء المجرة)

عندما نلاحظ حدوث ظاهرة في الكون ، فإن فضولنا يجبرنا على محاولة فهم سببها. لا يكفي وصفها بصورة شعرية أو تشبيه ؛ نحن نطالب بوصف كمي لما يحدث ومتى وبأي مبلغ. نحن نسعى لفهم ما هي العمليات التي تحرك هذه الظاهرة ، وكيف تخلق هذه العمليات التأثير الملحوظ للحجم الدقيق المرصود.

ونريد أن نكون قادرين على تطبيق قواعدنا على الأنظمة التي لم نرصدها أو نقيسها بعد ، للتنبؤ بسلوك جديد لن ينشأ في صيغ أخرى. الأفكار هي عشرة سنتات ، ولكن الأفكار الجيدة نادرة للغاية. السبب البسيط لماذا؟ تفترض معظم الأفكار الكثير وتتوقع القليل جدًا. هناك علم لكيفية عمل كل هذا.

إن اكتشاف هابل لمتغير Cepheid في مجرة ​​أندروميدا ، M31 ، قد فتح الكون أمامنا ، مما أعطانا الأدلة الملاحظة التي نحتاجها للمجرات التي تتجاوز مجرة ​​درب التبانة وتؤدي إلى توسع الكون. (E. HUBBLE و NASA و ESA و R. Gendler و Z. LVAY و THE HUBBLE HERITAGE TEAM)

خذ الكون المتمدد ، على سبيل المثال. عندما ننظر إلى المجرات خارج درب التبانة ، يمكننا قياس النجوم الفردية داخلها. نظرًا لأننا نقيس النجوم داخل مجرتنا الخاصة ، ونعتقد أيضًا (بدرجة كبيرة من الدقة) أننا نفهم كيف تعمل النجوم ، وعندما نقيس نفس أنواع النجوم في مكان آخر ، يمكننا استخدام هذه المعلومات لتحديد المسافة البعيدة عنهم . احصل على ما يكفي من هذه القياسات للأنواع الصحيحة من النجوم ، ويمكنك استخلاص كم هي بعيدة هذه المجرات.

كلما كانت المجرة أبعد ، كلما توسعت أسرع عنا ، وكلما زاد الضوء الأحمر. ستكون المجرة التي تتحرك مع الكون المتمدد أكثر عددًا من السنوات الضوئية ، اليوم ، من عدد السنوات (مضروبة في سرعة الضوء) التي أخذها الضوء المنبعث منها للوصول إلينا. (لاري MCNISH من مركز RASC كالجاري)

أضف إلى ذلك حقيقة أن الضوء يبدو متحولاً إلى اللون الأحمر من هذه المجرات ، ويمكننا استنتاج أحد أمرين:

  1. إما المجرات البعيدة تتحرك بعيدا عنا ، ويظهر ضوءها احمرار بسبب حركتها بالنسبة لنا ،
  2. أو أن المسافة بين تلك المجرات وبيننا تتسع ، مما يتسبب في إطالة الطول الموجي لذلك الضوء وتصبح أكثر احمرارًا خلال رحلته.

إما أن يكون أحدهما متسقًا مع قوانين الفيزياء المعروفة ، مما يجعل كلاهما تفسيرات مرشح عظيم. عندما ننظر إلى علاقة المسافة الحمراء نحو المجرات القريبة ، يمكننا أن نرى أنها لا تميز بين هذين الاحتمالين.

علاقة الانزياح نحو الأحمر بالنسبة للمجرات البعيدة. إن النقاط التي لا تقع تمامًا على الخط ترجع إلى عدم التوافق الطفيف مع الاختلافات في السرعات الخاصة ، والتي لا تقدم سوى انحرافات طفيفة عن التوسعات المرصودة بشكل عام. كانت البيانات الأصلية من إدوين هابل ، التي كانت تُستخدم لأول مرة لإظهار الكون تتوسع ، كلها ملائمة في الصندوق الأحمر الصغير في أسفل اليسار. (روبرت كيرشنر ، PNAS ، 101 ، 1 ، 8-13 (2004))

هذه طريقة معقولة لبدء التنظير! شاهد إحدى الظواهر ، وتوصل إلى تفسير معقول (أو تفسيرات متعددة معقولة) لمعرفة ما لاحظته. كل من هذه الأفكار سيكون لها عواقب على الكون ، ولكن. إذا كانت المجرات البعيدة تبتعد عنا ، فستصل إلى نقطة حيث كنت محدودة بسبب سرعة الضوء: الحد الأقصى للسرعة القصوى للكون.

ولكن إذا كانت المساحة بين المجرات تتوسع ، فلا يوجد حد لكمية الانزياح الأحمر الذي يمكن ملاحظته. على مسافات كبيرة جدًا ، سنرى فرقًا بين هذين التوضيحين. جميع التحيزات جانباً ، إذا أمكنك عمل تنبؤ جسدي يستند إلى نظريتك بأنه فريد وقوي ، فإن اختباره سيكون العامل الحاسم.

الاختلافات بين تفسير قائم على الحركة فقط للون الأحمر / المسافات (الخط المنقط) وتوقعات النسبية العامة (الصلبة) للمسافات في الكون المتمدد. بالتأكيد ، توقعات GR فقط هي التي تطابق ما نلاحظه. (WIKIMEDIA COMMONS USED REDSHIFTIMPROVE)

حقيقة أننا نستطيع استخدام النظرية لعمل تنبؤ فريد وقوي هي إحدى السمات المميزة لما يفصل بين النظرية العلمية الجيدة والنظرية السيئة. إذا كانت نظريتك لا تقوم بتنبؤات ، فهي غير مجدية بقدر ما يتعلق الأمر بالفيزياء. هذه تهمة غالبًا ما يتم توجيهها بشكل صحيح ضد نظرية الأوتار ، والتي لا يمكن اختبارها من الناحية العملية.

ولكن عندما يتم توجيه الاتهام ضد التضخم الكوني ، فإن هذا غير عادل تمامًا. حقق التضخم ما لا يقل عن ستة تنبؤات فريدة لم يتم اختبارها عندما تم اقتراحه ، وتم التحقق من صحة أربعة منها بالفعل ، في حين ينتظر الاثنان الآخران تجارب أفضل لاختبارها. نظريتك ، من أجل أن تكون من أي نوعية ، يجب أن تكون قابلة للاختبار ضد البدائل.

التقلبات في CMB ، والتكوين والعلاقات بين الهيكل واسع النطاق ، والملاحظات الحديثة للعدسة الجاذبية ، من بين أمور أخرى كثيرة ، تشير جميعها إلى نفس الصورة: الكون المتسارع ، يحتوي على مادة مظلمة والطاقة المظلمة ومليئة بالطاقة. لكن البدائل التي تقدم تنبؤات مختلفة يمكن ملاحظتها يجب أن تؤخذ في الاعتبار أيضًا. (كريس بلاك وسام مورفيلد)

كما يجب ألا تكون معقدة بشكل غير ضروري. هناك الكثير من الألغاز في الكون اليوم ، من ظواهر صغيرة الحجم مثل السبب في أن النيوتريونات لديها كتلة إلى المادة المظلمة والطاقة المظلمة على أكبر المقاييس. هناك عدد لا يحصى من النماذج هناك لشرح هذه الألغاز (وغيرها) ، ولكن معظم الأفكار النظرية هناك سيئة للغاية.

لماذا ا؟

لأن معظمهم يستدعي مجموعة كاملة من الفيزياء الجديدة لشرح ملاحظة واحدة فقط لا يمكن تفسيره.

في حين أن كثافات طاقة المادة والإشعاع والطاقة المظلمة معروفة جيدًا ، فلا يزال هناك مجال كبير للمناورة في معادلة حالة الطاقة المظلمة. قد يكون ثابتًا ، لكنه قد يزيد أو ينقص في القوة بمرور الوقت أيضًا. (قصص كمية)

خذ الطاقة المظلمة على سبيل المثال. في الوقت الحاضر ، يمكن تفسيره تمامًا عن طريق إضافة معلمة واحدة فقط - ثابت فلكي - إلى أفضل نظرية معروفة لدينا للجاذبية ، النسبية العامة. ولكن هناك تفسيرات بديلة يمكن أن تؤدي المهمة أيضًا.

  • قد تكون الطاقة المظلمة حقلًا جديدًا ، مع معادلة غير ثابتة للحالة و / أو حجم يتغير مع مرور الوقت.
  • قد يكون متصلاً بالتضخم من خلال حقل يشبه الجوهر.
  • أو قد يتم استبدال "النسبية العامة" بأي بديل يمكن أن نحققه ولم تستبعده بالفعل البيانات الحالية.

هذه التفسيرات جميعها مهمة لتضعها في الاعتبار كاحتمالات ، لكنها أيضًا أمثلة لنظرية علمية مضاربة لا ينبغي لأحد أن يصدقها.

من جانبها ، لا توفر بيانات بلانك قيودًا شديدة الشدة على معادلة حالة الطاقة المظلمة. ولكن عندما نجمعها مع المجموعة الكاملة لبيانات الهيكل واسع النطاق (BAO) ومجموعات بيانات المستعرات الأعظمية المتاحة ، يمكننا أن نثبت بشكل قاطع أن الطاقة المظلمة تتسق للغاية مع كونها ثابتًا كونيًا خالصًا (عند تقاطع الخطين المنقطين) . لا يوجد حافز للبدائل الأخرى التي تمتلك معلمات مجانية إضافية. (نتائج PLANCK 2018. سادسا. المعلمات التجميلية ؛ تعاون PLANCK (2018))

لما لا؟ لأن هذه التفسيرات البديلة لا تفعل أي شيء أفضل من الافتراض ، "الفانيليا" تفسير الثابت الكوني. لا تظهر أي مجموعة من البيانات الكاملة المتعلقة بسلوك الطاقة المظلمة - بما في ذلك المستعرات الأعظمية ، ورشقات أشعة جاما ، وتذبذبات باريون الصوتية ، وخلفية الميكروويف الكونية ، وبيانات التجميع الكبيرة - أي دليل على ذلك.

لا توجد الألغاز التي لم يتم حلها أو مشاكل الرصد التي تنشأ مع العرض القياسي للطاقة المظلمة. بمعنى آخر ، ليس هناك دافع لتعقيد الأمور بشكل غير ضروري. مثل إبريق الشاي من راسل ، لمجرد أن شيئًا ما لم يتم استبعاده لا يعني أنه يستحق النظر.

مجموعة المجرات المتصادمة

عبء الإثبات يقع على عاتق أي منظّر لإثبات أن نموذجهم الجديد لديه دافع مقنع. تاريخيا ، جاء هذا الدافع في شكل بيانات غير مفسرة ، والتي تحث على التفسير والتي لا يمكن تفسيرها دون نوع من الفيزياء الجديدة. إذا كان من الممكن شرح ذلك بدون فيزياء جديدة ، فهذا هو المسار الذي يجب أن تسلكه. لقد أثبت التاريخ أن هذا المسار سيكون دائمًا صحيحًا تقريبًا

إذا كان بإمكانك شرح ما لا تشرحه نظريتك المعيارية ، فهذا يمثل المسار التالي الذي يجب أن تحاوله بحقل واحد جديد أو جسيم واحد جديد أو تفاعل واحد جديد. من الناحية المثالية ، ستشرح ملاحظات متعددة باستخدام هذه المعلمة الجديدة لنظرك ، وستؤدي إلى تنبؤات جديدة يمكنك الخروج بها واختبارها.

الكون ذو الطاقة المظلمة (الأحمر) ، والكون ذو الطاقة الكبيرة من عدم التجانس (الأزرق) ، والكون الحرج الخالي من الطاقة المظلمة (أخضر). لاحظ أن الخط الأزرق يتصرف بشكل مختلف عن الطاقة المظلمة. يجب أن تقدم الأفكار الجديدة تنبؤات مختلفة يمكن ملاحظتها عن الأفكار الرائدة الأخرى. (GÁBOR RÁCZ ET AL. ، 2017)

لكن إضافة المزيد والمزيد من التعديلات إلى نظريتك - مما يجعل النموذج الخاص بك أكثر تعقيدًا بموضوعية - سيكون له بالطبع القدرة على تقديم أفضل ملاءمة للبيانات. بشكل عام ، يجب أن يكون عدد المعلمات المجانية الجديدة التي توفرها فكرتك أقل بكثير من عدد الأشياء الجديدة التي تهدف إلى شرحها. قوة العلم العظيمة هي في قدرته على التنبؤ وشرح ما نراه في الكون. المفتاح هو القيام بذلك بكل بساطة ممكنة ، ولكن ليس المبالغة في تبسيط ذلك أكثر من ذلك.

النظريات العلمية السيئة كثيرة ، وتعج بمضاعفات لا لزوم لها ، ومجموعات إضافية من المعلمات ، والتكهنات غير المقيدة ، بدوافع سيئة. ما لم يكن هناك فحص واقعي قادم ، في شكل بيانات تجريبية أو مراقبة ، فلا يستحق أن نضيع وقتك.

يبدأ تطبيق "يبدأ بـ A Bang" الآن على "فوربس" ، ويتم إعادة نشره على "متوسط" بفضل أنصار باتريون لدينا. قام إيثان بتأليف كتابين ، "وراء المجرة" ، وعلم Treknology: "علم ستار تريك" من "ترايكردز" إلى "وارب درايف".