Hva vet vi om universet vårt?
Født ut av en kosmisk eksplosjon med 13,8 milliarder år siden, universet raskt oppblåst og så avkjølt, det er fortsatt økende i en økende pris-og for det meste består av en ukjent, mørk materie og mørk energi … høyre?,
Denne godt-kjent historie er vanligvis tatt som en selvinnlysende vitenskapelige faktum, til tross for den relative mangelen på empiriske bevis—og til tross for en jevn avling av avvik som oppstår i forbindelse med observasjoner av det fjerne univers.
I de siste månedene, nye målinger av Hubble konstant, vil graden av universell ekspansjon, foreslås store forskjeller mellom to uavhengige metoder for beregning., Avvik på utvidelse pris har stor betydning ikke bare for beregning men for gyldigheten av en kosmologi som er dagens standard modell på den ekstreme skalaer av kosmos.
en Annen nylig probe funnet galakser i strid med teorien om mørk materie, som står for denne hypotetiske stoff å være overalt. Men ifølge de siste målingene, det er ikke noe som tyder på at teorien må være reexamined.
Det er kanskje verdt å stoppe for å spørre hvorfor astrophysicists hypoteser mørk materie å være overalt i universet., Svaret ligger i en særegen funksjon i kosmologiske fysikk det er ikke ofte. En viktig funksjon av teorier som mørk materie, mørk energi og inflasjon—hver på sin måte er knyttet til big bang-paradigme—er ikke å beskrive kjent empiriske fenomener, men heller å opprettholde den matematiske sammenheng av rammeverket i seg selv, mens regnskap for motsigende observasjoner. Fundamentalt, de er navn på noe som må finnes for så vidt rammeverket antas å være universelt gyldige.,
Hver nye avvik mellom observasjon og teori kan, selvfølgelig, i og for seg betraktes som en spennende løfte om mer forskning, en progressiv avgrensning mot sannheten. Men når de legger opp, de kan også foreslå en mer forvirrende problem som ikke løses ved å justere parametere, eller legge til nye variabler.
Vurdere konteksten av problemet og dets historie. Som en matematisk drevet vitenskap, kosmologiske fysikk er vanligvis antatt å være svært presise., Men kosmos er i motsetning til noen vitenskapelig emne på jorden. En teori om hele universet, basert på vår egen lille nabolaget som bare er kjent for eksempel, krever mye av forenkle forutsetninger. Når disse forutsetningene er mangedoblet og strakte seg over store avstander, potensialet for feil øker, og dette er ytterligere forverret av vår svært begrensede midler av testing.
Historisk, Newtons fysiske lover laget opp et teoretisk rammeverk som jobbet for vårt eget solsystem med enestående presisjon., Både Uranus og Neptun, for eksempel, ble oppdaget gjennom spådommer basert på Newtons modell. Men som vekter som vokste seg større, gyldigheten vist seg begrenset. Einsteins generelle relativitetsteori framework gitt en utvidet og mer presis nå utover de fjerneste delene av vår egen galakse. Men hvor langt kan det gå?,
The big bang paradigme som dukket opp på midten av det 20. århundre effektivt strekker modellens gyldighet til en slags uendelig, definert enten som grensen for radius av universet (beregnet til 46 milliarder lysår), eller i form av begynnelsen av tid. Denne gigantiske strekning er basert på noen konkrete funn, som for eksempel Edwin Hubble ‘ s observasjon at universet ser ut til å være voksende (i 1929) og påvisning av mikrobølgeovn bakgrunn stråling (i 1964)., Men tatt i betraktning den skala som er involvert, disse begrensede observasjoner har hatt en enorm innflytelse på kosmologiske teorien.
Det er selvfølgelig helt sannsynlig at gyldigheten av generell relativitetsteori bryter ned mye nærmere vårt eget hjem enn på kanten av den hypotetiske enden av universet., Og hvis det var tilfelle, dagens omfattende teoretisk byggverk av big bang paradigme ville slå ut for å være en forvirrende blanding av fiktive dyr oppfunnet for å opprettholde modellen, sammen med empirisk gyldig variabler gjensidig avhengige av hverandre for å poenget med å gjøre det umulig å sortere vitenskap fra fiksjon.
Compounding problemet, de fleste observasjoner av universet oppstår eksperimentelt og indirekte., I dag er plass teleskoper gir ingen direkte visning av alt—de produserer målinger gjennom et samspill mellom teoretiske forutsigelser og smidig parametere, som modellen er involvert hvert steg på veien. Rammen bokstavelig talt rammer problemet; den bestemmer hvor og hvordan du kan observere. Og så, til tross for den avanserte teknologier og metoder som er involvert, den dype begrensninger til forsøket også øke risikoen for å bli ledet på villspor av den slags forutsetninger som ikke kan beregnes.,
Etter å ha brukt mange år på å forske grunnlaget for kosmologiske fysikk fra en filosofi om vitenskap perspektiv, har jeg ikke blitt overrasket over å høre noen forskere åpent snakker om en krise i kosmologi. I den store «inflasjon debatt» i Scientific American et par år siden, en viktig del av big bang paradigmet ble kritisert av en av teorien er opprinnelige tilhengere for å ha blitt indefensible som en vitenskapelig teori.
Hvorfor?, Fordi inflasjonen teori baserer seg på ad hoc-contrivances å imøtekomme nesten alle data, og fordi den foreslåtte fysiske feltet er ikke basert på noe med empirisk begrunnelse. Dette er sannsynligvis fordi en avgjørende funksjon av inflasjon er å bygge bro overgangen fra en ukjennelige big bang til en fysikk som vi kan kjenne igjen i dag. Så, er det vitenskap eller en praktisk oppfinnelse?
noen astrophysicists, slik som Michael J. Disney, har kritisert big bang paradigme for sin mangel på demonstrerte certainties., I sin analyse, det teoretiske rammeverket har langt færre visse observasjoner enn gratis parametere for å tilpasse dem—en såkalt «negativ betydning» det ville være et alarmerende tegn for enhver vitenskap. Som Disney skriver i American Scientist: «En skeptiker har rett til å føle seg som en negativ betydning, etter så mye tid, krefter og trimming, er ingenting mer enn en ville forvente av en eventyret stadig re-redigert for å passe upraktisk nye observasjoner.»
Som jeg diskuterer i min nye bok, Metafysiske Eksperimenter, det er en dypere historien bak dagens problemer., Big bang-hypotesen seg selv som opprinnelig dukket opp som en indirekte konsekvens av generell relativitetsteori under ombygging. Einstein hadde laget en grunnleggende antakelse om universet, at det var statisk i både tid og rom, og til å gjøre hans ligninger legge opp, han lagt en «kosmologisk konstant,» for som han fritt innrømmet at det var ingen fysisk begrunnelse.,
Men når Hubble observert at universet var å utvide og Einsteins løsning ikke lenger syntes å være fornuftig, noen matematiske fysikere forsøkt å endre en grunnleggende antakelse i modellen: at universet var den samme i alle geografiske retninger, men variant i tid. Ikke insignificantly, denne teorien kom med en veldig lovende opp: en mulig fusjon mellom kosmologi og kjernefysikk. Kunne modig ny modell av atomet også forklare vårt univers?,
Fra starten av, teorien bare snakket til den umiddelbare kjølvannet av en eksplisitt hypotetisk tilfelle, hvis viktigste funksjon var som et limit tilstand, det punktet hvor teorien bryter ned. Big bang-teorien sier ingenting om big bang; det er snarere en mulig hypotetiske forutsetning for å løse generelle relativitetsteori.
På toppen av dette undemonstrable men svært produktiv hypotese, etasje etter etasje har blitt lagt intakt, med vesentlig utvidet, skalaer og nye avvik., For å forklare observasjoner av galakser i strid med de generelle relativitetsteorien, eksistensen av mørk materie ble startet som et ukjent og usynlig form for materie som er beregnet på å få opp mer enn en fjerdedel av alle masse-energi-innhold i universet—forutsatt, selvfølgelig, rammen er universelt gyldig. I 1998, da et sett av supernova målinger av akselererende galakser virket på kant med rammen, en ny teori dukket opp en mystisk kraft som kalles mørk energi, beregnet til å fylle circa 70 prosent av masse energi i universet.,
crux av dagens kosmologiske paradigme er at for å opprettholde en matematisk enhetlig teori gyldig for hele universet, må vi akseptere at 95 prosent av våre kosmos er innredet med helt ukjente elementer og krefter som vi ikke har noe empirisk bevis overhodet. For en forsker å være trygge på dette bildet krever en eksepsjonell tro i kraft av matematisk forening.
I slutten, det conundrum for kosmologi er dens avhengighet av de rammene som er en nødvendig presupposition for å drive forskning., I mangel av en klar alternativ, som astrofysiker Disney også notater, det er i en forstand fast med det samme. Det virker mer pragmatisk for å legge til nye teoretiske etasjer enn å tenke på det grunnleggende.
i Motsetning til den vitenskapelige idealet om å komme stadig nærmere sannheten, det ser ganske likt kosmologi, for å låne et begrep fra teknologi studier, har blitt sti-avhengige: overdetermined av virkningene av sine tidligere oppfinnelser.,
Denne artikkelen er basert på redigert utdrag fra boken Metafysiske Eksperimenter: Fysikk og Oppfinnelsen av Universet, utgitt av University of Minnesota Press.