宇宙学里存在的一些大问题

DMA340

关于我们的宇宙，我们到底知道些什么？

    宇宙诞生于138亿年前的一次宇宙爆炸，宇宙迅速膨胀，然后冷却，它仍在以越来越快的速度膨胀，主要由未知的暗物质和暗能量组成...对吗？

    这一众所周知的故事通常被认为是不言而喻的科学事实，尽管相对缺乏经验证据，而且在遥远宇宙的观测中也出现了一系列的不一致。

    哈勃常数的新测量，即宇宙膨胀速率，表明了两种独立的计算方法之间的主要区别。膨胀速率的差异不仅对计算有巨大的影响，而且对宇宙学目前的标准模型在宇宙的极端尺度上的有效性也有巨大的影响。

    最近的另一个探测器发现星系与暗物质理论不一致，后者认为这种假设物质无处不在。但根据最新的测量结果，事实并非如此，这表明该理论需要重新检验。

    也许值得停下来问一问，为什么天体物理学家假设宇宙中到处都是暗物质？答案在于宇宙物理学的一种奇特的特性，而这一特性并不经常被注意到。对于诸如暗物质、暗能量和膨胀这样的理论的一个关键功能，它们各自以自己的方式与大爆炸范式联系在一起，不是描述已知的经验现象，而是要在解释不同的观察结果的同时，保持框架本身的数学一致性。从根本上说，它们是一些必须存在于框架被假定为普遍有效范围内的事物的名称。

    当然，观察和理论之间的每一个新的差异本身都可以被认为是对更多研究的承诺，是对真理的一种逐步完善。但当它加起来的时候，它也可能提出一个更复杂的问题，而这个问题并不是通过调整参数或添加新的变量来解决的。



    考虑问题的背景和历史。作为一门数学驱动的科学，宇宙物理学通常被认为是非常精确的。但宇宙与地球上任何科学主题都不同。一种关于整个宇宙的理论，基于我们自己的微小邻域作为它的唯一已知样本，需要很多简化的假设。当这些假设相乘并延伸到很远的距离时，产生错误的可能性就会增加，而我们非常有限的测试手段又会使这一点变得更加复杂。

    从历史上看，牛顿的物理定律构成了一个理论框架，它以惊人的精度为我们自己的太阳系工作。例如，天王星和海王星都是通过基于牛顿模型的预测而被发现的。但是随着量表的增大，它的有效性被证明是有限的。爱因斯坦的广义相对论框架提供了一个超出我们银河系最远范围的更广泛、更精确的范围。但它到底能走多远呢？

    20世纪中叶出现的大爆炸模式有效地将模型的有效性扩展到了一种无穷大，它被定义为宇宙半径的边界(以460亿光年计算)，或者是时间的开始。这一巨大的扩展是基于一些具体的发现，如埃德温·哈勃(Edwin Hubble)在1929年观察到的宇宙似乎正在膨胀，以及1964年对微波背景辐射的探测。但考虑到所涉及的规模，这些有限的观测对宇宙学理论产生了极大的影响。

    当然，广义相对论的有效性更接近我们自己的家园，而不是在假设的宇宙末端的边缘，这是完全可信的。如果是这样的话，今天的大爆炸范式的多层次理论建筑将会是一个混乱的组合，被发明出来支持这个模型，以及经验上有效的变量，相互依赖，以至于不可能把科学和小说区分开来。

    使这个问题更加复杂的是，对宇宙的大多数观测都是通过实验和间接的方式进行的。今天的太空望远镜不能提供任何东西的直接视图，它们通过理论预测和参数的相互作用来产生测量，在这一过程中，模型涉及到每一步。这个框架从字面上描述了这个问题，它决定在哪里以及如何观察。因此，尽管涉及到了先进的技术和方法，但这种努力的深刻局限性也增加了被无法计算的假设误导的风险。

    在花了很多年时间从科学哲学的角度研究宇宙物理学的基础之后，听到一些科学家公开谈论宇宙学的危机，这并不感到惊讶。几年前，在一场重大“宇宙膨胀辩论”中，大爆炸范式的一个关键部分遭到了该理论最初支持者的批评，认为这一理论作为一种科学理论是站不住脚的。

    为什么？因为宇宙膨胀理论依赖于临时的设计来容纳几乎所有的数据，而且它所提出的物理场也不是基于任何有经验根据的东西。这可能是因为宇宙膨胀的一个关键功能就是将未知的大爆炸转变为我们今天所能认识的物理学。那么，这是科学还是一项方便的发明？

    一些天体物理学家，如迈克尔·J·迪斯尼(Michael J.Disney)，批评了大爆炸的范例，因为它缺乏可证明的确定性。在他的分析中，理论框架中的某些观测要比自由参数少得多。所谓的“负面意义”，对任何科学来说都是一个警示信号。迪斯尼写道：“怀疑者有权认为，经过如此多的时间、努力和修饰后，负面意义只不过是人们对一个故事不断地重新编辑以适应新观察。”

    当前的问题背后有着更深层次的历史。大爆炸假说本身最初是广义相对论重塑的间接结果。爱因斯坦对宇宙做了一个基本的假设，即宇宙在空间和时间上都是静态的，为了使他的方程组组合起来，他添加了一个“宇宙学常数”，他坦率地承认没有任何实际的理由。

    但是，当哈勃望远镜观察到宇宙正在膨胀，爱因斯坦的解决方案似乎不再有意义时，一些数学物理学家试图改变这个模型的一个基本假设：宇宙在所有空间方向上都是相同的，但在时间上是不同的。不出所料，这一理论带来了一个非常有希望的好处：宇宙学和核物理学之间可能的融合。原子的新模型也能解释我们的宇宙吗？

    从一开始，该理论只谈到一个明确的假设事件的直接后果，它的主要功能是作为一个极限条件，在这一点上，理论崩溃。大爆炸理论不能说明大爆炸，它是解决广义相对论的一个可能的假设前提。

    在这一无法证明但非常有成效的假设的基础上，一层接一层地添加了完整的内容，扩展了很大的范围，并出现了新的差异。为了解释对与广义相对论不一致的星系的观察，暗物质的存在被假定为一种未知和不可见的物质形式，当然，假设这个框架是普遍有效的。1998年，当一组超新星对加速星系的测量似乎与这一框架相矛盾时，一种新的理论产生了一种称为暗能量的神秘力量。

    当今宇宙学范式的核心是，为了维持一个对整个宇宙有效的数学统一理论，我们必须承认，我们95%的宇宙是由完全未知的元素和力量提供的，我们对这些元素和力没有任何经验证据。对于一个科学家来说，要对这幅画有信心，就需要对数学统一的力量有非凡的信心。

    最后，宇宙学的难题在于它依赖框架作为进行研究的必要前提。由于缺乏明确的替代方案，正如天体物理学家迪斯尼也指出的那样，从某种意义上讲，它被这种范式所困住了。增加新的理论基础似乎比重新思考基本面更为务实。