认为宇宙学存在”危机“？这恰恰是宇宙学最大的危机

yzhanping

宇宙学唯一的大问题就是人为捏造的误解，暗物质、暗能量、暴胀以及大爆炸理论都是真实的，而替代理论是失败的。

        如果你持续关注科学新闻，你会发现大量有关宇宙本质的争论。例如暗物质，这种被认为比正常原子物质重五倍多的物质，可能是不必要的，甚至可以被修正过的万有引力定律取代。构成三分之二的宇宙的暗能量被认为是空间加速膨胀的原因，但是它本身的膨胀率也没能达成共识。同时，宇宙暴胀理论也被认为是非科学的，因为一些批评者希望它可以预测一切事情，但是它恰恰因此反而什么也不能预测。

        如果你把这些问题放在一起看，就像哲学家Bjørn Ekeberg在《科学美国人》杂志上所做的研究一样，你可能会认为宇宙学处于危机之中。但是如果你是一个严谨的科学家，你的想法会恰恰相反。下面是原因：

图解：如果你看的更远，你就会看到更久远的过去。距离现在越远，宇宙也就温度越高，密度越大，同时进化程度越低。这些最早期的信号能告诉我们在宇宙大爆炸之前发生的事情。(NASA / STSCI / A. FEILD (STSCI))

        尽管科学的确依赖我们所收集到有关自然世界的一整套数据和信息，它绝不全是由事实组成的。科学也是一种过程，流行的理论和框架会面临非常多的新奇挑战，来试图证明或驳倒目前最成功的理论以及其作出的一系列预测。

        这就是前沿科学所处的位置：位于当前主导理论的正确性的边缘地带。我们作出预测，然后通过实验和观察检验它们，然后我们删减、修正或者拓展我们的想法以适应我们获得的新信息。这一系列行为的最终目的是为了彻底革新我们看待世界的方式，同时用更为成功和深刻的理论取代我们的现有理论。

图解：早在BOOMERANG的数据回来之前，宇宙背景探测器对宇宙微波背景光谱的测量就表明了大爆炸的余晖是一个完美的黑体。一种潜在的替代理论认为，和准稳态模型所预测的一样，那是对星光的反射，但是预测和观察到的光谱强度之间的差异否定了这一替代理论。(E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

        想要重现主流科学理论的成功是非常困难的，更不要说超越这些理论目前的局限。而对于那些沉迷于与可靠观察结果有冲突的理念的人来说，要让他们放弃偏爱的理论也是非常困难的。在科学界的历史中，这一主题是循环出现的：

弗雷德.霍伊尔在宇宙微波背景被发现后有接近四十年的时间拒绝接受大爆炸理论。霍尔顿.阿尔普坚持认为类星体不是遥远的星体，尽管数十年的数据表明它们存在红移。汉内斯.阿尔文以及他的追随者坚持认为万有引力并不能在大尺度上支配宇宙，同时等离子体决定了宇宙的大尺度结构，尽管已经有许多观察结果否定这一结论。

        虽然科学本身是不存在偏见的，但科学家并非如此，所有人都有可能成为偏见的受害者。一旦我们选择了我们偏好的理论，我们便常常会用根据动机推理进行的错误实践来欺骗自己。

图解：宇宙历史的示意图强调了再电离这一现象。在恒星或者星系形成之前，宇宙中充满了阻光的中性原子。尽管大部分宇宙直到5.5亿年之后才发生再电离，随着第一波主要的再电离浪潮在大约2.5亿年之后发生，一些恒星开始幸运的形成，而这大约是大爆炸之后的五千万到一亿年之后。与此同时，使用正确的工具，我们便能重现最早的星系。(S. G. DJORGOVSKI ET AL., CALTECH DIGITAL MEDIA CENTER)

        有一句著名的格言说过：“物理学的每一次前进都伴随着一次葬礼”。这一格言最早是被马克思.普朗克提出的，他还做出了以下陈述：

        “一个新的科学真理不是通过说服它的对手并使他的对手领悟而成功的，这是因为它的对手最终都会消亡，而熟悉这一真理的新的一代将会成长起来”。

        许多非科学家（甚至一些科学家）将不会意识到的一个大问题是：你总是能够扭曲你的理论来使它成为可行的，并使之符合观察到的结果。这就是为什么对于大多数理论来说，最关键的是在进行关键的观察或观测之前做出可靠的预测。通过这一方式，你才能确定你是在检测自己的理论，而不是在事后对参数进行修补。

图解：根据老化光假设，我们从每一物体接收到的每秒光子数量与距离的平方成比例下降，而我们看到的物体的数量会随着距离的平方不断的增加。物体看起来会更红，但会随着距离的变化持续发射恒定数量的每秒光子数。然而，在一个不断膨胀的宇宙中，随着时间推移，我们收到的每秒光子数会不断下降，因为随着宇宙膨胀它们要移动更远的距离，同时通过红移它们的能量也会不断下降。即使将星系演化考虑进其中也会造成一个不断变化的表面亮度，而这一亮度在距离非常远的时候也会变得非常微弱，这和我们观察结果是一致的。(WIKIMEDIA COMMONS USER STIGMATELLA AURANTIACA)

        事实证明，在几乎所有方面，这就是我们当今最终的主流宇宙学模型。

        1922年，亚历山大.弗里德曼从理论上预测了宇宙膨胀的概念，同时他还推导出了宇宙中最重要的等式。仅仅数年后，维斯托 .斯里弗、爱德文.哈勃以及米尔顿.哈马逊等人的观察证实了这一点，从而形成了宇宙膨胀的现代理论。

图解：根据彭齐亚斯和威尔逊的最初观察，星系平面释放出一些天体物理辐射源（中心），而且在该平面上方和下方存在近乎完美的、标准的辐射背景。这种辐射的温度和光谱已经被测量出来并且与大爆炸的预测超乎寻常的一致。(NASA / WMAP SCIENCE TEAM)

        随后，许多彼此竞争的对于宇宙起源的解释产生了，其中大爆炸理论拥有四个明确的理论基石：

        （1）不断膨胀的宇宙。

        （2）被预测在大爆炸的高温致密阶段产生的大量轻元素。

        （3）温度仅比绝对零度高一点的残余光子——宇宙微波背景辐射。

        （4）随着距离增大而不断发展的的宇宙大尺度结构的形成。

        所有这四个现象都已经被观察到了，后面三个更是在大爆炸理论首次提出后不久就被发现了，特别是20世纪60年代中期发现的宇宙微波背景辐射的存在，这可谓是一个突破性的发现。没有其他框架能够解释这四个观察结果，也就是说，没有可行的理论可以取代大爆炸理论。

图解：宇宙微波背景的波动，宇宙大尺度结构的形成及其内部相互关系、引力透镜的现代观察等等都指向一副相同的画面：一个正在加速的宇宙，充满了暗物质和暗能量。提供了可以观察到的预测的替代理论也需要被考虑，但是必须与一整套可观察的事实进行比较。(CHRIS BLAKE AND SAM MOORFIELD)

        正如爱因斯坦的广义相对论所展示，宇宙从一个高温致密，充满着物质和辐射的阶段开始发展，处在不停的膨胀和冷却中。就宇宙如何展开而言，存在着许多可能，但这一可能性并不是无限的。宇宙中的物质与膨胀率如何演变之间存在相关性，这恰恰限制了可能性。

        这是Bjørn Ekeberg的文章中唯一明确正确的陈述。

        一旦你接受了大爆炸理论和广义相对论中所描绘的宇宙，你就会发现许多证明暗物质和暗能量的存在的证据，这些证据是从20世纪70年代开始就不断被发现的。暗物质的主要竞争对手在大约十五年前失败了，只剩下一个充满暗物质和暗能量的宇宙作为解释现有的一系列证据的可行的宇宙理论。

图解：对于暗能量的限制来自三个独立的来源：超新星，宇宙微波背景辐射，重子声学振荡（宇宙大尺度结构的特征）。要注意的是，即使没有超新星，我们也需要暗能量，目前被发现的物质只有六分之一是正常原子物质，这意味着其他物质一定是暗物质。 (SUPERNOVA COSMOLOGY PROJECT, AMANULLAH, ET AL., AP.J. (2010))

        这是容易被忽视的关键：你必须检测所有的证据才能评估你的理论框架正确与否。当然，你总是能发现一些特别的观察结果，这会为你的理论解释增加困难，但这并不意味着你能够用别的可以解释这一特别观察结果的理论来替代它。

        你不得不解释一切，包括新的观察结果，以及还没有被观察到的新现象。

        这就是所有替代理论存在的问题。所有的有关宇宙膨胀、大爆炸、暗物质、暗能量或者暴胀的替代理论，都不能解释现在已经观察到的所有现象，更不要说其他没有被观察到的了。这就是为什么几乎所有工作中的科学家都把这些替代理论更多的看作是沙盒中的理论，而不是对于当今主流共识的严肃挑战。

图解：船底座矮星系无论是在大小，恒星分布还是形态等方面都与天龙座矮星系非常相似，但是却展示了与天龙座非常不同的重力剖面。这一点可以被暗物质解释，即暗物质在恒星形成的过程中被加热，而修正的万有引力定律是无法解释这一点的。(ESO/G. BONO & CTIO)

        理论上已经预测出来，确实存在没有暗物质的星系。事实上，大约十年以前，一位有名的反对者认为没有不存在暗物质的星系，并且声称这一理论伪造了暗物质模型。然而，当这些没有暗物质的星系被发现时，这位科学家马上宣称这符合修正的万有引力定律。但是只有暗物质才能够解释有关宇宙的所有现象。

        事实上，测量宇宙膨胀率的不同两群人之间存在着分歧，分歧的大小是9%，而这能够证明其中一群人犯了基础的技术性错误。而更令人激动的是，这证明了暗物质或者宇宙的其他层面比我们最初的假设更为复杂。但是无论如何，暗物质仍是必要的存在，而有关这一理论的“危机”无疑是人为捏造的。

图解：很显然，膨胀率（y轴）和距离（x轴）的关系曲线与过去加速膨胀的宇宙是符合的，遥远的星系在今天已经开始加速衰退。这是哈勃的原始工作的现代版本，以当初几千倍的速度扩展。这一现象不是直线发展的，这表明宇宙膨胀率是随着时间变化的。宇宙的弧线变化表明了暗能量的存在以及晚期的主导地位。(NED WRIGHT, BASED ON THE LATEST DATA FROM BETOULE ET AL. (2014))

        最后，的确存在宇宙暴胀，这一阶段发生在大爆炸之前，创造了我们现在的宇宙诞生的原始条件。尽管面临许多质疑，暴胀理论并不打算成为一个终极理论或者最终答案，它更多的是作为一个框架来解决那些大爆炸理论无法解释的困惑，同时产生一个描述早期宇宙的新的预测。

        因此，这个理论是非常成功的。暴胀：

成功复制了所有大爆炸的预测。解决了视界、平整度以及单极这些非暴胀的大爆炸理论无法解决的难题。做出了六个不同于旧的大爆炸理论的预测，而且其中四个现在已经被证实。

图解：暴胀期间发生时的量子涨落延伸到了整个宇宙，当暴胀结束，它们又变成了密度起伏。随着时间推移，这形成了当今宇宙的大尺度结构，以及在宇宙微波背景辐射中观察到的温度变化。这些预测对于证实宇宙微调机制的有效性是至关重要的。(E. SIEGEL, WITH IMAGES DERIVED FROM ESA/PLANCK AND THE DOE/NASA/ NSF INTERAGENCY TASK FORCE ON CMB RESEARCH)

        如果说宇宙学存在一些有趣的谜题，这是可以被理解的；但是如果说宇宙学存在大问题，大部分宇宙学家是不会同意的。

        Ekeberg是这样用暗物质和暗能量来讨论暴胀的宇宙大爆炸理论的：

        “这一著名的描述通常被看作是不证自明的科学事实，尽管缺乏相关的经验性的证据以及与观察到的遥远宇宙存在一系列稳定差异”。

        他认为这一描述缺乏经验性的证据，这种说法是对科学是什么以及科学是如何在一般的领域以及数据丰富且高质量的领域起作用的误读。而指出“一系列稳定差异”也是不诚实的（而且我猜想他是故意的），并且是对事实的误解。 Ekeberg的这种说法是唯我论的，哲学上的，空洞的以及反科学的。

图解：许多附近的星系，包括当地的星系（都聚集在最左边），展示了质量和速度弥散度的相关性，而这表明了暗物质的存在。NGC 1052-DF2是已知的第一个仅由普通原子物质组成的星系。(DANIELI ET AL. (2019), ARXIV:1901.03711)

        我们应该意识到我们提出的任何科学假说都具有内在的局限性和想象性，任何理论都有一系列既定的正确性以及一系列需要我们不断拓展我们的预测来超越的部分，一个理论的好坏等于它能够做出的可证实的预测的好坏。要想超越我们当前的理解，我们就必须不断探索新的观察和实验领域。

        但是我们绝对不能忘记或者抛弃广义相对论、不断膨胀的宇宙、大爆炸理论、暗物质、暗能量或者暴胀这些理论的目前的成功，而是要去超越我们目前的理论并且重现它们的成功。除非有一个可靠的替代理论能够达到现有的门槛，所有的有关于现有范式的“大问题”的声明都要像被这样看待：意识形态驱使的反驳是没有科学价值的支持的！

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. Ethan Siegel-谢若- medium

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