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為是不言而喻的科學事實，盡管相對缺乏經(jīng)驗證據(jù)，而且在遙遠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，而且對宇宙學目前的標準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，為什么天體物理學家假設(shè)宇宙中到處都是暗物質(zhì)？答案在于宇宙物理學的一種奇特的特性，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。

當然，觀察和理論之間的每一個新的差異本身都可以被認為是對更多研究的承諾，是對真理的一種逐步完善。但當它加起來的時候，它也可能提出一個更復雜的問題，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)學驅(qū)動的科學，宇宙物理學通常被認為是非常精確的。但宇宙與地球上任何科學主題都不同。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)。當這些假設(shè)相乘并延伸到很遠的距離時，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范圍的更廣泛、更精確的范圍。但它到底能走多遠呢？

20世紀中葉出現(xiàn)的大爆炸模式有效地將模型的有效性擴展到了一種無窮大，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理論產(chǎn)生了極大的影響。

當然，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和小說區(qū)分開來。

使這個問題更加復雜的是，對宇宙的大多數(shù)觀測都是通過實驗和間接的方式進行的。今天的太空望遠鏡不能提供任何東西的直接視圖，它們通過理論預測和參數(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)誤導的風險。

在花了很多年時間從科學哲學的角度研究宇宙物理學的基礎(chǔ)之后，聽到一些科學家公開談?wù)撚钪鎸W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，認為這一理論作為一種科學理論是站不住腳的。

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識的物理學。那么，這是科學還是一項方便的發(fā)明？

一些天體物理學家，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“負面意義”，對任何科學來說都是一個警示信號。迪斯尼寫道：“懷疑者有權(quán)認為，經(jīng)過如此多的時間、努力和修飾后，負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?！?/p>

當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“宇宙學常數(shù)”，他坦率地承認沒有任何實際的理由。

但是，當哈勃望遠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)學物理學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：宇宙學和核物理學之間可能的融合。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，當然，假設(shè)這個框架是普遍有效的。1998年，當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。

當今宇宙學范式的核心是，為了維持一個對整個宇宙有效的數(shù)學統(tǒng)一理論，我們必須承認，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)。對于一個科學家來說，要對這幅畫有信心，就需要對數(shù)學統(tǒng)一的力量有非凡的信心。

最后，宇宙學的難題在于它依賴框架作為進行研究的必要前提。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。