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LCDM ha encontrado su enemigo y es él mismo.

  • Título original: Cosmology and convention
  • Autor: David Merritt
  • Institución del autor: School of Physics and Astronomy, Rochester Institute of Technology, Rochester USA.
  • Estado del trabajo: Publicado en la revista “Estudios en historia y filosofía de la física moderna”

imagen destacada: caricatura de clipartfest.com crédito imagen de fondo AMNH

Recientemente David Merrit ha publicado un artículo titulado “Cosmología y costumbre” en la revista de Filosofía e Historia de la ciencia, con el cual propone la idea de que la cosmología moderna, está plagada de convencionalismos y costumbres que muy posiblemente la están estancando.

En cualquier estado de madurez de una teoría científica, se van a encontrar discrepancias entre las predicciones y el modelo estándar. Autores como Kuhn, en su libro “la estructura de las revoluciones científicas“, argumentan que estas discrepancias son ‘anomalías’ intrínsecas al desarrollo científico y nuestra labor como científicos es encontrar la solución a estas anomalías.

Karl Popper, interesado en una diferencia clara entre ciencia y pseudo-ciencia (o metafísica), argumenta que la falsabilidad de una teoría es un requisito fundamental para que esta sea científica. Teorías irrefutables, simplemente no son científicas. Con esto en mente, Popper sugiere que el convencionalismo científico nos lleva a convertir teorías científicas, en teorías irrefutables.

El modelo estándar de cosmología

El modelo estándar de cosmología, conocido como Lambda-materia-oscura-fría (LCDM por sus siglas en inglés), no es ajeno a estas discrepancias, y a medida que pasa el tiempo, la lista de anomalías crece y crece. Sin embargo, en los libros de texto y en las reuniones de cosmología, estas discrepancias no son consideradas tan importantes como para ‘tumbar’ el modelo estándar de cosmología, sino que son vistas como problemas dentro del paradigma actual por resolver. El problema radica en que hay anomalías demasiado grandes para seguir siendo parte del paradigma y la solución a estos problemas que ha adoptado el modelo estándar de cosmología, es incluir nuevos parámetros al modelo, con lo cual es posible reconciliar la teoría con las observaciones.

Uno de los ejemplos más famosos fue el descubrimiento de la expansión acelerada del universo en 1998, el cual estaba en total desacuerdo con las predicciones de desaceleración del modelo estándar de cosmología. Sin embargo, en vez de cuestionar el modelo estándar, se invoca una constante, Λ, llamada energía oscura, la cual es tan arbitraria y vaga, que es casi imposible poner a prueba o refutar.

Materia Oscura

Las leyes de Newton relacionan la aceleración con la fuerza. Su ley de gravitación universal relaciona la fuerza con la masa. Observaciones astronómicas, proveen una oportunidad única para probar las teorías de Newton en regímenes imposibles de alcanzar en el laboratorio. Por ejemplo, la rotación de gas y estrellas en la galaxia nos permite comparar las predicciones de ley de gravitación universal de Newton y la atracción gravitacional sentida por estos cuerpos. Para este caso, ¡la teoría y las observaciones obtienen resultados completamente diferentes! Las velocidades de rotación de las galaxias, exceden por ordenes de magnitud las velocidades esperadas, si estas fuesen causadas por la atracción gravitacional de la materia visible en la galaxia.

Una posible solución a este problema sería modificar la ley de gravitación universal. Estas modificaciones serían falsables a través de predicciones de sistemas donde se conozca la distribución de masas. Sin embargo, el modelo estándar de cosmología ha optado por resolver el problema de forma diferente: por medio de una hipótesis auxiliar. Postula que las galaxias están inmersas en ‘halos de materia oscura’, la cual no interactúa con la radiación y solo interactúa con la materia visible a través de su atracción gravitacional.

En el momento en el que este nuevo modelo de gravitación + materia oscura produce curvas de rotación de galaxias, los parámetros correspondientes al halo de materia oscura varían arbitrariamente de galaxia en galaxia, los cuales son finamente adaptados para explicar las observaciones. En este ejemplo, los halos de materia oscura constituyen una hipótesis infalsificable.

Para que la materia oscura pueda explicar la estructura actual del Universo, esta tiene que ser ‘fría’, i.e. las partículas de materia oscura tienen velocidades no-relativistas en el momento de formación de estructura. Esto restringe el rango de masas posibles para la partícula candidato a materia oscura, lo cual podría ser el camino a una verificación experimental de la hipótesis de materia oscura. Sin embargo, preguntas como ¿existe la partícula de materia oscura?, son una sobre-simplificación que es posible verificar pero no falsar, dado que siempre puede haber una partícula candidato ‘imposible’ de detectar en algún lugar en la galaxia.

Figura 1: límites de masa y sección eficaz para la detección de la partícula candidato a materia oscura. Panel izquierdo, (área rosa) modelo y (curvas) limites superiores experimentales en el 2002. Panel derecho, (áreas azul y verde) modelo  y (curvas) límites  superiores de detección en el 2015. (Figura 1 del artículo)

La figura 1, muestra los rangos de sección eficaz y masa de las partículas candidatos para ser la partícula de materia oscura. El panel izquierdo muestra limites superiores de masa y sección eficaz de los experimentos conducidos hasta el 2002. El area rosa, corresponde al rango estimado teóricamente para las partículas candidato de materia oscura en el modelo estándar de partículas calculadas en el 2000. El panel de la derecha, muestra los nuevos limites superiores de los experimentos conducidos hasta el 2015 y un nuevo rango de masas y sección eficaz para un nuevo grupo de partículas candidato de materia oscura. Esto muestra que a medida que los límites experimentales son cada vez mas restrictivos, los modelos se pueden acomodar a propiedades más extremas de las partículas candidato a materia oscura. Hasta ahora todos los experimentos han fallado en detectar la partícula de materia oscura. Pero independiente de la sensibilidad de los experimentos, la no detección nunca constituirá una falsación de la hipótesis de materia-oscura-fría

En principio, teniendo un modelo claro y bien definido de partículas podría conllevar a falsar la hipótesis de la materia-oscura-fría, comparando predicciones de las propiedades de la partícula de materia oscura con observaciones y experimentos. Sin embargo, en este momento el modelo estándar de partículas sigue siendo bastante flexible como para poder definir claramente las propiedades que debería tener la partícula de materia oscura.

Costumbre y progreso

Es posible que el modelo de materia-oscura-fría juegue un rol similar al jugado por el postulado del planeta Neptuno, para explicar las anomalías en la órbita de Urano. O es posible que este sea más bien como el planeta Vulcano, el cual fue postulado (incorrectamente) para explicar la precesión del perihelio de Mercurio

En este momento parece natural preguntarnos: ¿es el modelo estándar de cosmología un convencionalismo? Y si lo es ¿por qué? Y ¿cuáles son las implicaciones para el progreso de la cosmología como ciencia?

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