本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
我們真的瞭解我們的宇宙嗎？
宇宙起源於138億年前的宇宙大爆炸，經歷了快速膨脹和冷卻，至今仍在加速膨脹，並且主要由未知的暗物質和暗能量構成……對嗎？
儘管缺乏足夠的經驗證據，並且在遙遠宇宙的觀測中不斷出現差異，這個廣為人知的故事通常被認為是毋庸置疑的科學事實。
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最近幾個月，對哈勃常數（宇宙膨脹率）的新測量表明，兩種獨立的計算方法之間存在重大差異。膨脹率的差異不僅對計算本身，而且對宇宙學當前標準模型在極端宇宙尺度下的有效性都具有重大影響。
另一項最新的探測發現，一些星系與暗物質理論不符。暗物質理論假設這種假想物質無處不在。但根據最新的測量，情況並非如此，這表明該理論需要重新審視。
也許值得停下來問問，為什麼天體物理學家假設暗物質在宇宙中無處不在。答案在於宇宙物理學中一個不常被提及的奇特特徵。諸如暗物質、暗能量和暴脹之類的理論（每一種都以自己的方式與大爆炸正規化聯絡在一起）的關鍵功能，並非描述已知的經驗現象，而是為了在解釋不一致的觀測結果的同時，維持框架本身的數學連貫性。從根本上說，它們是某些必須存在的事物的名稱，只要該框架被假定為普遍有效。
當然，觀測與理論之間每次新的差異本身都可以被視為對更多研究的令人興奮的承諾，是對真理的漸進式完善。但是，當這些差異累積起來時，它們也可能暗示一個更令人困惑的問題，而這個問題無法透過調整引數或新增新變數來解決。
考慮問題的背景及其歷史。作為一門以數學為驅動的科學，宇宙物理學通常被認為是極其精確的。但是，宇宙不同於地球上任何科學研究物件。一個基於我們自身微小鄰域作為唯一已知樣本的全宇宙理論，需要大量的簡化假設。當這些假設被放大並延伸到廣闊的距離時，誤差的可能性就會增加，而我們非常有限的測試手段更進一步加劇了這種情況。
從歷史上看，牛頓的物理定律構成了一個理論框架，該框架在我們的太陽系中以驚人的精度運作。例如，天王星和海王星都是透過基於牛頓模型的預測發現的。但是，隨著尺度變得更大，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超越我們銀河系最遠範圍的更廣泛、更精確的延伸。但它究竟能走多遠呢？
20世紀中期出現的大爆炸正規化有效地將模型的有效性擴充套件到一種無限，這種無限既可以定義為宇宙半徑的邊界（計算為460億光年），也可以定義為時間的開始。這種巨大的延伸基於一些具體的發現，例如埃德溫·哈勃在1929年觀察到宇宙似乎正在膨脹，以及1964年探測到微波背景輻射。但考慮到所涉及的尺度，這些有限的觀測對宇宙學理論產生了巨大的影響。
當然，廣義相對論的有效性很可能在我們自身家園附近就失效了，而不是在假設的宇宙盡頭。如果真是這樣，那麼今天由多層理論構成的大爆炸正規化大廈，將變成一個令人困惑的混合體，其中既有為了維護模型而發明的虛構怪物，也有經驗上有效的變數，這些變數相互依賴，以至於無法區分科學與虛構。
更糟糕的是，大多數宇宙觀測都是實驗性的和間接的。今天的太空望遠鏡無法直接觀察到任何東西——它們透過理論預測和可塑引數的相互作用來產生測量結果，模型參與了每一步。框架實際上框定了問題；它決定了在哪裡以及如何觀察。因此，儘管涉及先進的技術和方法，但這項事業的深刻侷限性也增加了被無法計算的假設誤導的風險。
在從科學哲學角度研究宇宙物理學的基礎多年之後，我對聽到一些科學家公開談論宇宙學危機並不感到驚訝。在幾年前《大眾科學》雜誌上關於“暴脹辯論”的大討論中，大爆炸正規化的一個關鍵組成部分受到了該理論最初提出者之一的批評，認為它已變得無法作為科學理論進行辯護。
為什麼？因為暴脹理論依賴於特設的權宜之計來適應幾乎所有資料，並且因為它提出的物理場沒有任何經驗依據。這可能是因為暴脹的一個關鍵功能是彌合從不可知的大爆炸到我們今天可以認知的物理學的過渡。那麼，它是科學還是一個方便的發明？
一些天體物理學家，例如邁克爾·J·迪士尼，批評大爆炸正規化缺乏已證實的確定性。在他的分析中，該理論框架的確定性觀測遠少於可供調整的自由引數——所謂的“負顯著性”對於任何科學來說都是一個令人擔憂的跡象。正如迪士尼在《美國科學家》雜誌中寫道：“懷疑論者有權認為，在花費了如此多的時間、精力和修飾之後，負顯著性只不過是人們對一個不斷重新編輯以適應不便的新觀測結果的民間故事的期望。”
正如我在我的新書《形而上學的實驗》中所討論的那樣，當前問題背後有著更深層次的歷史。大爆炸假說本身最初是廣義相對論 undergoing remodeling 的間接結果。愛因斯坦對宇宙做了一個基本假設，即宇宙在空間和時間上都是靜態的，為了使他的方程成立，他添加了一個“宇宙學常數”，他坦率地承認這個常數沒有任何物理依據。
但是，當哈勃觀察到宇宙正在膨脹，而愛因斯坦的解決方案似乎不再有意義時，一些數學物理學家試圖改變模型的一個基本假設：宇宙在所有空間方向上都是相同的，但在時間上是變化的。並非微不足道的是，這個理論帶來了一個非常有希望的好處：宇宙學和核物理學可能合併。原子這個大膽的新模型也能解釋我們的宇宙嗎？
從一開始，該理論就只針對一個明確假設事件的直接後果，該事件的主要功能是作為極限條件，即理論崩潰的點。大爆炸理論並沒有說明大爆炸本身；它更像是解決廣義相對論的一個可能的假設前提。
在這個無法證實但非常有成效的假設之上，一層又一層地完整新增，尺度大幅擴充套件，並且出現了新的差異。為了解釋與廣義相對論不一致的星系觀測結果，暗物質的存在被假定為一種未知的、不可見的物質形式，據計算，它構成了宇宙中超過四分之一的質能含量——當然，前提是該框架是普遍有效的。1998年，當一組對加速星系的超新星測量結果似乎與該框架相悖時，出現了一種關於神秘力量的新理論，稱為暗能量，據計算，它佔據了宇宙中大約70%的質能。
今天宇宙學正規化的關鍵在於，為了維持一個對整個宇宙都有效的數學統一理論，我們必須接受，我們宇宙的95%是由完全未知的元素和力量構成的，而我們對此沒有任何經驗證據。一位科學家要對這幅圖景充滿信心，就需要對數學統一的力量抱有非凡的信念。
最終，宇宙學的難題在於它依賴於框架作為進行研究的必要前提。正如天體物理學家迪士尼也指出的那樣，由於缺乏明確的替代方案，宇宙學在某種意義上陷入了這個正規化。新增新的理論樓層似乎比重新思考基本原理更務實。
與科學理想中逐步接近真理相反，宇宙學看起來更像是，借用技術研究中的一個術語，已經變得路徑依賴：過度地受到其過去發明的暗示的決定。
本文基於明尼蘇達大學出版社出版的圖書《形而上學的實驗：物理學與宇宙的發明》的編輯摘錄。