在關於大爆炸、暗物質和其他問題上，宇宙學家們是否在自我欺騙？

2020-09-05 天文在線

科學家一定正確嗎？他們也許也被自己欺騙啦！

圖片來源：美國國家航空航天局/歐洲航天局/太空望遠鏡科學研究所，圖為Abell 2744星系團和引力透鏡效應下的背景星系，該圖與愛因斯坦廣義相對論裡的描述相符合。

理察·費曼曾說過：「科學研究的第一要義是絕對不能自我欺騙，最容易上當受騙的反而是我們自己」。從氣候變化到宇宙學，科學懷疑論者常常指責科學家出於無知或者捍衛自己工作的目的，可能一直在自我欺騙。這樣的批評顯然是沒有根據的，但是卻不可避免了提出了一個有趣的問題：我們如何知道自己不是被自己愚弄了呢？

一種很普遍的科學觀點是科學實驗應該經得起反覆檢驗。假設你有一個科學模型，你需要根據模型做出清晰的推斷，並只有在檢驗之後，才能確認你做出的推斷是否能驗證你的模型。有時候評論家會因此認為只有通過實驗室裝置檢驗過的才是真正的科學，但實驗室科學只是科學的一部分。像宇宙學這樣的觀測科學也得接受檢驗。新的觀測證據也有可能與現有的理論相悖。舉個例子，如果我看到一千隻天鵝都是白色的，我會認為所有的天鵝都是白色的。但是，只要有一隻黑天鵝出現，這個論斷就會被推翻。正因如此，科學理論並不是絕對的，而是需要用新出現的證據不斷印證檢驗 。

圖片來源：塞爾吉奧·瓦萊·杜阿爾特，由c.c.-by-s.a. 4.0.許可協議許可

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儘管這種說法在技術層面上沒有錯，但是稱既定的科學理論有待檢測還是有誤導性的。比如說，在被愛因斯坦的廣義相對論取代之前，牛頓的萬有引力定律已經存在了幾個世紀。雖然我們現在認為牛頓萬有引力理論也許是錯誤的，但它卻和從前一樣有效。現在我們都知道牛頓萬有引力模型是用來描述質量體之間的引力作用，而且直到今天我們還在通過萬有引力模型來推算軌道軌跡，並能得到一個相當準確的近似值。只有當我們的觀察擴展到牛頓萬有引力非常廣泛的適用範圍之外時，才需要藉助愛因斯坦的廣義相對論。

若一種科學理論是根據一系列證據建立起來的，那麼儘管面臨著新證據的挑戰，我們還是可以相信這一理論是有效的。換句話說，理論只要經過徹底的檢驗就可以看作是真的，但是，新的機制方法也許會發現意想不到結果，促進理論的進步和完善。科學理論本質上都是試驗性的，但它們的不確定性卻不至於讓我們懷疑科學理論的準確性。這種不確定的試驗性恰如其分，但也對既定的理論提出了挑戰。既然我們永遠也無法知道我們的實驗結果是否是真正的結果，那麼我們該如何確認我們不是在引導結果朝著自己期待的方向進行呢？


測算出的光速值隨著時間變化。改編自赫裡翁 &菲施霍夫(1986)

物理入門課上經常出現這種情況。學生們分配到任務，需要測量一些像是重力加速度和雷射波長等實驗值。這些實驗新手們有時候會犯一些低級錯誤，導致測出的實驗結果和預期值並不相符。為了發現錯誤他們會重新檢查實驗過程。但是如果錯誤並不明顯或者被其他因素抵消了，他們通常不會重現檢查實驗過程。因為在實驗結果和預期值相差不多的情況下，他們會認為自己的實驗過程沒有錯誤。在證實結果的問題上我們都會有這樣的偏見，即使是最有經驗的研究者也不例外。這種偏見一直都存在，在測量電子的電荷數和光速時，如果最初的實驗結果有一點偏差，那接下來的實驗測出的數值會更偏向更早些時候的實驗結果。

宇宙時間軸。圖片來源：美國國家航空航天局/威爾金森微波各向異性探測器科學團隊，由瑞安·卡達裡修改。

目前在宇宙學領域中，我們有一個和觀測結果非常接近的模型，叫作ΛCDM模型。之所以如此命名是因為這個模型包含了暗物質（用希臘字母中的第十一個「Λ」表示）和冷暗物質（CDM）。對於這個模型的大部分改進主要是在精確模型中的某些特定參數，比如宇宙的年齡，哈勃參數和暗物質的密度。如果ΛCDM模型確實能夠準確地描述宇宙，那麼對於上述參數的無偏差測量應該基於一個統計模式。通過研究這些參數的歷史值，我們便可以確定這些測量是否存在偏差。

圖片來源：維基共享用戶丹·肯納

為了探究這種模式是如何運行的，我們可以想像十二名學生正在測量黑板的長度。從數據上看，有些學生測出的數據會比黑板長度的實際數值長一些或者短一些。按正常情況來看，如果黑板長度的實際值是183釐米（偏差在1釐米以內），那麼大概會有8名學生的測量值為182-184釐米。但是假設所有學生的測量值都落在這個區間內，你可能就會懷疑結果是否存在偏差。例如，一些學生也許測出黑板的長度大概6英尺（182.88釐米）寬，那麼他們就會認為黑板長度是183釐米。反過來，如果他們的測量結果都太過精準，他們反而會懷疑自己的實驗可能存在偏差。

在宇宙學中，很多參數廣為人知。所以研究人員在進行新實驗時，他們已經預知了實驗結果的數值。那麼實驗結果是否是在之前結果的影響下而有偏差呢。《物理學評論季刊》的最新一項研究正圍繞這一問題展開。研究人員通過分析12個不同宇宙參數的637項測算結果來研究數據分布規律。由於不知道這些宇宙參數的實際值，作者把威爾金森微波各向異性探測器的7個數值作為準確值。研究人員發現結果數據的分布太過於接近準確值。這個影響並不大，因為這可能是由預期偏差導致的。但是這和我們所預期的效果截然不同，這意味著我們太過於高估實驗中的不確定性因素。同時，這也意味著2013年普朗克數據公布時，參數的變化已經超過了大部分宇宙學家測量出的數據區間。


圖片來源：普朗克合作小組/ P.A.R. 阿德等人，由E. 西格爾注釋

當然，這並不意味著我們現有的宇宙模型是錯誤的，可是這的確提醒了我們在宇宙參數的準確度上不要太過自信。幸運的是，我們還有辦法確認數據上的異常是因為一定程度上的偏見，如匿情分析，還是因為提倡更多的公開數據，使其他團隊運用自己的模型和相同的原始數據進行再次分析。這一項新的工作顯示了宇宙學家們並沒有在欺騙自己，他們的數據、方法和分析還有更多精進的的空間。

作者: Starts With A Bang Contributor Group

FY: Icarus

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    暗物質是一種看不見的東西，其引力被認為是可以將星系保持在一起，這可能是物理學中最不令人滿意的概念。但是，如果要擺脫它，一項新的研究發現，需要用更奇怪的東西代替它：引力會在一定距離處將巨大物體拉在一起，而在其他距離處會將它們推離分開。該研究分析強調了解釋暗物質的難度。
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  • 數世紀以來,科學家被這個問題困擾著:宇宙和空間的形狀是什麼?
    當然，這些問題屬於宇宙學範疇，換句話說，就是研究宇宙。為了研究它，人們已經嘗試了許多方法，例如數學、物理和哲學的方法。關於宇宙是什麼樣子，宇宙學家並沒有達成共識，但存在許多理論。描述一個空間問題是很難將它可視化，過去，我們習慣於把「位置」想像成是二維的。