關(guān)于我們的宇宙，我們到底知道些什么？
宇宙誕生于138億年前的一次宇宙爆炸，宇宙迅速膨脹，然后冷卻，它仍在以越來越快的速度膨脹，主要由未知的暗物質(zhì)和暗能量組成...對嗎？
這一眾所周知的故事通常被認(rèn)為是不言而喻的科學(xué)事實，盡管相對缺乏經(jīng)驗證據(jù)，而且在遙遠(yuǎn)宇宙的觀測中也出現(xiàn)了一系列的不一致。
最近幾個月，哈勃常數(shù)的新測量，即宇宙膨脹速率，表明了兩種獨立的計算方法之間的主要區(qū)別。膨脹速率的差異不僅對計算有巨大的影響，而且對宇宙學(xué)目前的標(biāo)準(zhǔn)模型在宇宙的極端尺度上的有效性也有巨大的影響。
最近的另一個探測器發(fā)現(xiàn)星系與暗物質(zhì)理論不一致，后者認(rèn)為這種假設(shè)物質(zhì)無處不在。但根據(jù)最新的測量結(jié)果，事實并非如此，這表明該理論需要重新檢驗。
也許值得停下來問一問，為什么天體物理學(xué)家假設(shè)宇宙中到處都是暗物質(zhì)？答案在于宇宙物理學(xué)的一種奇特的特性，而這一特性并不經(jīng)常被注意到。對于諸如暗物質(zhì)、暗能量和膨脹這樣的理論的一個關(guān)鍵功能，它們各自以自己的方式與大爆炸范式聯(lián)系在一起，不是描述已知的經(jīng)驗現(xiàn)象，而是要在解釋不同的觀察結(jié)果的同時，保持框架本身的數(shù)學(xué)一致性。從根本上說，它們是一些必須存在于框架被假定為普遍有效范圍內(nèi)的事物的名稱。
當(dāng)然，觀察和理論之間的每一個新的差異本身都可以被認(rèn)為是對更多研究的承諾，是對真理的一種逐步完善。但當(dāng)它加起來的時候，它也可能提出一個更復(fù)雜的問題，而這個問題并不是通過調(diào)整參數(shù)或添加新的變量來解決的。
考慮問題的背景和歷史。作為一門數(shù)學(xué)驅(qū)動的科學(xué)，宇宙物理學(xué)通常被認(rèn)為是非常精確的。但宇宙與地球上任何科學(xué)主題都不同。一種關(guān)于整個宇宙的理論，基于我們自己的微小鄰域作為它的唯一已知樣本，需要很多簡化的假設(shè)。當(dāng)這些假設(shè)相乘并延伸到很遠(yuǎn)的距離時，產(chǎn)生錯誤的可能性就會增加，而我們非常有限的測試手段又會使這一點變得更加復(fù)雜。
從歷史上看，牛頓的物理定律構(gòu)成了一個理論框架，它以驚人的精度為我們自己的太陽系工作。例如，天王星和海王星都是通過基于牛頓模型的預(yù)測而被發(fā)現(xiàn)的。但是隨著量表的增大，它的有效性被證明是有限的。愛因斯坦的廣義相對論框架提供了一個超出我們銀河系最遠(yuǎn)范圍的更廣泛、更精確的范圍。但它到底能走多遠(yuǎn)呢？
20世紀(jì)中葉出現(xiàn)的大爆炸模式有效地將模型的有效性擴(kuò)展到了一種無窮大，它被定義為宇宙半徑的邊界(以460億光年計算)，或者是時間的開始。這一巨大的擴(kuò)展是基于一些具體的發(fā)現(xiàn)，如埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)在1929年觀察到的宇宙似乎正在膨脹，以及1964年對微波背景輻射的探測。但考慮到所涉及的規(guī)模，這些有限的觀測對宇宙學(xué)理論產(chǎn)生了極大的影響。
當(dāng)然，廣義相對論的有效性更接近我們自己的家園，而不是在假設(shè)的宇宙末端的邊緣，這是完全可信的。如果是這樣的話，今天的大爆炸范式的多層次理論建筑將會是一個混亂的組合，被發(fā)明出來支持這個模型，以及經(jīng)驗上有效的變量，相互依賴，以至于不可能把科學(xué)和小說區(qū)分開來。
使這個問題更加復(fù)雜的是，對宇宙的大多數(shù)觀測都是通過實驗和間接的方式進(jìn)行的。今天的太空望遠(yuǎn)鏡不能提供任何東西的直接視圖，它們通過理論預(yù)測和參數(shù)的相互作用來產(chǎn)生測量，在這一過程中，模型涉及到每一步。這個框架從字面上描述了這個問題，它決定在哪里以及如何觀察。因此，盡管涉及到了先進(jìn)的技術(shù)和方法，但這種努力的深刻局限性也增加了被無法計算的假設(shè)誤導(dǎo)的風(fēng)險。
在花了很多年時間從科學(xué)哲學(xué)的角度研究宇宙物理學(xué)的基礎(chǔ)之后，聽到一些科學(xué)家公開談?wù)撚钪鎸W(xué)的危機，這并不感到驚訝。幾年前，在一場重大“宇宙膨脹辯論”中，大爆炸范式的一個關(guān)鍵部分遭到了該理論最初支持者的批評，認(rèn)為這一理論作為一種科學(xué)理論是站不住腳的。
為什么？因為宇宙膨脹理論依賴于臨時的設(shè)計來容納幾乎所有的數(shù)據(jù)，而且它所提出的物理場也不是基于任何有經(jīng)驗根據(jù)的東西。這可能是因為宇宙膨脹的一個關(guān)鍵功能就是將未知的大爆炸轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀兘裉焖苷J(rèn)識的物理學(xué)。那么，這是科學(xué)還是一項方便的發(fā)明？
一些天體物理學(xué)家，如邁克爾·J·迪斯尼(Michael J.Disney)，批評了大爆炸的范例，因為它缺乏可證明的確定性。在他的分析中，理論框架中的某些觀測要比自由參數(shù)少得多。所謂的“負(fù)面意義”，對任何科學(xué)來說都是一個警示信號。迪斯尼寫道：“懷疑者有權(quán)認(rèn)為，經(jīng)過如此多的時間、努力和修飾后，負(fù)面意義只不過是人們對一個故事不斷地重新編輯以適應(yīng)新觀察。”
當(dāng)前的問題背后有著更深層次的歷史。大爆炸假說本身最初是廣義相對論重塑的間接結(jié)果。愛因斯坦對宇宙做了一個基本的假設(shè)，即宇宙在空間和時間上都是靜態(tài)的，為了使他的方程組組合起來，他添加了一個“宇宙學(xué)常數(shù)”，他坦率地承認(rèn)沒有任何實際的理由。
但是，當(dāng)哈勃望遠(yuǎn)鏡觀察到宇宙正在膨脹，愛因斯坦的解決方案似乎不再有意義時，一些數(shù)學(xué)物理學(xué)家試圖改變這個模型的一個基本假設(shè)：宇宙在所有空間方向上都是相同的，但在時間上是不同的。不出所料，這一理論帶來了一個非常有希望的好處：宇宙學(xué)和核物理學(xué)之間可能的融合。原子的新模型也能解釋我們的宇宙嗎？
從一開始，該理論只談到一個明確的假設(shè)事件的直接后果，它的主要功能是作為一個極限條件，在這一點上，理論崩潰。大爆炸理論不能說明大爆炸，它是解決廣義相對論的一個可能的假設(shè)前提。
在這一無法證明但非常有成效的假設(shè)的基礎(chǔ)上，一層接一層地添加了完整的內(nèi)容，擴(kuò)展了很大的范圍，并出現(xiàn)了新的差異。為了解釋對與廣義相對論不一致的星系的觀察，暗物質(zhì)的存在被假定為一種未知和不可見的物質(zhì)形式，當(dāng)然，假設(shè)這個框架是普遍有效的。1998年，當(dāng)一組超新星對加速星系的測量似乎與這一框架相矛盾時，一種新的理論產(chǎn)生了一種稱為暗能量的神秘力量。
當(dāng)今宇宙學(xué)范式的核心是，為了維持一個對整個宇宙有效的數(shù)學(xué)統(tǒng)一理論，我們必須承認(rèn)，我們95%的宇宙是由完全未知的元素和力量提供的，我們對這些元素和力沒有任何經(jīng)驗證據(jù)。對于一個科學(xué)家來說，要對這幅畫有信心，就需要對數(shù)學(xué)統(tǒng)一的力量有非凡的信心。
最后，宇宙學(xué)的難題在于它依賴框架作為進(jìn)行研究的必要前提。由于缺乏明確的替代方案，正如天體物理學(xué)家迪斯尼也指出的那樣，從某種意義上講，它被這種范式所困住了。增加新的理論基礎(chǔ)似乎比重新思考基本面更為務(wù)實。
