Galaksi yang besar dan kabur ini sangat tersebar sehingga para astronom menyebutnya galaksi

Satu-satunya Masalah Besar Kosmologi Adalah Kesalahpahaman yang dihasilkan

Perkara gelap, tenaga gelap, inflasi dan Big Bang adalah nyata, dan alternatif semuanya gagal dengan hebat.

Sekiranya anda mengikuti berita sains terkini, anda mungkin akan mengetahui banyak kontroversi mengenai sifat Alam Semesta itu sendiri. Bahan gelap, yang dianggap melebihi zat atom normal dengan nisbah 5-ke-1, mungkin tidak perlu, dan digantikan oleh pengubahsuaian terhadap undang-undang graviti kita. Tenaga gelap, yang merangkumi dua pertiga dari Alam Semesta, bertanggungjawab untuk pengembangan ruang yang dipercepat, tetapi kadar pengembangan itu sendiri tidak dipersetujui. Dan inflasi kosmik baru-baru ini dikecam oleh beberapa orang sebagai tidak saintifik, kerana beberapa pengkritiknya mengatakan bahawa ia dapat meramalkan apa-apa, dan oleh itu tidak meramalkan apa-apa.

Sekiranya anda menambahkan semuanya bersama, seperti yang dilakukan oleh ahli falsafah Bjørn Ekeberg dalam karya terbarunya untuk Scientific American, anda mungkin menganggap kosmologi berada dalam krisis. Tetapi jika anda seorang saintis yang teliti, sebaliknya adalah benar. Inilah sebabnya.

Sekiranya anda melihat lebih jauh dan lebih jauh, anda juga melihat lebih jauh dan lebih jauh ke masa lalu. Semakin awal anda pergi, semakin panas dan padat, serta kurang berkembang, Alam Semesta ternyata. Isyarat terawal dapat, bahkan, berpotensi, memberitahu kita tentang apa yang berlaku sebelum detik-detik Big Bang yang panas. (NASA / STSCI / A. FEILD (STSCI))

Ilmu pengetahuan lebih daripada sekadar sekumpulan fakta, walaupun pastinya bergantung pada rangkaian lengkap data dan maklumat yang telah kami kumpulkan mengenai dunia semula jadi. Sains juga merupakan suatu proses, di mana teori dan kerangka yang berlaku dihadapkan dengan sebanyak mungkin ujian novel, yang bertujuan untuk mengesahkan atau membantah ramalan yang timbul dari idea-idea kita yang paling berjaya.

Di sinilah sempadan sains terletak: di tepi kesahan teori terkemuka kami. Kami membuat ramalan, kami keluar dan mengujinya secara eksperimen dan pemerhatian, dan kemudian kami mengekang, menyemak semula, atau memperluas idea kami untuk menampung apa sahaja maklumat baru yang kami peroleh. Impian utama banyak orang adalah merevolusikan cara kita memahami dunia kita, dan mengganti teori kita sekarang dengan sesuatu yang lebih berjaya dan mendalam.

Jauh sebelum data dari BOOMERanG kembali, pengukuran spektrum CMB, dari COBE, menunjukkan bahawa cahaya sisa dari Big Bang adalah badan hitam yang sempurna. Salah satu penjelasan alternatif yang berpotensi adalah penerangan cahaya bintang yang dipantulkan, seperti yang diramalkan oleh model keadaan hampir stabil, tetapi perbezaan intensiti spektrum antara apa yang diramalkan dan diperhatikan menunjukkan bahawa alternatif ini tidak dapat menjelaskan apa yang dilihat. (E. SIEGEL / SELEPAS GALAXY)

Tetapi bukanlah tugas yang mudah untuk menghasilkan kejayaan teori saintifik terkemuka kita, lebih-lebih lagi melampaui batasan masa kini. Orang-orang yang terpikat dengan idea-idea yang bertentangan dengan pemerhatian yang kuat telah mengalami masa-masa sukar untuk melepaskan kesimpulan pilihan mereka. Ini telah menjadi tema berulang sepanjang sejarah sains, dan merangkumi:

  • Fred Hoyle enggan menerima Big Bang selama hampir 40 tahun setelah penemuan Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik,
  • Halton Arp menegaskan bahawa kuarsar bukanlah objek yang jauh, walaupun data berpuluh-puluh tahun menunjukkan bahawa peralihan merah mereka tidak dihitung,
  • Hannes Alfven dan pengikutnya kemudian menegaskan bahawa graviti tidak menguasai Alam Semesta pada skala besar, dan plasma menentukan struktur skala besar Alam Semesta, walaupun setelah banyak pengamatan telah menolak gagasan itu.

Walaupun sains itu sendiri tidak berat sebelah, saintis tidak begitu. Kita boleh menjadi mangsa bias kognitif yang sama dengan orang lain. Sebaik sahaja kita memilih kesimpulan pilihan kita, kita sering menipu diri sendiri melalui amalan penaakulan bermotivasi.

Gambarajah skematik sejarah Alam Semesta, menyoroti reionisasi. Sebelum bintang atau galaksi terbentuk, Alam Semesta penuh dengan atom-atom neutral yang menyekat cahaya. Walaupun sebahagian besar Alam Semesta tidak menjadi reionisasi sehingga 550 juta tahun selepas itu, dengan gelombang besar pertama terjadi sekitar 250 juta tahun, beberapa bintang yang beruntung dapat terbentuk hanya 50 hingga 100 juta tahun setelah Big Bang, dan dengan alat yang betul, kita mungkin mendedahkan galaksi terawal. (SG DJORGOVSKI ET AL., PUSAT MEDIA DIGITAL CALTECH)

Di sinilah kata-kata pepatah terkenal bahawa "fizik memajukan satu pengebumian pada satu masa" berasal. Pengertian ini pada asalnya dikemukakan oleh Max Planck dengan pernyataan berikut:

Kebenaran ilmiah baru tidak menang dengan meyakinkan lawannya dan membuat mereka melihat cahaya, melainkan kerana lawannya akhirnya mati, dan generasi baru tumbuh yang sudah terbiasa dengannya.

Masalah besar yang tidak akan disedari oleh banyak orang bukan saintis (dan bahkan beberapa saintis) ialah: anda selalu dapat mengaitkan idea teoretis anda untuk memaksa mereka menjadi layak, dan selaras dengan apa yang diperhatikan. Itulah sebabnya kuncinya, untuk teori apa pun, adalah membuat ramalan yang kuat lebih awal: sebelum pemerhatian atau pengukuran kritikal dilakukan. Dengan cara ini, anda dapat memastikan bahawa anda menguji teori anda, dan bukannya bermain-main dengan parameter selepas fakta.

Menurut hipotesis cahaya yang letih, jumlah foton per saat yang kita terima dari setiap objek jatuh berkadaran dengan kuadrat jaraknya, sementara jumlah objek yang kita lihat bertambah sebagai kuadrat jarak. Objek harus lebih merah, tetapi harus mengeluarkan bilangan foton per detik yang tetap sebagai fungsi jarak. Akan tetapi, di alam semesta yang berkembang, kita menerima lebih sedikit foton per saat seiring berjalannya waktu kerana mereka harus menempuh jarak yang lebih jauh ketika Alam Semesta mengembang, dan tenaga juga dikurangkan dengan pergeseran merah. Bahkan pemfaktoran dalam evolusi galaksi menghasilkan kecerahan permukaan yang berubah yang semakin redup pada jarak yang jauh, sesuai dengan yang kita lihat. (WIKIMEDIA COMMONS USER STIGMATELLA AURANTIACA)

Ternyata, inilah persis bagaimana kita menggunakan model kosmologi terkemuka yang kita miliki sekarang, dalam hampir semua aspek.

Gagasan tentang Alam Semesta yang sedang berkembang diperkirakan secara teori oleh Alexander Friedmann pada tahun 1922, ketika ia memperoleh apa yang saya sebut sebagai persamaan terpenting di Alam Semesta. Pemerhatian Vesto Slipher, Edwin Hubble dan Milton Humason mengesahkan ini hanya beberapa tahun kemudian, yang mengarah pada gagasan moden tentang Semesta yang berkembang.

Menurut pemerhatian asal Penzias dan Wilson, pesawat galaksi memancarkan beberapa sumber radiasi astrofisik (tengah), sementara latar belakang radiasi yang hampir sempurna dan seragam wujud di atas dan di bawah pesawat itu. Suhu dan spektrum sinaran ini kini telah diukur, dan perjanjian dengan ramalan Big Bang sangat luar biasa. (PASUKAN SAINS NASA / WMAP)

Banyak penjelasan bersaing untuk asal usul Alam Semesta kemudian muncul, dengan Big Bang mempunyai empat batu penjelasan yang jelas:

  1. Alam Semesta yang berkembang,
  2. banyaknya unsur cahaya yang diramalkan, yang dibuat semasa peringkat Big Bang yang panas, padat,
  3. cahaya foton yang tinggal hanya beberapa darjah di atas sifar mutlak,
  4. dan pembentukan struktur berskala besar, dengan struktur yang mesti berkembang dengan jarak.

Keempat-empatnya kini telah diperhatikan, dengan tiga yang terakhir berlaku setelah Big Bang pertama kali diusulkan. Khususnya, penemuan cahaya foton yang tersisa pada pertengahan tahun 1960-an adalah titik tolak. Oleh kerana tidak ada kerangka lain yang dapat menjelaskan keempat-empat pengamatan ini, sekarang tidak ada alternatif yang layak untuk Big Bang.

Fluktuasi CMB, pembentukan dan korelasi antara struktur berskala besar, dan pemerhatian moden lensa graviti, antara lain, semuanya menunjuk pada gambar yang sama: Alam Semesta yang mempercepat, mengandungi dan penuh dengan bahan gelap dan tenaga gelap. Alternatif yang menawarkan ramalan yang boleh diperhatikan berbeza juga harus dipertimbangkan, tetapi dibandingkan dengan rangkaian bukti pemerhatian yang lengkap di luar sana. (CHRIS BLAKE DAN SAM MOORFIELD)

Dengan Alam Semesta yang berkembang dan menyejukkan yang bermula dari keadaan panas, padat, materi dan radiasi, semuanya diatur oleh Relativiti Umum Einstein, ada sejumlah kemungkinan bagaimana Alam Semesta dapat terungkap, tetapi itu tidak terbatas nombor. Terdapat hubungan antara apa yang ada di Alam Semesta dan bagaimana kadar pengembangannya berkembang, dan yang sangat membatasi apa yang mungkin.

Ini adalah satu-satunya pernyataan yang jelas sekali dalam karya Ekeberg.

Sebaik sahaja anda menerima Big Bang dan Alam Semesta yang diatur oleh Relativiti Umum, ada sejumlah besar bukti yang menunjukkan adanya materi gelap dan tenaga gelap. Ini bukan satu suite baru, tetapi juga yang telah dipasang sejak tahun 1970-an. Pesaing utama tenaga gelap jatuh kira-kira 15 tahun yang lalu, hanya meninggalkan Alam Semesta dengan bahan gelap dan tenaga gelap sebagai kosmologi yang layak untuk menjelaskan rangkaian bukti yang lengkap.

Kekangan tenaga gelap dari tiga sumber bebas: supernova, CMB dan BAO (yang merupakan ciri dalam struktur berskala besar Universe.) Perhatikan bahawa walaupun tanpa supernova, kita memerlukan tenaga gelap, dan hanya 1/6 dari perkara yang dijumpai boleh menjadi perkara biasa; selebihnya mestilah perkara gelap. (PROJEK KOSMOLOGI SUPERNOVA, AMANULLAH, ET AL., AP.J. (2010))

Itulah kunci yang sering diabaikan: anda harus meneliti rangkaian bukti yang lengkap dalam menilai kejayaan atau kegagalan teori atau kerangka kerja anda. Pasti, anda selalu dapat mencari pemerhatian individu yang menimbulkan kesukaran untuk dijelaskan oleh teori anda, tetapi itu tidak bermaksud anda boleh menggantinya dengan sesuatu yang berjaya menjelaskan satu pemerhatian tersebut.

Anda harus menanggung segala-galanya, ditambah dengan pemerhatian baru, dan fenomena baru yang belum diperhatikan.

Inilah masalah dengan setiap alternatif. Setiap alternatif untuk Alam Semesta yang berkembang, ke Big Bang, kepada masalah gelap, tenaga gelap, atau inflasi, semuanya gagal untuk menjelaskan apa sahaja yang telah diperhatikan, lebih-lebih lagi yang lain. Itulah sebabnya mengapa setiap saintis yang bekerja menganggap alternatif yang dicadangkan ini hanyalah kotak pasir, dan bukannya cabaran serius untuk konsensus arus perdana.

Galaksi kerdil Carina, sangat mirip dengan ukuran, taburan bintang, dan morfologi dengan galaksi kerdil Draco, menunjukkan profil graviti yang sangat berbeza dari Draco. Ini dapat dijelaskan dengan bersih dengan bahan gelap jika dapat dipanaskan oleh pembentukan bintang, tetapi tidak dengan graviti yang diubah. (ESO / G. BONO & CTIO)

Memang ada galaksi di luar sana tanpa bahan gelap, tetapi ini diramalkan oleh teori. Sebenarnya, hampir satu dekad yang lalu, seorang kontraktor terkenal menyatakan kekurangan galaksi tanpa bahan gelap dan mendakwa ia memalsukan model bahan gelap. Ketika galaksi-galaksi tanpa bahan gelap ditemui, saintis yang sama segera mendakwa mereka konsisten dengan graviti yang diubah. Tetapi hanya perkara gelap yang menjelaskan rangkaian bukti lengkap mengenai Alam Semesta.

Memang ada perbezaan antara dua kumpulan kumpulan yang berbeza yang berusaha mengukur kadar pengembangan Alam Semesta. Perbezaannya adalah 9%, dan dapat mewakili kesalahan mendasar dalam teknik satu kumpulan. Lebih menggembirakan, ini boleh menjadi tanda bahawa tenaga gelap atau aspek lain dari Alam Semesta lebih kompleks daripada anggapan kita yang naif. Tetapi tenaga gelap tetap diperlukan sama ada; satu-satunya "krisis" yang dibuat secara arif.

Petak kadar pengembangan yang jelas (paksi-y) berbanding jarak (paksi-x) selaras dengan Alam Semesta yang berkembang lebih pantas pada masa lalu, tetapi di mana galaksi yang jauh semakin cepat dalam kemelesetan mereka hari ini. Ini adalah versi moden, meluas ribuan kali lebih jauh daripada karya asal Hubble. Perhatikan hakikat bahawa titik tidak membentuk garis lurus, menunjukkan perubahan kadar pengembangan dari masa ke masa. Fakta bahawa Alam Semesta mengikuti lekukan yang dilakukannya menunjukkan adanya, dan penguasaan lewat waktu, tenaga gelap. (NED WRIGHT, BERDASARKAN DATA TERKINI DARI BETOULE ET AL. (2014))

Akhirnya, terdapat inflasi kosmik, fasa Alam Semesta yang berlaku sebelum Big Bang yang panas, mengatur keadaan awal alam semesta kita dilahirkan. Walaupun sering diejek oleh banyak pihak, inflasi tidak pernah dimaksudkan untuk menjadi jawaban terakhir, tetapi sebagai kerangka untuk menyelesaikan teka-teki yang tidak dapat dijelaskan oleh Big Bang dan membuat ramalan baru yang menggambarkan Alam Semesta awal.

Pada akaun ini, ia berjaya. Inflasi:

  1. berjaya menghasilkan semula semua ramalan Big Bang yang panas,
  2. menyelesaikan teka-teki cakrawala, kerataan, dan monopole yang menimpa Big Bang yang tidak inflasi,
  3. dan membuat enam ramalan novel yang berbeza dari Big Bang gaya lama, dengan sekurang-kurangnya empat daripadanya kini disahkan.
Fluktuasi kuantum yang berlaku semasa inflasi membentang di seluruh Alam Semesta, dan ketika inflasi berakhir, mereka menjadi turun naik kepadatan. Ini membawa, dari masa ke masa, ke struktur berskala besar di Alam Semesta hari ini, serta turun naik suhu yang diamati di CMB. Ramalan baru ini penting untuk menunjukkan kesahihan mekanisme penyesuaian. (E. SIEGEL, DENGAN GAMBAR YANG DIBERIKAN DARI ESA / PLANCK DAN DOE / NASA / NSF INTERAGENCY TASK FORCE ON CMB PENYELIDIKAN)

Untuk mengatakan bahawa kosmologi mempunyai beberapa teka-teki yang menarik adalah menarik; mengatakan bahawa ia mempunyai masalah besar bukanlah sesuatu yang akan disetujui oleh kebanyakan ahli kosmologi. Ekeberg membincangkan Big Bang inflasi dengan bahan gelap dan tenaga gelap seperti berikut:

Kisah yang terkenal ini biasanya diambil sebagai fakta saintifik yang dapat dibuktikan sendiri, walaupun terdapat kekurangan bukti empirikal - dan walaupun terdapat banyak perbezaan yang timbul dengan pengamatan alam semesta yang jauh.

Untuk berpendapat bahawa terdapat kekurangan bukti empirikal untuk ini benar-benar salah memahami apa itu sains atau bagaimana sains berfungsi, secara umum dan khusus dalam bidang ini, di mana data berlimpah dan berkualiti. Menunjuk kepada "perbezaan yang tetap" adalah tidak tepat - dan saya berani sengaja - salah membaca bukti, yang digunakan oleh Ekeberg untuk memajukan agenda anti-sains yang solipsistik, kosong secara filosofis.

Banyak galaksi berdekatan, termasuk semua galaksi kumpulan tempatan (kebanyakannya berkerumun di kiri paling kiri), memperlihatkan hubungan antara penyebaran jisim dan halaju mereka yang menunjukkan adanya jirim gelap. NGC 1052-DF2 adalah galaksi pertama yang diketahui nampaknya terbuat dari bahan normal sahaja. (DANIELI ET AL. (2019), ARXIV: 1901.03711)

Kita harus selalu mengetahui batasan dan andaian yang wujud dalam setiap hipotesis saintifik yang kita kemukakan. Setiap teori mempunyai rangkaian kesahan yang telah ditetapkan, dan julat di mana kita memperluas ramalan kita melewati batas yang diketahui. Teori hanya sama baiknya dengan ramalan yang dapat disahkan; mendorong ke wilayah pemerhatian atau eksperimen baru adalah tempat kita mesti melihat jika kita berharap dapat menggantikan pemahaman kita sekarang.

Tetapi kita tidak boleh melupakan atau membuang kejayaan Relativiti Umum yang ada, Alam Semesta yang berkembang, Big Bang, bahan gelap, tenaga gelap, atau inflasi. Melangkaui teori semasa merangkumi - sebagai syarat wajib - merangkumi dan menghasilkan kemenangan mereka. Sehingga alternatif yang kuat dapat mencapai ambang itu, semua pengucapan "masalah besar" dengan paradigma yang berlaku harus ditangani untuk apa adanya: diatribes yang didorong oleh ideologi tanpa kelebihan ilmiah yang diperlukan untuk menyokongnya.

Bermula Dengan Bang kini ada di Forbes, dan diterbitkan semula di Medium terima kasih kepada penyokong Patreon kami. Ethan telah mengarang dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorder hingga Warp Drive.