vad vet vi egentligen om vårt universum?
född ur en kosmisk explosion 13,8 miljarder år sedan, universum snabbt uppblåst och sedan kyls, det fortfarande expanderar i en ökande takt och mestadels består av okänd mörk materia och mörk energi … eller hur?,
denna välkända historia brukar ses som ett självklart vetenskapligt faktum, trots den relativa bristen på empiriska bevis-och trots en stadig gröda av skillnader som uppstår med observationer av det avlägsna universum.
under de senaste månaderna föreslog nya mätningar av Hubble-konstanten, graden av universell expansion, stora skillnader mellan två oberoende beräkningsmetoder., Skillnader i expansionshastigheten har enorma konsekvenser inte bara för beräkning utan för giltigheten av kosmologins nuvarande standardmodell vid kosmos extrema skalor.
en annan ny sond fann galaxer oförenliga med teorin om mörk materia, som positionerar denna hypotetiska substans att vara överallt. Men enligt de senaste mätningarna är det inte, vilket tyder på att teorin behöver omprövas.
det är kanske värt att sluta fråga varför astrofysiker hypoteser mörk materia att vara överallt i universum., Svaret ligger i en märklig egenskap hos kosmologisk fysik som inte ofta påpekas. En avgörande funktion av teorier som mörk materia, mörk energi och inflation—var och en på sin egen väg knuten till big bang—paradigmet-är inte att beskriva kända empiriska fenomen utan snarare att upprätthålla den matematiska koherensen i själva ramen samtidigt som man redovisar diskrepanta observationer. I grund och botten är de namn på något som måste finnas i den mån ramverket antas vara universellt giltigt.,
varje ny skillnad mellan observation och teori kan naturligtvis i och för sig betraktas som ett spännande löfte om mer forskning, en progressiv förfining mot sanningen. Men när de lägger till, kan de också föreslå ett mer förvirrande problem som inte löses genom att justera parametrar eller lägga till nya variabler.
överväg problemets sammanhang och dess historia. Som en matematiskt driven vetenskap anses kosmologisk fysik vanligtvis vara extremt exakt., Men kosmos är olikt något vetenskapligt ämne på jorden. En teori om hela universum, baserad på vårt eget lilla grannskap som det enda kända provet av det, kräver många förenklade antaganden. När dessa antaganden multipliceras och sträcker sig över stora avstånd ökar risken för fel, och detta förvärras ytterligare av våra mycket begränsade testmetoder.
historiskt sett utgjorde Newtons fysiska lagar en teoretisk ram som fungerade för vårt eget solsystem med anmärkningsvärd precision., Både Uranus och Neptunus upptäcktes till exempel genom förutsägelser baserade på Newtons modell. Men när skalorna blev större visade sig dess giltighet begränsad. Einsteins allmänna relativitetsramverk gav en utökad och mer exakt räckvidd bortom vår egen galaxs längsta räckvidd. Men hur långt kan det gå?,
big bang paradigm som uppstod i mitten av 20-talet sträcker sig effektivt modellens giltighet till en slags oändlighet, definierad antingen som gränsen för universums radie (beräknad vid 46 miljarder ljusår) eller i början av tiden. Denna jättesträckning bygger på några konkreta upptäckter, som Edwin Hubbles observation att universum verkar expandera (1929) och detekteringen av mikrovågsbakgrundsstrålningen (1964)., Men med tanke på omfattningen har dessa begränsade observationer haft ett outsized inflytande på kosmologisk teori.
det är naturligtvis helt rimligt att giltigheten av allmän relativitet bryter ner mycket närmare vårt eget hem än vid kanten av universums hypotetiska ände., Och om så var fallet, skulle dagens flerskiktade teoretiska byggnad av big bang paradigm visa sig vara en förvirrande blandning av fiktiva djur som uppfanns för att upprätthålla modellen, tillsammans med empiriskt giltiga variabler som ömsesidigt är beroende av varandra för att göra det omöjligt att sortera vetenskap från fiktion.
genom att jämföra detta problem uppstår de flesta observationer av universum experimentellt och indirekt., Dagens rymdteleskop ger ingen direkt bild av någonting – de producerar mätningar genom ett samspel av teoretiska förutsägelser och smidiga parametrar, där modellen är involverad varje steg på vägen. Ramverket ramar bokstavligen problemet; det bestämmer var och hur man observerar. Och så, trots den avancerade tekniken och metoderna som är inblandade, ökar de djupa begränsningarna till strävan också risken att ledas vilse av den typ av antaganden som inte kan beräknas.,
efter att ha spenderat många år på att undersöka grunden för kosmologisk fysik från ett vetenskapsperspektiv har jag inte blivit förvånad över att höra några forskare öppet prata om en kris i kosmologi. I den stora ”inflationsdebatten” i Scientific American för några år sedan kritiserades en viktig del av big bang-paradigmet av en av teorins ursprungliga förespråkare för att ha blivit oförsvarlig som en vetenskaplig teori.
varför?, Eftersom inflationsteorin bygger på Ad hoc-kontrivanser för att rymma nästan alla data, och eftersom dess föreslagna fysiska fält inte är baserat på något med empirisk motivering. Detta beror förmodligen på att en avgörande funktion av inflationen är att överbrygga övergången från en okänd big bang till en fysik som vi kan känna igen idag. Så är det vetenskap eller en bekväm uppfinning?
några astrofysiker, som Michael J. Disney, har kritiserat big bang-paradigmet för dess brist på demonstrerade vissheter., I sin analys har den teoretiska ramen långt färre vissa observationer än fria parametrar för att justera dem-en så kallad ”negativ betydelse” som skulle vara ett alarmerande tecken för någon vetenskap. Som Disney skriver i American Scientist: ”en skeptiker har rätt att känna att en negativ betydelse, efter så mycket tid, ansträngning och trimning, är inget annat än man skulle förvänta sig av en folktale ständigt omredigerad för att passa obekväma nya observationer.”
när jag diskuterar i min nya bok, metafysiska experiment, finns det en djupare historia bakom de aktuella problemen., Big bang-hypotesen själv uppstod ursprungligen som en indirekt följd av allmän relativitet som genomgår ombyggnad. Einstein hade gjort ett grundläggande antagande om universum, att det var statiskt i både utrymme och tid, och för att få hans ekvationer att lägga upp, tillade han en ”kosmologisk konstant”, för vilken han fritt medgav att det inte fanns någon fysisk motivering.,
men när Hubble observerade att universum expanderade och Einsteins lösning inte längre verkade vettigt försökte vissa matematiska fysiker ändra ett grundläggande antagande av modellen: att universum var detsamma i alla rumsliga riktningar men variant i tid. Inte obetydligt kom denna teori med en mycket lovande uppsida: en möjlig sammanslagning mellan kosmologi och kärnfysik. Kan den modiga nya modellen av atomen också förklara vårt universum?,
från början talade teorin endast till den omedelbara efterdyningen av en uttryckligen hypotetisk händelse, vars huvudsakliga funktion var som ett gränsvillkor, den punkt där teorin bryts ner. Big bang-teorin säger ingenting om big bang; det är snarare en möjlig hypotetisk premiss för att lösa allmän relativitet.
ovanpå denna oupphörliga men mycket produktiva hypotes har golv på golv lagts till intakt, med mycket utökade skalor och nya skillnader., För att förklara observationer av galaxer som är oförenliga med den allmänna relativitetsteorin var förekomsten av mörk materia en okänd och osynlig form av materia som beräknats för att kompensera mer än en fjärdedel av allt massenergiinnehåll i universum-förutsatt att ramverket naturligtvis är universellt giltigt. 1998, när en uppsättning Supernova-mätningar av accelererande galaxer verkade i strid med ramverket, uppstod en ny teori om en mystisk kraft som heter dark energy, beräknad för att fylla cirka 70 procent av universums massenergi.,
kärnan i dagens kosmologiska paradigm är att för att upprätthålla en matematiskt enhetlig teori som gäller för hela universum måste vi acceptera att 95 procent av vårt kosmos är möblerat av helt okända element och krafter för vilka vi inte har några empiriska bevis alls. För att en forskare ska vara säker på den här bilden krävs en exceptionell tro på kraften i matematisk enande.
I slutändan är conundrum for cosmology dess beroende av ramverket som en nödvändig förutsättning för att bedriva forskning., För brist på ett tydligt alternativ, som astrofysiker Disney noterar också, är det på ett sätt fast med paradigmet. Det verkar mer pragmatiskt att lägga till nya teoretiska golv än att ompröva grunderna.
I motsats till det vetenskapliga idealet att gradvis komma närmare sanningen ser det ganska ut som kosmologi, att låna en term från teknikstudier, har blivit banberoende: överbestämd av konsekvenserna av sina tidigare uppfinningar.,
denna artikel är baserad på redigerade utdrag ur boken metafysiska experiment: fysik och uppfinningen av universum, publicerad av University of Minnesota Press.