我们宇宙的故事可能正在开始解开

弗兰克博士是罗切斯特大学的天体物理学家。Gleiser 博士是达特茅斯学院的理论物理学家。

去年，詹姆斯·韦伯太空望远镜开始从外太空传回令人惊叹的行星和星云图像后不久，天文学家虽然眼花缭乱，但不得不承认有些不对劲。八个月后，根据望远镜所揭示的部分内容，我们开始看起来似乎需要重新思考宇宙起源和发展的关键特征。

作为 NASA、欧洲航天局和加拿大航天局的联合项目，Webb 于 2021 年底启动，它是一种具有无与伦比的观察能力的工具，它正在执行一项令人兴奋的任务，即回顾过去，实际上，第一个恒星和星系。但韦伯的第一个重大发现令人兴奋，但又令人不安：它发现了完全形成的星系的存在，其时间远远早于所谓的宇宙学标准模型所应有的时间。

标准模型是该领域几乎所有研究的基础，根据标准模型，大爆炸之后发生了一系列固定且精确的事件：首先，重力将冷却的宇宙气体中较致密的区域拉在一起，这成长为恒星和黑洞;然后，引力将恒星拉到一起形成星系。

然而，韦伯数据表明，一些非常大的星系形成得非常快，而且时间太短，至少根据标准模型是这样。这不是一个小差异。这一发现类似于当祖父母自己还是孩子时，父母和他们的孩子出现在故事​​中。

不幸的是，这并不是一个孤立的事件。最近还发生过其他一些情况，其中科学对宇宙的基本理解背后的证据被发现令人震惊地不一致。

以宇宙膨胀的速度为例。这是宇宙学的一个基本事实——所谓的哈勃常数——但科学家们还无法确定一个数字。计算它的主要方法有两种：一种涉及早期宇宙的测量(例如韦伯提供的那种);另一种涉及早期宇宙的测量(例如韦伯提供的那种)。另一个涉及对现代宇宙中附近恒星的测量。尽管经过数十年的努力，这两种方法仍然得出不同的答案。

起初，科学家们预计随着数据的改善，这种差异会得到解决。但即使数据变得更加精确，问题仍然顽固地存在。现在，韦伯的新数据加剧了这个问题。这种趋势表明模型存在缺陷，而不是数据存在缺陷。

宇宙学标准模型的两个严重问题就足够令人担忧了。但在过去的半个世纪里，该模型已经被多次修补，以更好地符合现有的最佳数据——这些改变很可能是必要和正确的，但鉴于我们现在面临的问题，这些改变可能会引起怀疑。因为有点太方便了。

物理学家和天文学家开始意识到有些事情可能真的出了问题。这不仅是因为我们中的一些人认为我们可能必须重新思考宇宙学的标准模型;我们可能还必须改变我们对宇宙一些最基本特征的思考方式——一场概念革命，其影响将远远超出科学世界。

宇宙学的标准模型是来之不易的数据和稀有的抽象数学物理的有力结合，被正确地理解为人类聪明才智的胜利。它起源于埃德温·哈勃 (Edwin Hubble)在 20 年代发现宇宙正在膨胀——这是大爆炸的第一个证据。然后，在 1964 年，射电天文学家发现了所谓的宇宙微波背景，即宇宙开始膨胀后不久到达我们的“化石”辐射。这一发现告诉我们，早期宇宙是一锅炽热、致密的亚原子粒子汤，此后一直在不断冷却并变得密度更低。

在过去的 60 年里，宇宙学在解释有关宇宙的最佳可用数据方面变得越来越精确。但一路走来，为了获得如此高的精确度，天体物理学家不得不假设我们没有直接证据的宇宙成分的存在。今天的标准模型认为，“正常”物质——构成人类、行星以及我们能看到的其他一切的物质——只占宇宙的4% 左右。其余的是看不见的东西，称为暗物质和暗能量(大约 27% 和 68%)。

宇宙膨胀是对标准模型进行的另一种奇异调整的一个例子。该理论于 1981 年提出，旨在解决旧版大爆炸产生的悖论，认为早期宇宙在大爆炸后的几分之一秒内呈指数级快速膨胀。该理论解决了某些问题，但也造成了其他问题。值得注意的是，根据该理论的大多数版本，我们的宇宙并不是一个宇宙，而是一个多元宇宙中的一个宇宙——无数个宇宙，其中的其他宇宙对于我们来说可能永远无法观察到，不仅在实践中而且在原则上。

标准模型的这些功能本质上并没有什么可疑之处。科学家经常发现我们看不到的事物的良好间接证据，例如黑洞内的高密度奇点。但在韦伯关于星系形成的令人困惑的数据以及哈勃常数问题日益恶化之后，你不能因为开始怀疑模型是否脱节而受到指责。

此时经常会抛出一个有关科学如何运作的熟悉的叙述来缓解焦虑。事情是这样的：研究人员认为他们有一个成功的理论，但新数据显示它是有缺陷的。科学家们勇敢地卷起袖子，回到黑板前，想出新的想法，使他们能够通过更好地匹配证据来改进他们的理论。

这是一个关于谦卑和胜利的故事，我们科学家喜欢讲述它。本例中也可能会发生这种情况。也许韦伯迫使我们面对的问题的解决方案只需要宇宙学家想出一种新的“黑暗”东西或其他东西，让我们的宇宙图景继续与最好的宇宙学数据相匹配。

然而，还有另一种可能性。我们可能正处于一个需要彻底偏离标准模型的时刻，甚至可能需要我们改变对宇宙基本组成部分的看法，甚至可能改变对空间和时间本质的看法。

宇宙学与其他科学不同。这不像在迷宫中研究老鼠或在实验室的烧杯中观察化学物质沸腾。宇宙就是一切;只有一个，我们无法从外面看到它。你不能把它放在桌子上的盒子里并对其进行受控实验。因为它包罗万象，宇宙学迫使科学家们解决有关科学运作的环境的问题：时间的本质、空间的本质、规律性的本质、观察者进行观察的角色。

这些稀有问题不会出现在大多数“常规”科学中(尽管在意识科学和量子物理学中也会遇到类似的神秘问题)。宇宙学家的工作如此接近科学和哲学的边界，他们不断地被隐藏在我们使用的工具中看不见的基本假设的幽灵所困扰——比如科学定律不会随着时间而改变的假设。

但这正是我们可能必须开始质疑的假设，以便找出标准模型的问题所在。物理学家李·斯莫林和哲学家罗伯托·曼加贝拉·昂格尔提出的一种可能性是，物理定律可以随着时间的推移而演变和改变。不同的法律甚至可能会争夺有效性。物理学家约翰·惠勒讨论的一种更激进的可能性是，每一次观察行为都会影响宇宙的未来甚至过去的历史。(惠勒博士致力于理解量子力学的悖论，构想了一个“参与性宇宙”，其中每一次观察行为在某种意义上都是一种新的创造行为。)

至少可以说，这种对科学的革命性重新思考如何帮助我们更好地理解令我们困惑的宇宙学数据，这一点并不明显。(部分困难在于数据本身是由收集数据的人的理论假设决定的。)退后一步并重新思考我们的科学基础知识必然是一种信仰的飞跃。

但革命最终可能是进步的最佳途径。过去的科学突破，如哥白尼的日心说、达尔文的进化论和爱因斯坦的相对论，情况确实如此。所有这三种理论最终都产生了巨大的文化影响——威胁了我们对自己在宇宙中特殊地位的认识，挑战了我们与其他动物根本不同的直觉，颠覆了我们对时间流动常识的信念。我们想象中的任何科学革命都可能对我们对自己的理解产生类似的影响。

哲学家罗伯特·克里斯(Robert Crease)写道，当做更多的科学研究可能无法回答科学问题时，哲学是所需要的。目前还不清楚这是否是克服宇宙学危机所需要的。但如果更多的调整和调整不起作用，我们可能不仅需要一个新的宇宙故事，还需要一种新的方式来讲述宇宙的故事。