co tak naprawdę wiemy o naszym wszechświecie?
zrodzony w wyniku kosmicznej eksplozji 13,8 miliarda lat temu, wszechświat gwałtownie się napompował, a następnie ochłodził, wciąż rozszerza się w coraz większym tempie i składa się głównie z nieznanej ciemnej materii i ciemnej energii … prawda?,
ta dobrze znana historia jest zwykle traktowana jako oczywisty fakt naukowy, pomimo względnego braku dowodów empirycznych-i pomimo stałego zbioru rozbieżności wynikających z obserwacji odległego wszechświata.
w ostatnich miesiącach nowe pomiary stałej Hubble ' a, szybkości ekspansji uniwersalnej, sugerowały znaczne różnice między dwoma niezależnymi metodami obliczeń., Różnice w szybkości ekspansji mają ogromne implikacje nie tylko dla obliczeń, ale dla ważności obecnego modelu standardowego kosmologii w skrajnych skalach kosmosu.
kolejna sonda odkryła galaktyki niezgodne z teorią ciemnej materii, która zakłada, że ta hipotetyczna substancja jest wszędzie. Ale według najnowszych pomiarów, nie jest, sugerując, że teoria musi być ponownie zbadane.
być może warto zatrzymać się i zapytać, dlaczego astrofizycy zakładają, że ciemna materia jest wszędzie we wszechświecie., Odpowiedź leży w osobliwej cechy fizyki kosmologicznej, która nie jest często zauważana. Kluczową funkcją teorii takich jak ciemna materia, ciemna energia i inflacja-każda na swój sposób związana z paradygmatem Wielkiego Wybuchu-nie jest opisywanie znanych zjawisk empirycznych, ale raczej utrzymywanie matematycznej spójności samych RAM przy jednoczesnym uwzględnianiu rozbieżnych obserwacji. Zasadniczo są one nazwami czegoś, co musi istnieć, o ile ramy te uznaje się za powszechnie obowiązujące.,
każda nowa rozbieżność między obserwacją a teorią może być oczywiście uważana za ekscytującą obietnicę dalszych badań, stopniowe udoskonalanie w kierunku prawdy. Ale kiedy się sumują, mogą również zasugerować bardziej mylący problem, który nie zostanie rozwiązany przez dostosowanie parametrów lub dodanie nowych zmiennych.
rozważ kontekst problemu i jego historię. Jako nauka matematyczna, fizyka kosmologiczna jest zwykle uważana za niezwykle precyzyjną., Ale kosmos nie różni się od żadnego naukowego przedmiotu na ziemi. Teoria całego wszechświata, oparta na naszym maleńkim sąsiedztwie jako jedynej znanej jego próbce, wymaga wielu uproszczeń. Kiedy te założenia są mnożone i rozciągane na ogromne odległości, potencjał błędu wzrasta, a to jest dodatkowo potęgowane przez nasze bardzo ograniczone środki testowania.
historycznie prawa fizyczne Newtona tworzyły teoretyczne ramy, które działały dla naszego własnego układu słonecznego z niezwykłą precyzją., Zarówno Uran, jak i Neptun zostały odkryte dzięki przewidywaniom opartym na modelu Newtona. Jednak wraz ze wzrostem skali jego ważność okazała się ograniczona. Ogólna teoria względności Einsteina zapewniła rozszerzony i bardziej precyzyjny zasięg poza najdalsze zakątki naszej galaktyki. Ale jak daleko to może zajść?,
paradygmat wielkiego wybuchu, który pojawił się w połowie XX wieku, skutecznie rozciąga Ważność modelu do pewnego rodzaju nieskończoności, zdefiniowanej albo jako granica promienia wszechświata (obliczonego na 46 miliardów lat świetlnych), albo w kategoriach początku czasu. Ten gigantyczny odcinek opiera się na kilku konkretnych odkryciach, takich jak obserwacja Edwina Hubble ' a, że wszechświat wydaje się rozszerzać (w 1929) i wykrycie mikrofalowego promieniowania tła (w 1964)., Jednak biorąc pod uwagę skalę, te ograniczone obserwacje miały zbyt duży wpływ na teorię kosmologiczną.
jest oczywiście całkowicie prawdopodobne, że ważność ogólnej teorii względności załamuje się znacznie bliżej naszego własnego domu niż na skraju hipotetycznego końca wszechświata., Gdyby tak było, dzisiejsza Wielowarstwowa konstrukcja teoretyczna paradygmatu Wielkiego Wybuchu okazałaby się mylącą mieszanką fikcyjnych bestii wymyślonych, aby podtrzymać ten model, wraz z empirycznie ważnymi zmiennymi wzajemnie zależnymi od siebie do tego stopnia, że niemożliwe byłoby oddzielenie nauki od fikcji.
Większość obserwacji wszechświata zachodzi eksperymentalnie i pośrednio., Dzisiejsze teleskopy kosmiczne nie zapewniają bezpośredniego widoku czegokolwiek—wytwarzają pomiary poprzez grę przewidywań teoretycznych i giętkich parametrów, w które model jest zaangażowany na każdym kroku. Framework dosłownie kadruje problem; określa, gdzie i jak obserwować. I tak, pomimo zaawansowanych technologii i metod, Głębokie ograniczenia w przedsięwzięciu zwiększają również ryzyko, że zostanie wprowadzony w błąd przez tego rodzaju założenia, których nie można obliczyć.,
po spędzeniu wielu lat na badaniach podstaw fizyki kosmologicznej z perspektywy filozofii nauki, nie byłem zaskoczony, gdy niektórzy naukowcy otwarcie mówią o kryzysie w kosmologii. W wielkiej „debacie inflacyjnej” w Scientific American kilka lat temu, kluczowy element paradygmatu Wielkiego Wybuchu został skrytykowany przez jednego z pierwotnych zwolenników teorii za to, że stał się nie do obrony jako teoria naukowa.
dlaczego?, Ponieważ teoria inflacji opiera się na doraźnych kontrybucjach, aby pomieścić prawie wszystkie dane, a jej proponowane pole fizyczne nie jest oparte na niczym z empirycznym uzasadnieniem. Dzieje się tak prawdopodobnie dlatego, że kluczową funkcją inflacji jest przejście od nieznanego Wielkiego Wybuchu do fizyki, którą możemy dziś rozpoznać. Więc to nauka czy wygodny wynalazek?
kilku astrofizyków, takich jak Michael J. Disney, skrytykowało paradygmat Wielkiego Wybuchu za brak zademonstrowanych pewników., W jego analizie ramy teoretyczne mają znacznie mniej pewnych obserwacji niż swobodne parametry, aby je poprawić—tak zwane „negatywne znaczenie”, które byłoby alarmującym znakiem dla każdej nauki. Jak pisze Disney w „American Scientist”: „sceptyk ma prawo czuć, że negatywne znaczenie, po tak długim czasie, wysiłku i przycinaniu, jest niczym więcej, niż można by oczekiwać od folktale stale redagowane, aby dopasować niewygodne nowe obserwacje.”
jak omawiam w mojej nowej książce, eksperymenty metafizyczne, za obecnymi problemami kryje się głębsza historia., Sama hipoteza Wielkiego Wybuchu pierwotnie pojawiła się jako pośrednia konsekwencja ogólnej teorii względności w trakcie przebudowy. Einstein przyjął fundamentalne założenie o wszechświecie, że jest on statyczny zarówno w przestrzeni, jak i w czasie, i aby jego równania się sumowały, dodał „stałą kosmologiczną”, dla której swobodnie przyznał, że nie ma fizycznego uzasadnienia.,
ale kiedy Hubble zauważył, że wszechświat się rozszerza, a rozwiązanie Einsteina przestało mieć sens, niektórzy fizycy matematyczni próbowali zmienić podstawowe założenie modelu: że wszechświat jest taki sam we wszystkich kierunkach przestrzennych, ale zmienny w czasie. Nie bez znaczenia, teoria ta przyniosła bardzo obiecujący plus: możliwe połączenie kosmologii i fizyki jądrowej. Czy odważny nowy model atomu może również wyjaśnić nasz wszechświat?,
od samego początku teoria odnosiła się tylko do bezpośredniego następstwa wprost hipotetycznego zdarzenia, którego główną funkcją był Stan graniczny, punkt, w którym teoria się rozpada. Teoria wielkiego wybuchu nie mówi nic o Wielkim Wybuchu; jest to raczej możliwe hipotetyczne założenie do rozwiązania ogólnej teorii względności.
na szczycie tej niewyobrażalnej, ale bardzo produktywnej hipotezy, Podłoga po podłodze została dodana Nienaruszona, z znacznie rozszerzonymi skalami i nowymi rozbieżnościami., Aby wyjaśnić obserwacje galaktyk niespójne z ogólną teorią względności, istnienie ciemnej materii zostało uznane za nieznaną i niewidzialną formę materii obliczoną na ponad jedną czwartą całej masy energii we wszechświecie-zakładając oczywiście, że ramy te są powszechnie obowiązujące. W 1998 roku, kiedy zestaw pomiarów supernowych przyspieszających galaktyk wydawał się sprzeczny z ramami, pojawiła się nowa teoria o tajemniczej sile zwanej ciemną energią, obliczonej na wypełnienie około 70 procent masowej energii wszechświata.,
sednem dzisiejszego paradygmatu kosmologicznego jest to, że aby utrzymać matematycznie jednolitą teorię ważną dla całego wszechświata, musimy zaakceptować, że 95 procent naszego kosmosu jest wyposażony w zupełnie nieznane elementy i siły, na które nie mamy żadnego empirycznego dowodu. Dla naukowca, aby być pewnym tego obrazu wymaga wyjątkowej wiary w moc matematycznej unifikacji.
w końcu zagadką kosmologii jest poleganie na ramie jako niezbędnym założeniu do prowadzenia badań., Z braku wyraźnej alternatywy, jak zauważa astrofizyk Disney, jest ona w pewnym sensie utknięta w paradygmacie. Bardziej pragmatyczne wydaje się dodawanie nowych pięter teoretycznych niż przemyślanie podstaw.
w przeciwieństwie do naukowego ideału coraz bardziej zbliżania się do prawdy, wygląda to raczej jak kosmologia, zapożyczyć termin z badań technologicznych, stała się zależna od ścieżki: przesadnie określona przez implikacje swoich wcześniejszych wynalazków.,
Ten artykuł jest oparty na edytowanych fragmentach książki metafizyczne eksperymenty: fizyka i wynalazek wszechświata, opublikowanej przez University of Minnesota Press.