Hvad ved vi egentlig om vores univers?
Født ud af en kosmisk eksplosion 13,8 milliarder år siden, universet blev hurtigt oppustet og derefter afkølet, det er stadig i vækst med en stigende rente, og for det meste består af ukendt mørkt stof og mørk energi … ikke?,
Denne velkendte historie er normalt taget som en selvfølge videnskabeligt faktum, på trods af den relative mangel på empirisk bevis—og på trods af en kraftig afgrøde af uoverensstemmelser i forbindelse med observationer af det fjerne univers.
i de seneste måneder foreslog nye målinger af Hubble-konstanten, hastigheden for universel ekspansion, store forskelle mellem to uafhængige beregningsmetoder., Uoverensstemmelser på ekspansionshastigheden har enorme konsekvenser ikke blot for beregning, men for gyldigheden af kosmologiens nuværende standardmodel på kosmos ekstreme skalaer.
en anden nylig sonde fandt galakser, der var uforenelige med teorien om mørkt stof, hvilket antyder, at dette hypotetiske stof er overalt. Men ifølge de seneste målinger er det ikke, hvilket tyder på, at teorien skal undersøges igen.
det er måske værd at stoppe for at spørge, hvorfor astrofysikere antager, at mørkt stof er overalt i universet., Svaret ligger i et ejendommeligt træk ved kosmologisk fysik, der ikke ofte bemærkes. En afgørende funktion af teorier som mørkt stof, mørk energi og inflation—hver på sin måde bundet til big bang—paradigmet-er ikke at beskrive kendte empiriske fænomener, men snarere at opretholde den matematiske sammenhæng i selve rammen, mens man regner med uoverensstemmende observationer. Grundlæggende er de navne på noget, der skal eksistere, for så vidt rammen antages at være universelt gyldig.,
hver ny uoverensstemmelse mellem observation og teori kan naturligvis i sig selv betragtes som et spændende løfte om mere forskning, en progressiv forfining mod sandheden. Men når de tilføjer, kan de også foreslå et mere forvirrende problem, der ikke løses ved at justere parametre eller tilføje nye variabler.
overvej konteksten af problemet og dets historie. Som en matematisk drevet videnskab, kosmologisk fysik menes normalt at være ekstremt præcis., Men kosmos er ulig noget videnskabeligt emne på jorden. En teori om hele universet, baseret på vores eget lille kvarter som den eneste kendte prøve af det, kræver en masse forenklende antagelser. Når disse antagelser Ganges og strækkes over store afstande, øges potentialet for fejl, og dette forværres yderligere af vores meget begrænsede testmetoder.
Historisk, Newtons fysiske love, som består af en teoretisk ramme, der arbejdede for vores eget solsystem med bemærkelsesværdig præcision., Både Uranus og Neptun blev for eksempel opdaget gennem forudsigelser baseret på Ne .tons model. Men da skalaerne blev større, dens gyldighed viste sig begrænset. Einsteins generelle relativitetsramme gav en udvidet og mere præcis rækkevidde ud over de fjerneste rækkevidde af vores egen galakse. Men hvor langt kunne det gå?,
big bang-paradigmet, der opstod i midten af det 20.århundrede, strækker effektivt modellens gyldighed til en slags uendelighed, defineret enten som grænsen for universets radius (beregnet til 46 milliarder lysår) eller med hensyn til tidens begyndelse. Denne gigantiske strækning er baseret på et par konkrete fund, som Edwin Hubble ‘ s bemærkning om, at universet ser ud til at være stigende (i 1929) og påvisning af mikrobølge-baggrundsstråling (i 1964)., Men i betragtning af den involverede skala har disse begrænsede observationer haft en overdreven indflydelse på kosmologisk teori.
det er selvfølgelig helt plausibelt, at gyldigheden af generel relativitet bryder meget tættere på vores eget hjem end i kanten af universets hypotetiske ende., Og hvis det var tilfældet, ville dagens flerlags teoretiske bygning af big bang-paradigmet vise sig at være en forvirrende blanding af fiktive dyr opfundet for at opretholde modellen sammen med empirisk gyldige variabler, der er gensidigt afhængige af hinanden til det punkt at gøre det umuligt at sortere videnskab fra fiktion.
ved at sammensætte dette problem forekommer de fleste observationer af universet eksperimentelt og indirekte., Nutidens rumteleskoper giver ingen direkte visning af noget—de producerer målinger gennem et samspil af teoretiske forudsigelser og bøjelige parametre, hvor modellen er involveret hvert skridt på vejen. Rammen rammer bogstaveligt talt problemet; det bestemmer, hvor og hvordan man skal observere. Og på trods af de avancerede teknologier og metoder, der er involveret, øger de dybe begrænsninger for bestræbelserne også risikoen for at blive ført på afveje af den slags antagelser, der ikke kan beregnes.,
Efter at have tilbragt mange år på at forske i grundlaget for kosmologiske fysik fra en filosofi perspektiv, jeg har ikke været overrasket over at høre nogle forskere åbent taler om en krise i kosmologi. I den store “inflationsdebat” i Scientific American for et par år siden blev et nøglestykke i big bang-paradigmet kritiseret af en af teoriens oprindelige fortalere for at være blevet uforsvarlig som en videnskabelig teori.
hvorfor?, Fordi inflationsteori er afhængig af ad hoc-contrivances til at rumme næsten alle data, og fordi det foreslåede fysiske felt ikke er baseret på noget med empirisk begrundelse. Dette skyldes sandsynligvis, at en afgørende funktion af inflationen er at bygge bro over overgangen fra et uvidende big bang til en fysik, vi kan genkende i dag. Så er det videnskab eller en bekvem opfindelse?
et par astrofysikere, såsom Michael J. Disney, har kritiseret big bang-paradigmet for dets mangel på demonstreret sikkerhed., I sin analyse har den teoretiske ramme langt færre visse observationer end frie parametre til at finpusse dem—en såkaldt “negativ betydning”, der ville være et alarmerende tegn for enhver videnskab. Som Disney skriver i American Scientist: “en skeptiker har ret til at føle, at en negativ betydning, efter så meget tid, kræfter og trimning, ikke er andet end man kunne forvente af en folktale konstant redigeret for at passe ubekvemme nye observationer.”
som jeg diskuterer i min nye bog, metafysiske eksperimenter, er der en dybere historie bag de aktuelle problemer., Selve big bang-hypotesen fremkom oprindeligt som en indirekte konsekvens af generel relativitet, der gennemgår ombygning. Einstein havde lavet en grundlæggende antagelse om universet, at det var statisk i både rum og tid, og for at gøre hans ligninger tilføje op, tilføjede han en “kosmologisk konstant”, som han frit indrømmede, at der ikke var nogen fysisk begrundelse.,
Men når Hubble observeret, at universet ekspanderer og Einstein ‘ s løsning ikke længere syntes at give mening, nogle matematiske fysikere har forsøgt at ændre en grundlæggende antagelse i modellen: at universet var den samme i alle rumlige retninger, men variant i gang. Ikke ubetydeligt kom denne teori med en meget lovende opside: en mulig fusion mellem kosmologi og atomfysik. Kunne den modige nye model af atomet også forklare vores univers?,
fra starten talte teorien kun til den umiddelbare efterspørgsel efter en eksplicit hypotetisk begivenhed, hvis hovedfunktion var som en grænsebetingelse, det punkt, hvor teorien bryder sammen. Big bang-teorien siger intet om big bang; det er snarere en mulig hypotetisk forudsætning for at løse generel relativitet.
oven på denne uundværlige, men meget produktive hypotese er gulv efter gulv blevet tilføjet intakt med meget udvidede skalaer og nye uoverensstemmelser., Til at forklare observationer af galakser i strid med den generelle relativitetsteori, eksistensen af mørkt stof blev postuleret som en ukendt og usynlig form af spørgsmål beregnet til at få mere end en fjerdedel af alle masse-energi-indholdet i universet—forudsat, naturligvis, den ramme, der er universelt gyldigt. I 1998, da et sæt supernovamålinger af accelererende galakser syntes at være i strid med rammen, opstod der en ny teori om en mystisk kraft kaldet mørk energi, beregnet til at fylde omkring 70 procent af universets masseenergi.,
kernen af dagens kosmologiske paradigme er, at for at opretholde en matematisk forenet teori gældende for hele universet, må vi acceptere, at 95 procent af vores kosmos er indrettet med helt ukendte elementer og kræfter til, som vi ikke har empirisk belæg for overhovedet. For en videnskabsmand at være sikker på dette billede kræver en ekstraordinær tro på kraften i matematisk forening.
i sidste ende er conundrummet for kosmologi dets afhængighed af rammen som en nødvendig forudsætning for at udføre forskning., I mangel af et klart alternativ, som astrofysiker Disney også bemærker, er det på en måde fast med paradigmet. Det virker mere pragmatisk at tilføje nye teoretiske gulve end at genoverveje de grundlæggende elementer.
i Modsætning til det videnskabelige ideal om at komme gradvis tættere på sandheden, det ligner kosmologi, for at låne et udtryk fra teknologi undersøgelser, er blevet sti-afhængige: overdetermined af følgerne af sine seneste opfindelser.,
Denne artikel er baseret på et redigeret uddrag fra bogen Metafysiske Eksperimenter: Fysik og Opfindelsen af Universet, udgivet af University of Minnesota Press.