本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
我们真的了解我们的宇宙吗？
宇宙起源于138亿年前的宇宙大爆炸，经历了快速膨胀和冷却，至今仍在加速膨胀，并且主要由未知的暗物质和暗能量构成……对吗？
尽管缺乏足够的经验证据，并且在遥远宇宙的观测中不断出现差异，这个广为人知的故事通常被认为是毋庸置疑的科学事实。
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最近几个月，对哈勃常数（宇宙膨胀率）的新测量表明，两种独立的计算方法之间存在重大差异。膨胀率的差异不仅对计算本身，而且对宇宙学当前标准模型在极端宇宙尺度下的有效性都具有重大影响。
另一项最新的探测发现，一些星系与暗物质理论不符。暗物质理论假设这种假想物质无处不在。但根据最新的测量，情况并非如此，这表明该理论需要重新审视。
也许值得停下来问问，为什么天体物理学家假设暗物质在宇宙中无处不在。答案在于宇宙物理学中一个不常被提及的奇特特征。诸如暗物质、暗能量和暴胀之类的理论（每一种都以自己的方式与大爆炸范式联系在一起）的关键功能，并非描述已知的经验现象，而是为了在解释不一致的观测结果的同时，维持框架本身的数学连贯性。从根本上说，它们是某些必须存在的事物的名称，只要该框架被假定为普遍有效。
当然，观测与理论之间每次新的差异本身都可以被视为对更多研究的令人兴奋的承诺，是对真理的渐进式完善。但是，当这些差异累积起来时，它们也可能暗示一个更令人困惑的问题，而这个问题无法通过调整参数或添加新变量来解决。
考虑问题的背景及其历史。作为一门以数学为驱动的科学，宇宙物理学通常被认为是极其精确的。但是，宇宙不同于地球上任何科学研究对象。一个基于我们自身微小邻域作为唯一已知样本的全宇宙理论，需要大量的简化假设。当这些假设被放大并延伸到广阔的距离时，误差的可能性就会增加，而我们非常有限的测试手段更进一步加剧了这种情况。
从历史上看，牛顿的物理定律构成了一个理论框架，该框架在我们的太阳系中以惊人的精度运作。例如，天王星和海王星都是通过基于牛顿模型的预测发现的。但是，随着尺度变得更大，它的有效性被证明是有限的。爱因斯坦的广义相对论框架提供了超越我们银河系最远范围的更广泛、更精确的延伸。但它究竟能走多远呢？
20世纪中期出现的大爆炸范式有效地将模型的有效性扩展到一种无限，这种无限既可以定义为宇宙半径的边界（计算为460亿光年），也可以定义为时间的开始。这种巨大的延伸基于一些具体的发现，例如埃德温·哈勃在1929年观察到宇宙似乎正在膨胀，以及1964年探测到微波背景辐射。但考虑到所涉及的尺度，这些有限的观测对宇宙学理论产生了巨大的影响。
当然，广义相对论的有效性很可能在我们自身家园附近就失效了，而不是在假设的宇宙尽头。如果真是这样，那么今天由多层理论构成的大爆炸范式大厦，将变成一个令人困惑的混合体，其中既有为了维护模型而发明的虚构怪物，也有经验上有效的变量，这些变量相互依赖，以至于无法区分科学与虚构。
更糟糕的是，大多数宇宙观测都是实验性的和间接的。今天的太空望远镜无法直接观察到任何东西——它们通过理论预测和可塑参数的相互作用来产生测量结果，模型参与了每一步。框架实际上框定了问题；它决定了在哪里以及如何观察。因此，尽管涉及先进的技术和方法，但这项事业的深刻局限性也增加了被无法计算的假设误导的风险。
在从科学哲学角度研究宇宙物理学的基础多年之后，我对听到一些科学家公开谈论宇宙学危机并不感到惊讶。在几年前《大众科学》杂志上关于“暴胀辩论”的大讨论中，大爆炸范式的一个关键组成部分受到了该理论最初提出者之一的批评，认为它已变得无法作为科学理论进行辩护。
为什么？因为暴胀理论依赖于特设的权宜之计来适应几乎所有数据，并且因为它提出的物理场没有任何经验依据。这可能是因为暴胀的一个关键功能是弥合从不可知的大爆炸到我们今天可以认知的物理学的过渡。那么，它是科学还是一个方便的发明？
一些天体物理学家，例如迈克尔·J·迪士尼，批评大爆炸范式缺乏已证实的确定性。在他的分析中，该理论框架的确定性观测远少于可供调整的自由参数——所谓的“负显著性”对于任何科学来说都是一个令人担忧的迹象。正如迪士尼在《美国科学家》杂志中写道：“怀疑论者有权认为，在花费了如此多的时间、精力和修饰之后，负显著性只不过是人们对一个不断重新编辑以适应不便的新观测结果的民间故事的期望。”
正如我在我的新书《形而上学的实验》中所讨论的那样，当前问题背后有着更深层次的历史。大爆炸假说本身最初是广义相对论 undergoing remodeling 的间接结果。爱因斯坦对宇宙做了一个基本假设，即宇宙在空间和时间上都是静态的，为了使他的方程成立，他添加了一个“宇宙学常数”，他坦率地承认这个常数没有任何物理依据。
但是，当哈勃观察到宇宙正在膨胀，而爱因斯坦的解决方案似乎不再有意义时，一些数学物理学家试图改变模型的一个基本假设：宇宙在所有空间方向上都是相同的，但在时间上是变化的。并非微不足道的是，这个理论带来了一个非常有希望的好处：宇宙学和核物理学可能合并。原子这个大胆的新模型也能解释我们的宇宙吗？
从一开始，该理论就只针对一个明确假设事件的直接后果，该事件的主要功能是作为极限条件，即理论崩溃的点。大爆炸理论并没有说明大爆炸本身；它更像是解决广义相对论的一个可能的假设前提。
在这个无法证实但非常有成效的假设之上，一层又一层地完整添加，尺度大幅扩展，并且出现了新的差异。为了解释与广义相对论不一致的星系观测结果，暗物质的存在被假定为一种未知的、不可见的物质形式，据计算，它构成了宇宙中超过四分之一的质能含量——当然，前提是该框架是普遍有效的。1998年，当一组对加速星系的超新星测量结果似乎与该框架相悖时，出现了一种关于神秘力量的新理论，称为暗能量，据计算，它占据了宇宙中大约70%的质能。
今天宇宙学范式的关键在于，为了维持一个对整个宇宙都有效的数学统一理论，我们必须接受，我们宇宙的95%是由完全未知的元素和力量构成的，而我们对此没有任何经验证据。一位科学家要对这幅图景充满信心，就需要对数学统一的力量抱有非凡的信念。
最终，宇宙学的难题在于它依赖于框架作为进行研究的必要前提。正如天体物理学家迪士尼也指出的那样，由于缺乏明确的替代方案，宇宙学在某种意义上陷入了这个范式。添加新的理论楼层似乎比重新思考基本原理更务实。
与科学理想中逐步接近真理相反，宇宙学看起来更像是，借用技术研究中的一个术语，已经变得路径依赖：过度地受到其过去发明的暗示的决定。
本文基于明尼苏达大学出版社出版的图书《形而上学的实验：物理学与宇宙的发明》的编辑摘录。