12 июля, 2024

Теория инфляции — что не так с «объяснением расширения Вселенной» с точки зрения науки

Реакция читателей на недавнюю смерть ученого Алексея Старобинского В русскоязычной научной литературе встречается много вопросов о том, почему многие ученые в последние годы отвернулись от теории инфляции и почему один из ее основоположников показал, что не существует документа, объясняющего почему даже от теории инфляции отказались. Считайте это научным. Более того, само будущее Вселенной зависит от того, верна или неверна эта теория. Мы решили восполнить этот пробел, предоставив перевод текста физика Сабины Хоссенфельдер на эту тему. Итак, с точки зрения современной физики, что не так с космической инфляцией?

Теория инфляции: В чем проблема с «объяснением расширения Вселенной» с научной точки зрения

От редакции

В русскоязычных научных кругах ученые и популяризаторы стараются избегать публичного обсуждения наиболее сложных аспектов современной науки. Многие из них описывают современную науку так, как будто ей не хватает устойчивого и тщательного обсуждения важных проблем. Они объясняют это в стиле: «В целом я все понимаю, но детали требуют уточнения».

Стиль «никакого мусора на публике» часто направлен на то, чтобы не снизить авторитет науки «в народе». На самом деле в действительно горячих научно-технических дебатах регулярно используется скорее жесткая и резко критическая риторика, чем особо справедливый метод борьбы.

Западное научное сообщество в последние десятилетия часто вело себя по-разному: многие ученые открыто заявляли, что все научное поле зашло в тупик. Например, темная материя не состоит из частиц, и именно поэтому современные физические теории явно неадекватны во многих отношениях и должны быть заменены или радикально модифицированы. Одним из известных западных физиков, не колеблющихся в объяснении таких проблем, является Сабина Хоссенфельдер).

Теория инфляции: В чем проблема с «объяснением расширения Вселенной» с научной точки зрения

Вот перевод текста из ее научного блога. Это важно не только потому, что оно показывает неустойчивость гипотезы инфляции, но и потому, что отсутствие доказательств предполагает необходимость очень масштабных улучшений в современной физике улучшения, которые неизбежно затронут не только прошлое, но и будущее Вселенной (и всего человечества).

По нашему мнению, наука настолько прекрасна, что ей не нужны занавески. А ее честное изложение проблемы только повышает доверие людей к ученым. Мы самостоятельно добавили лишь названия подразделов и текст в квадратных скобках, не описывая наиболее популярные места в авторской презентации.

Раздувалась ли ранняя Вселенная?

Одним из самых удивительных открытий прошлого века было то, что Вселенная расширяется. Физики вывели его из общей теории относительности Эйнштейна. Да, это снова этот человек! Однако после этого открытия физики усложнили теорию. Они добавили гипотезу о том, что Вселенная не только расширяется, но и расширялась экспоненциально на первой фазе сразу после Большого взрыва, мгновенно увеличивая общий объем существующей Вселенной на 30 порядков.

Теория инфляции: В чем проблема с «объяснением расширения Вселенной» с научной точки зрения

Это быстрое экспоненциальное расширение ранней Вселенной называется «инфляцией» и не основано на теории Эйнштейна. Почему физики добавили это усложнение? Как работает инфляция? И есть ли какие-либо доказательства того, что гипотеза инфляции на самом деле верна?

В общенаучных СМИ инфляция иногда представляется как свершившийся факт. Но это не так. Ситуация аналогична гипотезе о том, что темная материя состоит из частиц. Обе эти гипотезы не подтверждены. Но хотя большинство физиков согласны с тем, что темная материя частиц еще не получила эмпирического подтверждения, мнения резко разделились относительно того, имеет ли гипотеза инфляции такую ​​поддержку.

Инфляция доказана наблюдениями…

С другой стороны, такие люди, как Алан Гасс, один из разработчиков гипотезы инфляции, утверждают, что инфляционисты сделали много правильных прогнозов и что доказательства говорят в их пользу. С другой стороны, есть такие люди, как Пол Стейнхардт, один из главных разработчиков гипотезы инфляции, который, как и многие, утверждает, что инфляция не дает никаких прогнозов и даже не является научным занятием. В эссе для журнала Scientific American несколько лет назад Стейнхардт вместе с Анной Айяс и Ави Леб утверждал, что «инфляционную космологию, как мы ее сейчас понимаем, нельзя оценить научным методом». «Я не могу этого сделать». ,» он написал».

Что правильно? Они оба правы и оба неправы одновременно. Через некоторое время вы поймете, что я имею в виду.

Основное разногласие между ними носит философский характер (здесь и далее Хоссенфельдер имеет в виду философию науки), и об этом мы поговорим, прежде чем говорить о научной стороне вопроса.

Теория инфляции: В чем проблема с «объяснением расширения Вселенной» с научной точки зрения

Алан Гасс и большинство его коллег утверждают, что физики уже использовали модели инфляции для предсказаний, которые позже подтвердились. Например, гипотеза инфляции предсказала крупномасштабную структуру и некоторые свойства космического микроволнового фона. О чем, черт возьми, мы говорим? В частности, мы предсказали скалярный спектральный индекс чуть меньше 1. Также говорят, что пространство во Вселенной в среднем «плоское» (то есть оно следует евклидовой геометрии) и имеет высокую точность.

И спектральный индекс, и «плоское» пространство согласуются с астрономическими наблюдениями. Поэтому Алан Гасс и его коллеги считают эти моменты свидетельством в пользу инфляции. Стейнхардт и его команда утверждают, что модели инфляции на самом деле предсказывают все, и что предсказания, которые оказываются согласующимися с наблюдениями, не могут быть в пользу инфляции.

…или вовсе нет?

В этом вопросе сторонники Стейнхардта явно правы. Тот факт, что кто-то делает правильный прогноз, не означает, что у него есть хорошая научная теория. Возможно, им просто повезло. И если вы сделаете достаточно разные прогнозы, весьма вероятно, что один из них позже совпадет с наблюдаемым значением. В этом смысле прогнозы действительно завышены. Хороша ли научная теория, это не зависит от количества времени, затраченного на ее расчет. Скорее, важно то, сколько данных можно использовать для правильного объяснения. С этой точки зрения аргументация Гасса не выдерживает никакой критики.

Стейнхардт и его сторонники утверждают, что инфляция — это очень гибкая гипотеза, которую можно применять к любым данным. Чтобы понять, почему они так говорят, давайте посмотрим, как происходит инфляция. Ключевая идея заключается в том, что в ранней Вселенной (сразу после Большого взрыва) не было материи, а был новый тип поля, называемый полем инфлатона. Поля инфлатона имеют потенциальную энергию и начальные условия. Эта потенциальная энергия и начальное состояние – и здесь возникает проблема – описываются набором параметров и функций.

Эта потенциальная энергия заставляет Вселенную расширяться по экспоненте. Но по мере расширения Вселенной [гипотетическое] поле инфлатона теряет потенциальную энергию. И когда это происходит, поле затухает и образуются нормальные частицы из стандартной модели физики. И для тех, кто верит, что темная материя существует [в виде частиц]. Или, может быть, поле инфлатона не формирует эти частицы [Хоссенфельдер имеет в виду, что существует множество моделей инфляции. Для некоторых поле инфлатона не оказывает такого воздействия на частицы].

Теория инфляции: В чем проблема с «объяснением расширения Вселенной» с научной точки зрения

В любом случае поле инфлатона исчезло и сегодня его не видно. Затем, когда поле инфлатона исчезнет, ​​мы берем то, что осталось сегодня, и рассчитываем, что из него наблюдать.

Таким образом, гипотеза инфляции работает следующим образом. Вы вводите какие-то параметры, начальные значения, функции и получаете результирующее число, которое вам предстоит измерить [по современным астрономическим наблюдениям]. Существуют буквально сотни моделей инфляции, каждая из которых дает совершенно разные прогнозы.

Стейнхардт и его коллеги утверждают, что независимо от того, что мы наблюдаем [во Вселенной вокруг нас], всегда можно построить инфляционную модель, согласующуюся с этими наблюдениями. Следовательно, сама концепция инфляции не имеет предсказательной силы [поскольку даже если бы параметры можно было предсказать, неясно, какие из широкого набора прогнозируемых значений были бы реальностью].

Девять тысяч ученых не могут ошибаться. Хотя…

У Гасса и его сторонников есть два ответа на позицию Стейнхардта и его коллег – два ответа, которые фактически противоречат друг другу. Во-первых, мы часто слышим утверждение, что инфляция дает четкие прогнозы. Я уже назвал их. Спектральный индекс чуть меньше 1, а кривизна современного пространства невелика (Вселенная «плоская»). На самом деле эта кривизна настолько мала, что оценки совпадут, даже если кривизна равна нулю.

Проблема в том, что этот ответ группы Gut явно ложный. Если вы посмотрите научную литературу, написанную до появления данных наблюдений [о спектральных индексах и кривизне Вселенной], вы легко найдете инфляционные модели, которые предсказывают спектральные индексы больше 1. А инфляция вообще не предсказывает искривление пространства во Вселенной. Инфляция просто уменьшает начальное значение, выбранное для кривизны. Но значения [кривизны], которые мы наблюдаем сегодня, имеют некую начальную ценность [не вытекающую из инфляции].

Теория инфляции: В чем проблема с «объяснением расширения Вселенной» с научной точки зрения

Второй «защитный» ответ, который я слышу от сторонников инфляции, заключается в том, что существует множество моделей инфляции, и они предсказывают практически все. Это противоречит первому «защитному» аргументу. Но сторонники инфляции продолжают утверждать, что мы определяем правильные параметры и потенциал [поля инфлатона в ранней Вселенной] только на основе наблюдений [современной природы]. И ученые из других областей физики делают то же самое со Стандартной моделью физики элементарных частиц. Например, в этом подкасте Алан Гасс сказал следующее.

«Конечно, существует много разных версий инфляции, которые вы хорошо объясняете (при этом высказывая аналогичную критику), но это зависит от того, какие предположения вы делаете о функции потенциальной энергии поля инфлатона. Это могут быть модели со многими полями инфлатона, «более сложные потенциалы и взаимодействия между ними. Да, здесь много разнообразия. Но точно такая же ситуация существует в квантовой теории поля и в том, как она соотносится со стандартной моделью физики элементарных частиц».

Другой пример [защитной реакции]: группа космологов написала письмо в ответ на статью Стейнхардта и др., опубликованную в журнале Scientific American. Документ подписали многие ведущие эксперты в области инфляции, в том числе Алан Гасс, Андрей Линде и Дэвид Кайзер, а также Стивен Вайнберг, Фрэнк Вильчек и Эд Виттен. Эти люди пишут:

«Проверяемость теории никогда не требует, чтобы все ее предсказания были независимыми от выбора [разрывных] параметров. Если такая независимость выбранных параметров требуется, необходимо Статус стандартной модели с определенным содержанием частиц и более 19 эмпирически определенных параметров подлежат сомнению».

Конечно, верно то, что для того, чтобы теорию можно было проверить, не все ее предсказания должны быть независимыми от параметров. Однако вам необходимо спрогнозировать больше точек в ваших данных, чем выбранные вами входные параметры. Теория становится научной, когда вы получаете из нее больше [информации], чем вкладываете в нее. В противном случае вы просто навязываете им данные, ничего не объясняя.

А когда дело доходит до подбора данных, инфляционная ситуация далеко не соответствует стандартной модели физики элементарных частиц. В физике элементарных частиц эти 19 исходных параметров эффективно описывают буквально терабайты данных [физических экспериментов и наблюдений]. Это означает, что Стандартная модель физики элементарных частиц обладает чрезвычайно высокой объяснительной силой. Но когда дело доходит до инфляции, данные, которые вы пытаетесь предсказать, сводятся к нескольким цифрам. В этом случае входные данные модели на самом деле более сложны (и намного больше по количеству), чем выходные данные. Это означает, что это плохая модель, не имеющая объяснительной силы.

Теория инфляции: В чем проблема с «объяснением расширения Вселенной» с научной точки зрения

Другими словами, тот факт, что в Стандартной модели физики элементарных частиц формально используют ту же процедуру, что и в гипотезе инфляции, не имеет вообще никакого значения (потому что ситуация по сути совершенно иная). Насколько я понимаю, именно об этом и говорит Стейнхардт. И в этом вопросе они явно правы. Инфляция что-то предсказывает, но нет, это не нормальная научная методология. Стандартная научная методология требует от нас придерживаться моделей, обладающих объяснительной силой.

Кстати, Стейнхардт 20 лет назад выдвигал прямо противоположные аргументы и был активным сторонником гипотезы инфляции. Причина, по которой он передумал, заключается в том, что многие космологи утверждают, что инфляция приводит к гипотезе космической множественности. Стейнхардту не нравится идея мультивселенной. Поэтому теперь он придумал свою собственную альтернативу инфляции — своего рода циклическую космологию. На самом деле это не помогло его аргументам (круговая модель Стенихардта имеет много [недостатков].

Не то чтобы Гас и его сторонники добились большего. Давайте вспомним еще один «аргумент», выдвинутый сторонниками инфляции в их записке:

«По данным базы данных INSPIRE по физике высоких энергий, в научной литературе имеется более 14 000 статей (написанных более 9 000 учёными), в названии или аннотации которых используются слова «инфляция» или «инфляция». Заявляя, что инфляционная космология лежит вне научного метода, [Иджас, Стейнхардт и Леб] отвергли исследования не только всех авторов этого письма, но и значительной части научного сообщества».

К сожалению, эта дискуссия показывает, что «социальное подкрепление» является реальной проблемой в физике. Некоторые видные деятели научного сообщества придерживаются, по сути, популярного аргумента, который является явной логической ошибкой. Именно из-за таких аргументов люди не доверяют учёным [Здесь Хоссенфельдер имеет в виду нарастающий в последние годы кризис общественного доверия к научному сообществу в западных странах].

Два слова в защиту инфляции

В любом случае, теперь, когда мы закончили с философией (здесь Хоссенфельдер имеет в виду философию науки), давайте поговорим о науке. Я только что упомянул, почему сторонники Стейнхардта правы. Итак, позвольте мне объяснить, почему они одновременно неправы.

Тот факт, что есть много физиков, создавших сложные модели инфляции [с совершенно разными предсказаниями], правда, но это не важно. Конечно, это означает огромную трату времени и денег [поскольку большинство этих моделей противоречат друг другу и, следовательно, явно неверны]. Но если мы говорим о науке, нам нужно задаться вопросом, существует ли простая модель инфляции, которая в принципе дает нам больше информации, чем мы вкладываем. Ответ: да. Все, что вам нужно сделать, это убедиться, что у вас есть правильная модель и правильные данные.

Наиболее впечатляющими данными, объясняющими простую модель инфляции, является интересная корреляция космического микроволнового фона между температурой и E-режимом, известная на научном языке как корреляция ET. Ничего страшного, если вы не понимаете содержание. Важно отметить, что это явление наблюдают астрономы и, по сути, представляет собой нетривиальную корреляцию в данных, которую можно рассчитать на основе ряда простых моделей инфляции. Эти модели хорошо объясняют наблюдения.

Примером такой простой модели, которая соответствует всем текущим данным, является инфляция Старобинского. На этом рисунке вы можете видеть, что ее данные находятся прямо в середине диапазона значений, согласующихся со многими физическими экспериментами. Но и другие простые модели тоже хороши.

Теория инфляции: В чем проблема с «объяснением расширения Вселенной» с научной точки зрения

Неважно, что существует множество других моделей, которые не работают. Если, конечно, вы не один из 9000 ученых, опубликовавших публикации на эту тему.

Итак, подведем итоги. Алан Гасс прав, когда говорит, что инфляция — это хорошая научная гипотеза. Но он ошибается относительно причины. Стейнхардт прав, отмечая, что аргумент о газе не выдерживает никакой критики. Однако его вывод неточен, поскольку есть и другие причины, по которым инфляция является качественной гипотезой.

Однако это не означает, что теория инфляции верна. Физики предложили множество других теорий о ранней Вселенной, таких как периодическая космология [в которой Вселенная расширяется и сжимается], которые также могли бы объяснить наблюдения. И, возможно, одна из этих теорий в конечном итоге станет лучшим объяснением.

Read Previous

Научные и технические прорывы года: версия Naked Science

Read Next

Ураган века в Крыму и Сочи: что это было и станет ли новой нормой

Leave a Reply

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *