Model trzeszczy w posadach, ale lepszego nie ma. Kosmologiczne rachunki się nie zgadzają
Dlatego m.in. w kwietniu 2024 r. najlepsi w tych dziedzinach zebrali się w londyńskim Royal Society, by przyjrzeć się szansom na przetrwanie modelu Wszechświata sformułowanego po raz pierwszy jeszcze w latach dwudziestych XX wieku, a dziś znanym jako Model Standardowy kosmologii lub Lambda CDM (ΛCDM). Mówiąc w uproszczeniu, obowiązujące teorie utrzymują, iż Wszechświat jest rozległą, równą i jednorodną przestrzenią. Zasada, że wszystko wszędzie wygląda tak samo, jest podstawowym filarem tego modelu, który wyjaśnia ewolucję Wszechświata w ciągu 13,8 miliarda lat od Wielkiego Wybuchu (1). Jednak w londyńskim Royal Society wybitni naukowcy raz po raz zadawali pytanie: co, jeśli to podstawowe założenie jest błędne?
Profesor Subir Sarkar, kosmolog z Uniwersytetu Oksfordzkiego i współorganizator spotkania, wyjaśniał w „The Guardian”, że główne powody zwołania tej konferencji to szereg głośnych obserwacji astronomicznych podważających utarte poglądy. Anomalne odkrycia z ostatniego okresu, o których mowa, to m.in. obserwacje, które sugerują, że Wszechświat rozszerza się szybciej w niektórych regionach niż w innych, sygnały dotyczące megastruktur kosmicznych oraz dowody na istnienie kosmicznych przepływów, ogromnych rzek materii poruszającej się w skalach, których nie można łatwo pomieścić w konwencjonalnych teoriach.
Nathan Secrest z Obserwatorium Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych przedstawił na konferencji wyniki badań, które wskazują na możliwość, że Wszechświat jest nieco przekrzywiony. Po przeanalizowaniu katalogu ponad miliona kwazarów jego zespół odkrył, że jedna półkula nieba wydaje się zawierać około 0,5 proc. więcej źródeł promieniowania niż druga. Może nie brzmi to jak poważna rozbieżność, ale jeśli zostałaby potwierdzona, podważyłaby istnienie ciemnej energii, przyjmowanej w naszych teoriach za dominujący składnik Wszechświata i używanej do wyjaśnienia, dlaczego ten rozszerza się w przyspieszonym tempie. „Oznaczałoby to, że dwie trzecie Wszechświata właśnie zniknęło”, kwituje Sarkar.
Konstantinos Migkas z uniwersytetu w Lejdzie podzielił się odkryciami, że stała Hubble’a, czyli tempo, w jakim Wszechświat się rozszerza, wydaje się różnić w przestrzeni. „Przynajmniej w skali lokalnej sugeruje to, że obserwacje nie są zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego Wszechświata. Co nie oznacza, że jest on błędny w całym Wszechświecie”, zastrzega Migkas.
Alexia Lopez, doktorantka na University of Central Lancashire, odkryła coś, co wydaje się być kosmicznymi megastrukturami, nazwanymi Big Ring i Giant Arc. Kształty te, wyznaczone przez galaktyki i gromady galaktyk, występują w skali, w której Wszechświat powinien być gładki i pozbawiony takich cech charakterystycznych.
Profesor George Efstathiou, astrofizyk z uniwersytetu w Cambridge, który podczas konferencji reprezentował opcję sceptyczną, zwraca uwagę, że wbrew temu, co może niektórym się wydawać, nie jest prawdą, że obowiązujący model nie był wielokrotnie sprawdzany. „Ludzie oskarżają mnie o obronę modelu”, mówi na łamach „The Guardian”. „Ale nie zdają sobie sprawy z tego, ile czasu spędziłem, próbując go obalić. Całkowicie jednak nie zgadzam się z tym, że istnieje jakiś rodzaj myślenia grupowego na rzecz obrony ustalonego modelu”. Efstathiou uważa, że choć nowe odkrycia są intrygujące, żadna z przedstawionych anomalii nie była wystarczająco przekonująca, by podważyć standardowe teorie. Zauważa np., że stwierdzona nierównomierność Wszechświata może wynikać z tego, ile i jakie teleskopy stosowano do obserwacji, bo w nich samych i w ich liczbie na obu półkulach może tkwić owa „nierównomierność”.
Problemów z ciemną energią ciąg dalszy
Niemal jednocześnie z trwającą w Londynie konferencją naukowcy korzystający z Instrumentu Spektroskopowego Ciemnej Energii (Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI) zaprezentowali największą mapę 3D Wszechświata w historii. Wyniki ich obrazowania sugerują, że ciemna energia może słabnąć, co znów podważałoby fundamentalne teorie kosmologiczne.
Standardowy Model kosmologii sugeruje, że ciemna energia jest „antygrawitacyjną siłą” taką samą w całym Wszechświecie i w czasie, co czyni ją fundamentalną właściwością przestrzeni, stanowiącą aż 70 proc. masy/energii w naszym uniwersum. Jeśli jednak wczesne wyniki DESI potwierdzą się w przyszłych obserwacjach, kosmolodzy będą musieli przynajmniej zbadać systematyczne anomalie w modelu Lambda CDM (LCDM), w którym ta „lambda” reprezentuje ciemną energię właśnie. Wciąż jednak dowody podważające model nie są bardzo silnie - nie osiągają tak zwanego „progu 5 sigma”, który określa, czy sygnał można uznać za oficjalne odkrycie – ale to wydaje się powodem, by to dokładniej sprawdzić.
Instrument DESI wskazuje pozycje miliona galaktyk każdego miesiąca. Dzięki tym obserwacjom kosmolodzy mogą mierzyć tempo ekspansji Wszechświata, które w ciągu ostatnich kilkunastu miliardów lat rosło. Oprócz niezliczonych galaktyk skupionych we „włókna”, niczym splątane nici, nowa mapa 3D DESI uwypukliła widoczny we wczesnym Wszechświecie słaby wzór, znany jako barionowe oscylacje akustyczne (BAO). Te subtelne, trójwymiarowe zmarszczki przepłynęły przez materię, która istniała w ciągu pierwszych 380 tys. lat historii naszego Wszechświata, zmieniając się z czasem w relikty niemowlęcego kosmosu. Mapując rozmiary tych reliktowych BAO, naukowcy zdołali oszacować oddalenie galaktyk i określić, jak szybko Wszechświat rozszerzał się w różnych momentach. Wstępny wniosek, że ciemna energia może ewoluować w czasie, lepiej zgadza się z danymi niż ustalony Model Standardowy.
Czarne dziury zbyt wczesne, zbyt wielkie, zbyt żarłoczne
W połowie czerwca 2023 r. 150 astronomów zebrało się w Massachusetts Institute of Technology na konferencji JWST „First Light”. Nie minął nawet rok od startu obserwacji tego kosmicznego obserwatorium a już panowało wielkie poruszenie z powodu wszystkiego tego, co JWST nam pokazał, a co pachniało rewolucją w teoriach.
Jednym z celów misji JWST było uchwycenie galaktyk w trakcie powstawania podczas pierwszego miliarda lat istnienia Wszechświata. Już pierwsze obserwacje z lata 2022 wskazywały na młody Wszechświat pełen uderzająco dojrzałych galaktyk. Jednak, by naprawdę zrozumieć tak stare zjawiska procesy i obiekty, astronomowie potrzebowali czegoś więcej niż tylko obrazów. Potrzebowali widm tych galaktyk, czyli danych pochodzących z rozbicia wpadającego światła na barwy składowe. Po pierwsze, pozwala to astronomom określić wiek galaktyki. Przesunięcie widma obiektu ku czerwieni oznacza, że w trakcie przemierzania kosmosu jego długość fali ulega rozciągnięciu w wyniku rozszerzania się przestrzeni kosmicznej. Zakres tego przesunięcia ku czerwieni pozwala astronomom określić odległość galaktyki, a tym samym czas, w którym pierwotnie wyemitowała ona swoje światło. JWST może z łatwością dostrzec obiekty powyżej przesunięcia ku czerwieni równego 5, co odpowiada 1 miliardowi lat po Wielkim Wybuchu. Obiekty z większymi przesunięciami ku czerwieni są znacznie starsze i bardziej odległe. Teleskop Webba zarejestrował obiekty o przesunięciu ku czerwieni na poziomie 9, co odpowiadałoby czasowi, w którym Wszechświat miał zaledwie 0,55 miliarda lat, co było chyba największą sensacją spośród odkryć JWST.
Analizy widm poza możliwością oszacowania odległości i wieku obiektów dają astronomom orientację, co dzieje się w obserwowanej galaktyce. Każdy odcień oznacza interakcję między fotonami a konkretnymi atomami (lub cząsteczkami). Jeden kolor pochodzi od migającego atomu wodoru po uderzeniu; inny wskazuje na przepychające się atomy tlenu, a jeszcze inny azotu. Widma galaktyczne są również doskonałym narzędziem do znalezienia głównego źródła zakłóceń stanu atomów – gigantycznych czarnych dziur, które czają się w sercach galaktyk. Czarne dziury same w sobie są ciemne, ale gdy żywią się gazem i pyłem, rozrywają atomy, sprawiając, że emitują one światło w charakterystycznych zakresach widma.
Już ponad dwadzieścia lat temu naukowcy zaobserwowali kwazary z supermasywnymi czarnymi dziurami w środku, których przesunięcie ku czerwieni wskazywało na wiek zaledwie 0,7 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Problem polegał na tym, że stworzenie tak gigantycznych czarnych dziur wydawało się niemożliwe na tak wczesnym etapie kosmicznej historii. Czarne dziury, według tego co wiemy, obowiązują limity wzrostu Eddigtona. Wrócimy do nich, ale w skrócie można powiedzieć tak: zbyt szybko rosnąca, czyli pożerająca materię czarna dziura sama się zablokuje, zadławi, co spowolni jej wzrost. Od początku Wszechświata było po prostu za mało czasu na uformowanie się takich gigantów. Zaczęto szukać wyjaśnień. Niektórzy zaczęli przypuszczać, że czarne dziury mogą rodzić się od razu jako nieprawdopodobnie wielkie, choćby z chmur gazu we wczesnym Wszechświecie. Jednak ten scenariusz jest trudny do zaakceptowania, ponieważ tak duże, grudkowate obłoki gazu powinny rozpadać się na gwiazdy przed utworzeniem czarnej dziury.
W marcu 2023 analiza przeglądu CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) teleskopu Webba prowadzona przez Rebeccę Larson, astrofizyka z Uniwersytetu Teksaskiego w Austin, odkryła szeroką linię wodoru w galaktyce na przesunięciu ku czerwieni 8,7 (0,57 miliarda lat po Wielkim Wybuchu), ustanawiając nowy rekord dla najodleglejszej aktywnej czarnej dziury, jaką odkryto. Rekord upadł kilka miesięcy później, po tym jak astronomowie współpracujący z JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) uzyskali widmo GN-z11. Przy przesunięciu ku czerwieni 10,6, GN-z11 znajdowała się na najsłabszej krawędzi pola widzenia teleskopu. W późniejszych ba-daniach naukowcy odkryli, że galaktyka jest „dziwna”. Obfitość występującego w niej azotu była „zupełnie nie na miejscu”, zauważył Jan Scholtz, członek JADES z Uniwersytetu w Cambridge. Potem zespół stwierdził, że wzór ten wskazuje na to, że GN-z11 jest pełna gęstych obłoków gazu skoncentrowanych przez przerażającą siłę grawitacji. „Wtedy zdaliśmy sobie sprawę, że patrzymy prosto w dysk akrecyjny czarnej dziury”, powiedział Scholtz. To nie koniec. Na początku 2022 roku zespół kierowany przez Ákosa Bogdána, astronoma z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, zaczął okresowo kierować należące do NASA obserwatorium rentgenowskie Chandra na gromadę galaktyk, która działała jak soczewka. Zakrzywiała strukturę czasoprzestrzeni i powiększała bardziej odległe galaktyki znajdujące się za nią. Zespół chciał sprawdzić, czy któraś z tych galaktyk tła emituje promieniowanie rentgenowskie, które jest tradycyjną wizytówką żarłocznej czarnej dziury. W ciągu roku Chandra zebrała dziewiętnaście fotonów rentgenowskich pochodzących z galaktyki nazwie UHZ1, z przesunięciem ku czerwieni wynoszącym 10,1. Te fotony najprawdopodobniej pochodziły z rosnącej czarnej dziury, która istniała mniej niż pół miliarda lat po Wielkim Wybuchu, co czyni ją zdecydowanie najodleglejszym źródłem promieniowania rentgenowskiego, jakie kiedykolwiek wykryto i niewiarygodnie młodą czarną dziurą. W UHZ1 masa wydaje się być równomiernie podzielona między gwiazdy i czarną dziurę, co jest kolejną anomalią.
Wielu astronomów uważało od lat, że pierwsze czarne dziury są pozostałością po pierwszych gwiazdach (tzw. trzeciej populacji), które eksplodowały w postaci supernowych. Jednak takie czarne dziury – pozostałości po gwiazdach – powinny mieć najwyżej kilkaset mas słonecznych. Trudno sobie wyobrazić scenariusz, w którym czarne dziury zasilające pierwsze kwazary wyrosły z tak małych drobnych nasion. Znana nam fizyka zakłada istnienie optymalnej prędkości rozwoju czarnych dziur, znanej jako szybkość Eddingtona. Czarna dziura karmiąca się materią z szybkością wynikającą z teorii jasności Eddingtona rosłaby w tempie wykładniczym, podwajając masę co 107 lat. Aby osiągnąć 109 mas słonecznych, przez miliard lat czarna dziura o 10 masach Słońca musiałaby bez przeszkód absorbować gaz gwiazdowy z maksymalną wydajnością przewidzianą przez teorię. Trudno wytłumaczyć, w jaki sposób cała populacja czarnych dziur mogłaby w sposób stały żywić się tak wydajnie. Gdyby zaś kwazary pochodziły z gwiazd trzeciej populacji, musiałyby rosnąć jeszcze znacznie szybciej. Ponadto wyjątkowo szybki wzrost może spowodować „udławienie” czarnej dziury, gdy promieniowanie emitowane podczas akrecji mogłoby zakłócić, a nawet zatrzymać przepływ masy do czarnej dziury, powstrzymując jej wzrost.
Jest inna, nowsza, teoria, mianowicie że zalążki ogromnych czarnych dziur formowały się bezpośrednio z gazu. W odpowiednich środowiskach, w ciągu kilkuset milionów lat po Wielkim Wybuchu, mogłyby narodzić się czarne dziury o masach ponadstukrotnie przekraczających masę słoneczną. Potem mogłyby urosnąć dziesięciokrotnie, tworząc w ten sposób najstarsze znane kwazary. Zazwyczaj chmury gazowe w procesie grawitacyjnego zapadania formują gwiazdy, jednak we wczesnym Wszechświecie, potężne siły, np. poruszające się z ogromnymi prędkościami strumienie gazu i ciemnej materii mogły zapobiegać zjawisku zapadania się chmur gazu w obiekty gwiazdowe. Więc być może chmury takie stawały się coraz większe, aż grawitacja związana z ich masą stała się w końcu wystarczająco potężna, aby pokonać od razu kilka etapów ewolucji i przeobrazić gaz w ogromną czarną dziurę, będącą zalążkiem jeszcze większej, supermasywnej czarnej dziury.
Mniej konwencjonalne hipotezy sugerują, że pierwotne czarne dziury mogły powstać jeszcze wcześniej w historii kosmosu, w procesie zwanym inflacją kosmiczną. Pierwotne czarne dziury mogły się rodzić z małych zawirowań w gęstości tkanki Wszechświata, a następnie rosnąć wraz z jego rozszerzaniem. Zarodki te ważyłyby jednak tylko od 10 do 100 mas Słońca, co rodzi ten sam problem, który mamy z trzecią populacją gwiazd.
Niedawne obserwacje przeprowadzone przy użyciu teleskopu z Las Campas w Chile potwierdzają, że tempo wzrostu supermasywnych czarnych dziur, powstałych w wieku niemowlęcym Wszechświata, jest znacznie szybsze, niż przypuszczano. W „normalnych warunkach” okres akumulacji tak wielkiej masy tych obiektów zająłby przynajmniej osiem miliardów lat. Tymczasem sto dotychczas odkrytych olbrzymich czarnych dziur pozyskało swoją masę w ciągu „zaledwie” kilkuset milionów lat. Ogólnie każda z proponowanych teorii tworzenia się supermasywnych najstarszych czarnych dziur prowadzi do tego samego problemu – musiałyby one rosnąć niezwykle szybko w ciągu pierwszych setek milionów lat historii Wszechświata, by mogły powstać najstarsze kwazary w takich kształcie, w jakim je widzimy. Znane nam modele wzrostu czarnych dziur mówią, że scenariusz ten jest bardzo mało prawdopodobny.
Sprawa się jeszcze bardziej komplikuje w świetle badań koreańskich uczonych pod kierownictwem prof. Muyshinga Ima z Uniwersytetu Narodowego w Seulu, który wykrył, że nie wszystkie czarne dziury pochłaniają otaczającą je materię z jednakową szybkością. Bardzo stare, supermasywne czarne dziury uformowane w ciągu pierwszego miliarda lat po Wielkim Wybuchu „pożerają” otaczającą je materię znacznie wolniej niż podobne obiekty powstałe miliardy lat później. A to oznacza, że przyrost ich masy powinien być jeszcze dłuższy, niż sądzono. Astrofizycy odkryli IMS J2204+0112 – czarną dziurę o masie miliard razy większej od Słońca, pożerającą materię otoczenia dziesięć razy wolniej niż inne czarne dziury. Zdumiewa, że ten kosmiczny potwór, mimo braku „apetytu”, zdążył zgromadzić swoją olbrzymią masę w ciągu 940 milionów lat po Wielkim Wybuchu, a więc przynajmniej osiem razy szybciej, niż zakładają to znane nam mechanizmy powstawania tego typu obiektów. Ale IMS J2204+0112 wcale nie jest rekordzistką. Chiara Mazzucchelli z Instytutu Astronomii im. Maxa Plancka w Niemczech odkryła jedenaście supermasywnych czarnych dziur, które powstały w okresie, kiedy Wszechświat miał zaledwie 800 milionów lat. Prawdziwym szokiem dla naukowców było jednak odkrycie czarnej dziury oznakowanej jako HSC J1 205-0000, której proces zasilania w materię jest najwolniejszy w znanym nam Wszechświecie (zaledwie 6 proc. szybkości pożerania materii przez inne czarne dziury), a mimo to ma ona gigantyczną masę 4,7 miliarda mas Słońca.
Odkrycia te w sensie najogólniejszym podważają klasyczne teorie na temat czarnych dziur, np. te, że powstały one po pojawieniu się pierwszych gwiazd i galaktyk. Z tego powodu, ale też z wielu innych niektórzy uczeni uważają, że warto „dodać” nieco lat naszemu Wszechświatowi.
Pojawiły się propozycje modeli, które określają wiek Wszechświata nawet na 26,7 miliarda lat, co wyjaśniałoby obserwacje „niemożliwie wczesnych galaktyk” przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Zdaniem Rajendra Gupta z uniwersytetu w Ottawie, poprzednie badania, które próbowały rozwiązać zagadkę „niemożliwych galaktyk” przy użyciu modelu „zmęczonego światła”, okazały się w dużej mierze nieskuteczne, często nie wyjaśniając innych zjawisk kosmicznych, takich jak przesunięcia ku czerwieni supernowych. Jak przekonuje badacz w publikacji w „The Astrophysical Journal”, połączenie teorii zmęczonego światła (już pod koniec lat dwudziestych XX wieku szwajcarski fizyk Fritz Zwicky zastanawiał się, czy poczerwienione światło odległych obiektów jest wynikiem utraconej energii) z modelem kosmologicznym opartym na ewoluujących stałych sprzężenia (zaproponowanych przez brytyjskiego fizyka Paula Diraca w 1937 roku) dało lepsze wyniki. Teraz Gupta wrócił do idei „zmęczonego światła”, ale zmodyfikował ją, tworząc teorię hybrydową, określaną jako stałe sprzężenia plus zmęczone światło (CCC+TL), co eliminuje nie tylko ciemną energię, ale także ciemną materię.
JWST mierzy tak samo jak teleskop Hubble’a i jest z tym kłopot
JWST zmierzył też tempo ekspansji Wszechświata. Jego wyniki są zgodne z pomiarami dokonanymi przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a (2). Oznacza to, że wprawdzie nie ma błędu w danych Hubble’a, ale i tak trwa impas związany z niezgodnościami pomiarów, znany jako „napięcie Hubble’a”.
w jaki ich połączenie daje bardziej pewny wynik (© NASA, ESA,
J. Kang/STScI; Science: A. Riess/STScI)
Jednym ze sposobów mierzenia tempa rozszerzania się Wszechświata oznaczanego w publikacjach też jako H0 jest detekcja reliktów wczesnego Wszechświata, takich jak resztki światła w kosmicznym tle mikrofalowym CMB. Innym sposobem jest pomiar odległości do obiektów o znanej jasności, takich jak supernowe typu Ia lub gwiazdy zmienne cefeidy, których światło fluktuuje z regularnością powiązaną z ich jasnością wewnętrzną. Pierwsza metoda wskazuje na tempo ekspansji wynoszące około 67 kilometrów na sekundę na megaparsek. Druga, około 73 kilometrów na sekundę na megaparsek. Rozbieżność między tymi dwoma wartościami to właśnie „napięcie Hubble’a”.
Astrofizyk Adam Riess z uczelni Johns Hopkins przypomina w publikacji na łamach „The Astrophysical Journal”, że jednym z głównym zadań Kosmicznego Teleskopu Hubble’a było mierzenie stałej Hubble’a, czyli tempa ekspansji Wszechświata. Hubble miał lepszą rozdzielczość długości fali widzialnej niż jakikolwiek teleskop naziemny. Jeszcze lepiej do tego zadania nadaje się Kosmiczny Teleskop Webba, który pracuje w zakresie podczerwieni, co pozwala przeniknąć przez pyły kosmiczne. Dlatego Riess i jego zespół skierowali JWST na galaktykę o znanej odległości, aby skalibrować teleskop pod kątem jasności zmiennych cefeid. Następnie obserwowali cefeidy w innych galaktykach. W sumie JWST dokonał obserwacji 320 cefeid, znacznie redukując szum występujący w obserwacjach Hubble’a (3), ale otrzymał podobny wynik tempa ekspansji – 73 kilometry na sekundę na megaparsek. Wyniki Webba znacznie obniżają prawdopodobieństwo błędu ludzkiego lub sprzętowego w pomiarach. Badacze mieli nadzieję znaleźć dowody na to, że Hubble popełnił błędy pomiarowe, ponieważ jego odczyty konsekwentnie kolidowały z innymi danymi astronomicznymi, o czym mowa powyżej.
i JWST (czerwony)(© NASA, ESA, CSA, J. Kang/STScI; Nauka: A. Riess/STScI)
Ponieważ wyniki Webba potwierdziły te stare z Hubble’a, naukowcy twierdzą, że potrzeba nowych narzędzi astronomicznych, które mogłyby rozwiązać kwestię napięcia Hubble’a. Jednym z nich byłby Kosmiczny Teleskop Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej, który został wystrzelony w lipcu 2023 roku i dotarł do celu w punkcie libracyjnym Lagrange 2 około miesiąca później. Nowe dane mogą pochodzić również z planowanego przez NASA Teleskopu Kosmicznego Nancy Grace Roman (4), którego start zaplanowano na 2027 rok. Dzięki polu widzenia, które ma być ponad sto razy szersze niż w przypadku Hubble’a, obserwatorium to ma zmierzyć światło z ponad stu miliardów galaktyk w całym okresie eksploatacji.
Zdjęcie: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=83222200
Nie tak szybko z tymi rewolucjami
Opisane wyżej odkrycia i obserwacje rodzą mnóstwo wątpliwości, ale same w sobie nie wystarczą do obalenia ustalonego paradygmatu. Mamy Model Standardowy i ogólną teorię względności rządzące Wszechświatem, który według przyjętego modelu, składa się z normalnej materii, promieniowania, neutrin, ciemnej materii i ciemnej energii, jest zdominowany przez materię, a nie antymaterię, rozpoczął się, gdy zakończyła się kosmiczna inflacja i zapoczątkował gorący Wielki Wybuch.
Aby zastąpić obecną linię myślenia naukowego lub zastąpić wiodącą teorię alternatywą, należy pokonać trzy przeszkody. Nowa teoria musi wyjaśniać wszystko to, co wyjaśniała stara teoria, a następnie z powodzeniem wyjaśniać coś, czego dominująca teoria nie wyjaśnia, a ponadto nowa teoria musi zawierać nowe przewidywania dotyczące jeszcze niezmierzonego zjawiska, które różnią się od przewidywań dominującej teorii, i w końcu pomiary muszą owe przewidywania potwierdzić.
Ponieważ wszyscy zdają sobie sprawę, że byłoby złe dla nauki, a także bardzo złe dla naukowców, którzy zbudowali kariery dzięki próbom wyjścia poza nasz obecny sposób myślenia, by stosować aż takie restrykcje, w rzeczywistości rzadko nakładamy nawet pierwszą przeszkodę jako warunek wstępny przyjęcia artykułu z fizyki teoretycznej do publikacji. Nie bez powodu dopuszczamy szeroki zakres swobody. Pozwalamy badaczom na rozważenie alternatywnego pomysłu, zbadanie go, rozwinięcie i rozważenie go jako możliwości, nawet jeśli jest on bezpośrednio sprzeczny z już istniejącymi danymi.
Najważniejszym celem naukowca, mimo że zwykle nie myślimy o nauce w ten sposób, jest próba unicestwienia wszelkich teorii opisujących, jak działa Wszechświat, przez poddanie ich wszelkim możliwym testom weryfikującym. Wystarczy jedna nieodwołalna porażka, a teoria rozpadnie się na kawałki. Tylko najsilniejsze, najsolidniejsze teorie, które mogą wytrzymać każdy test, jaki możemy sobie wyobrazić, wytrzymują próbę czasu. Próbę czasu wytrzymały teorie Newtona, Einsteina i Model Standardowy fizyki cząstek. Jednak życie naukowe kipi od artykułów, które mówią o alternatywach, modyfikacjach lub rozszerzeniach ogólnej teorii względności i/lub Modelu Standardowego.
Kluczem do udanej teorii naukowej jest znalezienie modelu, która może wyjaśnić to, co nazywamy pełnym zestawem odpowiednich obserwacji, a nie tylko kilku wybranych przykładów. Jeśli nawet jeden zestaw obserwacji lub eksperymentów jest sprzeczny z tym, co przewiduje teoria, teoria jest fałszywa. To dlatego, gdy Einstein został poinformowany o publikacji w 1931 roku książki stu autorów przeciwko niemu, która twierdziła, że obala ogólną teorię względności, Einstein odpowiedział: „Aby pokonać teorię względności, nie potrzeba słowa stu naukowców, wystarczy jeden fakt”.
Innymi słowy, tylko jeden przykład na to, że teoria zawodzi w porównaniu z rzeczywistością, wystarczy, aby wykazać, że teoria nie opisuje odpowiednio rzeczywistości. Modele oparte na konsensusie, które mamy, między innymi Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych i Model Standardowy kosmologii, trwają i rozwijają się dlatego, że pozwalają na wyjaśnienie pełnego zestawu obserwacji. Większość alternatyw, o których piszemy wyżej, wyjaśnia dobrze jakiś wycinek obserwacji. Gdy sprawdzą się w każdym przypadku, wtedy można zacząć rozmawiać o rewolucji w nauce.
Mirosław Usidus
