Hi ha un gran conjunt d’evidències científiques que admet la imatge de l’Univers en expansió i el Big Bang. El nombre reduït de paràmetres d’entrada i el gran nombre d’èxits d’observació i prediccions que s’han verificat posteriorment són els segments d’una teoria científica d’èxit. (NASA / GSFC)

Què separa una bona teoria científica d’una dolenta?

Hi ha molts arguments sobre el que fa una teoria bella, elegant o convincent. Però davant les dades, el poder predictiu ho és tot.

Quan es mira qualsevol fenomen de l’Univers, un dels principals objectius de la investigació científica és comprendre la seva causa. Si veiem que s’esdevé alguna cosa, volem saber què és el que va fer. Quantitativament, volem entendre quins eren els processos en joc i com van provocar l'efecte de la magnitud exacta que vam observar. I, finalment, volem saber què esperar per als sistemes que encara no hem observat i fer prediccions sobre quin és el comportament que podrem veure en situacions noves que puguem trobar en el futur. Podeu trobar idees de dotze dotze, des de físics professionals fins a filòsofs fins a aficionats aficionats, però la majoria fan teories científiques pèssimes. La raó? Perquè simplement assumeixen massa i prediuen massa. Hi ha una ciència sobre com funciona tot això.

Els planetes del Sistema Solar, mostrats a l'escala de les seves mides físiques, tots òrbiten segons algunes regles específiques. Esbrinar aquestes regles era una cosa que es millorava progressivament, amb cada pas endavant explicant més amb menys regles i paràmetres lliures. (NASA)

Considerem el nostre sistema solar. Els planetes orbiten pel cel, prenent els complexos camins que veiem des de la nostra ubicació a la Terra. Al llarg de la història, hi ha hagut moltes explicacions per explicar el seu comportament, segons com es miri el problema. Si bé Ptolemeu i Copèrnic són famosos per presentar els dos conceptes principals dels models, geocèntric i heliocèntric, es tracta només de models, no de teories. Això per què? Perquè per a cada planeta que introduïu, no hi ha cap norma o llei que reguli la forma d'ordenar. Aquests models simplement afirmen que si subministreu els paràmetres correctes, com equants, deferents i epicicles per a Ptolomeu, podeu descriure el moviment d'un planeta a través del cel.

Un dels grans trencaclosques dels anys 1500 va ser com es van moure els planetes de manera aparentment retrògrada. Això es pot explicar a través del model geocèntric (L) de Ptolemeu o de l'heliocèntric (R) de Copèrnic. Tot i això, aconseguir que els detalls siguin precisos arbitraris, no podia fer res. Per molt interessants que siguin aquests dos models, cap dels dos tindria molt a dir si es descobrís un altre planeta nou. (Ethan Siegel / Més enllà de la galàxia)

Un model descriptiu és un pas important, però no és una teoria científica completa. Els principis són un bon punt de partida, però no us donaran pas fins al final. Per això, heu d’anar un pas més enllà: necessiteu una regla, una llei i / o un conjunt quantitatiu d’equacions que us permeti fer prediccions sobre coses que encara no heu mesurat. Les lleis de Kepler van ser el primer salt en aquesta direcció. No simplement prescriuen amb precisió les formes i les rutes de les òrbites (el·lipses, amb el Sol en un focus), sinó que comencen a descriure-la quantitativament. La segona llei de Kepler dóna la relació entre la velocitat orbital i la distància relativa del Sol, mentre que la tercera llei dóna la relació entre el període orbital i l'eix semimajor. Per primera vegada, no només es podia descriure un comportament mitjançant un conjunt de paràmetres, sinó que es preveia.

Les tres lleis de Kepler, que els planetes es mouen en el·lipsi amb el Sol d'un sol focus, que barren àrees iguals en temps iguals i que el quadrat dels seus períodes és proporcional al cub dels seus eixos semimajor, s'apliquen igualment a qualsevol gravitatòria. com fan al nostre propi Sistema Solar. (RJHall / Paint Shop Pro)

La llei de Newton de la gravitació universal anava encara més lluny, permetent que totes les lleis de Kepler es derivessin d'una sola equació: la llei de la gravetat. De sobte, si coneixéssiu les masses i les posicions dels objectes que teníeu, podríeu predir com canviarien arbitràriament les seves mocions en el futur. Va suposar un gran salt endavant: podríeu donar a algú que entengués la teoria tan sols uns paràmetres, com ara masses i posicions, i podríeu calcular qualsevol cosa que vulgués saber sobre el comportament futur de qualsevol massa de l’Univers. Era, en definitiva, una bona teoria científica.

L’òrbita de la Terra al voltant del Sol genera ones gravitacionals, de la mateixa manera que totes les masses es mouen i s’accelereixen en presència d’una font gravitatòria. La flexió de l'espai-temps per matèria i energia és el distintiu de la teoria general de la relativitat d'Einstein. (T. Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab)

La Relativitat General d’Einstein va anar millor: donada la mateixa informació que donaria a algú sota la gravetat de Newton, replicaria tots els èxits de la teoria anterior, a més de fer una sèrie de prediccions que eren observables diferents. Aquests inclouen:

  • les òrbites de Mercuri i tots els planetes interiors,
  • el retard en el temps de la llum que viatja per un camp gravitatori,
  • el remenatge gravitatori de la llum,
  • la flexió de la llum de l'estrella a causa de les masses en primer pla que intervenen,
  • efectes d'arrossegament de fotogrames,
  • i l’existència i propietats d’ones gravitacionals,

per citar només alguns. En tots els règims que han estat posats a prova, la relativitat general d'Einstein ha demostrat ser un èxit.

A mesura que les ondulacions a través de l’espai derivades d’ones gravitacionals llunyanes passen pel nostre sistema solar, incloent la Terra, sempre es comprimeixen lleugerament i amplien l’espai que l’envolta. Les alternatives es poden limitar de forma increïble gràcies a les mesures d’aquest règim. (European Gravitational Observatory, Lionel BRET / EUROLIOS)

La característica clau del que va fer que les teories posteriors no només tinguessin èxit, sinó que tinguessin més èxit que els seus predecessors, es pot referir a això:

Afegint el menor nombre de nous paràmetres gratuïts, es pot explicar i predir el nombre més gran de fenòmens fins ara inexplicats.

És per això que la Relativitat General d’Einstein té tant d’èxit i per què moltes de les nostres més grans teories s’accepten de la manera que són. El gran poder d’una teoria científica es troba en la seva capacitat per fer prediccions quantitatives que puguin ser verificades o refutades per experiment o observacions.

Quatre cúmuls de galàxies en col·lisió, mostrant la separació entre rajos X (rosa) i gravitació (blau), indicatius de la matèria fosca. A grans escales, el CDM és necessari, però a petites escales, no té tant èxit com nosaltres. (X-ray: NASA / CXC / UVic. / A.Mahdavi et al. Optical / Lensing: CFHT / UVic. / A. Mahdavi et al. (A la part superior esquerra); X-ray: NASA / CXC / UCDavis / W. Dawson et al .; Óptica: NASA / STScI / UCDavis / W.Dawson et al. (A la part superior dreta); ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF / IASF, Milano, Itàlia) / CFHTLS (a la part inferior esquerra); X -ray: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Universitat de Califòrnia, Santa Bàrbara) i S. Allen (Universitat de Stanford) (a la part inferior dreta))

És per això que una idea com la matèria fosca és tan potent. Si afegiu només una nova espècie de partícula, una cosa freda, sense col·lisió i transparent a la llum i la matèria normal, podeu explicar-ho tot, des de les galàxies giratòries a la xarxa còsmica, les fluctuacions en el fons del microones, correlacions de galàxies, cúmuls de galàxies en col·lisió, i molt, molt més. És per això que les idees amb un gran nombre de paràmetres gratuïts que cal ajustar-se per obtenir resultats adequats són menys satisfactòries i menys poderoses de manera predictiva. Si, per exemple, podem modelar l’energia fosca, amb una única constant, per què inventaríem models de diversos camps amb molts paràmetres que no tenen més èxit?

Una mirada detallada a l’Univers revela que està feta de matèria i no d’antimateria, que es necessita matèria fosca i energia fosca i que no coneixem l’origen d’aquests misteris. Si poguessis explicar, per exemple, l'energia fosca amb un sol paràmetre nou, no té avantatge fer servir un model més complicat. (Chris Blake i Sam Moorfield)

Hi ha tota mena d’idees científiques, com el cosmopsicisme recentment promogut per Aeon, que comencen amb una idea genial, però que requereixen un munt de noves físiques (i nous paràmetres lliures) per explicar-ho molt poc. En general, el nombre de nous paràmetres gratuïts que introdueix la teva idea hauria de ser molt menor que el nombre de coses noves que pretén explicar. La majoria de les persones que invoquen la navalla d’Occam no l’avaluen basant-se en aquest criteri gairebé universal.

Un univers amb energia fosca (vermell), un univers amb gran energia d’inhomogeneïtat (blau) i un univers crític i sense energia fosca (verd). Tingueu en compte que la línia blava es comporta diferent de l'energia fosca. Les noves idees haurien de fer prediccions diferents i observables de les altres idees principals. (Gábor Rácz et al., 2017)

La propera vegada que trobeu una nova i agosarada idea, pregunteu-vos quants nous paràmetres gratuïts hi ha, en comparació amb la teoria líder que vol substituir o ampliar: truqueu a aquest número X. A continuació, pregunteu-vos quants fenòmens fins ara inexplicats diu explicar. : truqueu al número Y. Si Y és significativament més gran que X, és possible que tingueu alguna cosa per investigar. Pot ser que tingueu una bona idea. Però si no, gairebé segur que tracta una mala idea científica en el millor dels casos, o una idea poc científica en el pitjor. El gran poder de la ciència es troba en la seva capacitat de predir i explicar el que veiem a l’Univers. La clau és fer-ho el més senzill possible, però no simplificar-ho més enllà.

Startrts With A Bang està ara a Forbes i es va publicar a Medium gràcies als nostres seguidors de Patreon. Ethan ha estat autor de dos llibres, Més enllà de la galàxia i Treknologia: La ciència de Star Trek de Tricorders a Warp Drive.