Thiên hà lớn, trông mờ ảo này có sức lan tỏa đến nỗi các nhà thiên văn học gọi nó là thiên hà nhìn xuyên qua bởi vì họ có thể thấy rõ các thiên hà xa xôi phía sau nó. Vật thể ma quái, được phân loại là NGC 1052-DF2, không có vùng trung tâm đáng chú ý, hoặc thậm chí là xoắn ốc và đĩa, các đặc điểm điển hình của thiên hà xoắn ốc. Nhưng nó cũng không giống như một thiên hà hình elip, vì sự phân tán vận tốc của nó là sai. Ngay cả các cụm sao cầu của nó cũng là những quả cầu kỳ quặc: chúng lớn gấp đôi so với các nhóm sao điển hình được thấy trong các thiên hà khác. Tất cả những điều kỳ lạ này đều nhạt so với khía cạnh kỳ lạ nhất của thiên hà này: NGC 1052-DF2 rất gây tranh cãi vì rõ ràng là thiếu vật chất tối. Điều này có thể giải quyết một câu đố vũ trụ to lớn. (NASA, ESA, VÀ P. VAN DOKKUM (TRƯỜNG ĐẠI HỌC YALE))

Những vấn đề lớn duy nhất của vũ trụ học được tạo ra những hiểu lầm

Vật chất tối, năng lượng tối, lạm phát và Vụ nổ lớn là có thật, và các phương án đều thất bại một cách ngoạn mục.

Nếu bạn theo kịp những tin tức khoa học mới nhất, có lẽ bạn đã quen thuộc với một số lượng lớn các cuộc tranh cãi liên quan đến bản chất của Vũ trụ. Vật chất tối, được cho là vượt xa vật chất nguyên tử bình thường theo tỷ lệ 5 trên 1, có thể là không cần thiết, và được thay thế bằng một sửa đổi cho định luật hấp dẫn của chúng ta. Năng lượng tối, chiếm hai phần ba vũ trụ, chịu trách nhiệm cho việc mở rộng không gian được tăng tốc, nhưng bản thân tốc độ mở rộng thậm chí không được thỏa thuận. Và lạm phát vũ trụ gần đây đã bị một số người chế giễu là không khoa học, vì một số kẻ gièm pha tuyên bố nó có thể dự đoán bất cứ điều gì, và do đó không dự đoán được gì.

Nếu bạn kết hợp tất cả chúng lại với nhau, như triết gia Bjørn Ekeberg đã làm trong tác phẩm gần đây của ông cho Khoa học Mỹ, bạn có thể nghĩ vũ trụ học đang gặp khủng hoảng. Nhưng nếu bạn là một nhà khoa học tỉ mỉ, thì hoàn toàn ngược lại. Đây là lý do tại sao.

Nếu bạn nhìn xa hơn và xa hơn, bạn cũng nhìn xa hơn và xa hơn về quá khứ. Càng đi sớm, càng nóng và đặc hơn, cũng như ít phát triển hơn, Vũ trụ hóa ra. Các tín hiệu sớm nhất thậm chí có thể, cho chúng ta biết về những gì đã xảy ra trước thời điểm xảy ra vụ nổ lớn. (NASA / STSCI / A. FEILD (STSCI))

Khoa học không chỉ là một tập hợp các sự kiện, mặc dù nó chắc chắn dựa vào bộ dữ liệu và thông tin đầy đủ mà chúng ta đã thu thập về thế giới tự nhiên. Khoa học cũng là một quá trình, trong đó các lý thuyết và khuôn khổ phổ biến phải đối mặt với càng nhiều thử nghiệm mới lạ càng tốt, tìm cách xác nhận hoặc bác bỏ những dự đoán hệ quả của những ý tưởng thành công nhất của chúng ta.

Đây là nơi biên giới của khoa học nằm: ở rìa của tính hợp lệ của các lý thuyết hàng đầu của chúng tôi. Chúng tôi đưa ra dự đoán, chúng tôi ra ngoài và kiểm tra chúng bằng thực nghiệm và quan sát, sau đó chúng tôi hạn chế, sửa đổi hoặc mở rộng ý tưởng của mình để phù hợp với bất kỳ thông tin mới nào chúng tôi có được. Ước mơ cuối cùng của nhiều người là cách mạng hóa cách chúng ta quan niệm về thế giới của chúng ta, và thay thế các lý thuyết hiện tại của chúng ta bằng một thứ thậm chí còn thành công và sâu sắc hơn.

Rất lâu trước khi dữ liệu từ BOOMERanG quay trở lại, phép đo phổ của CMB, từ COBE, đã chứng minh rằng ánh sáng còn sót lại từ Big Bang là một vật đen hoàn hảo. Một giải thích thay thế tiềm năng là ánh sáng sao phản xạ, như mô hình trạng thái ổn định gần như dự đoán, nhưng sự khác biệt về cường độ quang phổ giữa những gì được dự đoán và quan sát cho thấy sự thay thế này không thể giải thích những gì nhìn thấy. (E. SIEGEL / BEYOND GALAXY)

Nhưng nó không phải là một nhiệm vụ dễ dàng để tái tạo những thành công của các lý thuyết khoa học hàng đầu của chúng tôi, ít hơn nhiều để vượt qua các giới hạn hiện tại của chúng. Những người say mê với những ý tưởng mâu thuẫn với những quan sát mạnh mẽ đã có những thời điểm khó khăn nổi tiếng buông bỏ những kết luận ưa thích của họ. Đây là một chủ đề định kỳ trong suốt lịch sử của khoa học, và bao gồm:

  • Fred Hoyle từ chối chấp nhận Big Bang trong gần 40 năm sau khi phát hiện ra Bối cảnh vi sóng vũ trụ,
  • Halton Arp khẳng định rằng các quasar không phải là vật thể ở xa, mặc dù hàng thập kỷ dữ liệu chứng minh rằng các dịch chuyển đỏ của chúng không được lượng tử hóa,
  • Hannes Alfven và những người theo sau này khẳng định rằng lực hấp dẫn không thống trị Vũ trụ trên quy mô lớn và các plasma xác định cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ, ngay cả sau khi vô số quan sát đã bác bỏ ý tưởng này.

Mặc dù bản thân khoa học có thể không thiên vị, nhưng các nhà khoa học thì không. Chúng ta có thể trở thành con mồi cho những thành kiến ​​nhận thức giống như bất kỳ ai khác có thể. Một khi chúng ta chọn kết luận ưa thích của mình, chúng ta thường tự đánh lừa bản thân thông qua thực tiễn ngụy biện của lý luận có động lực.

Sơ đồ lịch sử của vũ trụ, làm nổi bật sự tái sinh. Trước khi các ngôi sao hoặc thiên hà hình thành, Vũ trụ chứa đầy các nguyên tử trung tính, chặn ánh sáng. Trong khi hầu hết Vũ trụ không được tái tạo cho đến 550 triệu năm sau đó, với những đợt sóng lớn đầu tiên xảy ra vào khoảng 250 triệu năm, một vài ngôi sao may mắn có thể hình thành chỉ sau 50 đến 100 triệu năm sau Vụ nổ lớn, và với đúng công cụ, chúng tôi có thể tiết lộ các thiên hà sớm nhất. (SG DJORGOVSKI ET AL., TRUNG TÂM TRUYỀN THÔNG KỸ THUẬT SỐ CALTECH)

Đó là nơi mà câu cách ngôn nổi tiếng mà vật lý học tiến lên trong một đám tang tại thời điểm đầu tiên xuất hiện. Khái niệm này ban đầu được Max Planck đưa ra với tuyên bố sau:

Một sự thật khoa học mới không chiến thắng bằng cách thuyết phục đối thủ và khiến họ nhìn thấy ánh sáng, mà là vì đối thủ của nó cuối cùng đã chết, và một thế hệ mới lớn lên quen thuộc với nó.

Vấn đề lớn mà nhiều người không phải là nhà khoa học (và thậm chí một số nhà khoa học) sẽ không bao giờ nhận ra là: bạn luôn có thể phản đối các ý tưởng lý thuyết của mình để buộc chúng trở nên khả thi và phù hợp với những gì được quan sát. Đó là lý do tại sao chìa khóa, đối với bất kỳ lý thuyết nào, là đưa ra dự đoán mạnh mẽ trước thời hạn: trước khi thực hiện quan sát hoặc đo lường quan trọng. Bằng cách này, bạn có thể chắc chắn rằng bạn đang kiểm tra lý thuyết của mình, thay vì mày mò các thông số sau thực tế.

Theo giả thuyết ánh sáng mệt mỏi, số lượng photon mỗi giây chúng ta nhận được từ mỗi vật thể giảm tỷ lệ với bình phương khoảng cách của nó, trong khi số lượng vật thể chúng ta thấy tăng lên khi bình phương của khoảng cách. Các đối tượng nên đỏ hơn, nhưng sẽ phát ra một số lượng photon mỗi giây không đổi dưới dạng hàm của khoảng cách. Tuy nhiên, trong một vũ trụ đang giãn nở, chúng ta nhận được ít photon mỗi giây hơn khi thời gian trôi qua vì chúng phải di chuyển quãng đường lớn hơn khi Vũ trụ giãn nở, và năng lượng cũng bị giảm khi dịch chuyển đỏ. Ngay cả việc bao thanh toán trong quá trình tiến hóa của thiên hà cũng dẫn đến độ sáng bề mặt thay đổi mờ hơn ở khoảng cách rất xa, phù hợp với những gì chúng ta thấy. (WIKIMEDIA CAM KẾT NGƯỜI DÙNG STIGMATELLA AURANTIACA)

Hóa ra, đây chính xác là cách chúng ta đối phó với mô hình vũ trụ hàng đầu mà chúng ta có ngày nay, trong hầu hết mọi vấn đề.

Khái niệm về Vũ trụ giãn nở đã được Alexander Friedmann dự đoán về mặt lý thuyết vào năm 1922, khi ông rút ra cái mà tôi gọi là phương trình quan trọng nhất trong Vũ trụ. Các quan sát của Vesto Slodes, Edwin Hubble và Milton Humason đã xác nhận điều này chỉ một vài năm sau đó, dẫn đến khái niệm hiện đại về Vũ trụ đang mở rộng.

Theo các quan sát ban đầu của Penzias và Wilson, mặt phẳng thiên hà phát ra một số nguồn phóng xạ vật lý (trung tâm), trong khi một nền bức xạ đồng nhất, gần như hoàn hảo tồn tại bên trên và bên dưới mặt phẳng đó. Nhiệt độ và phổ của bức xạ này hiện đã được đo và thỏa thuận với dự đoán của Big Bang là phi thường. (NHÓM KHOA HỌC NASA / WMAP)

Nhiều lời giải thích cạnh tranh cho nguồn gốc của Vũ trụ sau đó đã xuất hiện, với Vụ nổ lớn có bốn nền tảng rõ ràng:

  1. vũ trụ mở rộng,
  2. sự phong phú dự đoán của các yếu tố ánh sáng, được tạo ra trong giai đoạn đầu nóng, dày đặc của Big Bang,
  3. một ánh sáng còn sót lại của photon chỉ vài độ trên độ không tuyệt đối,
  4. và sự hình thành của cấu trúc quy mô lớn, với các cấu trúc phải phát triển theo khoảng cách.

Tất cả bốn trong số này hiện đã được quan sát, với ba trường hợp sau xảy ra sau khi Vụ nổ lớn được đề xuất lần đầu tiên. Cụ thể, việc phát hiện ra ánh sáng còn sót lại của các photon vào giữa những năm 1960 là điểm bùng phát. Vì không có khuôn khổ nào khác có thể giải thích cho bốn quan sát này, hiện tại không có lựa chọn thay thế khả thi nào cho Big Bang.

Sự dao động trong CMB, sự hình thành và tương quan giữa cấu trúc quy mô lớn và các quan sát hiện đại về thấu kính hấp dẫn, trong số nhiều thứ khác, tất cả đều hướng về cùng một bức tranh: một vũ trụ gia tốc, chứa và chứa đầy vật chất tối và năng lượng tối. Các lựa chọn thay thế cung cấp các dự đoán có thể quan sát khác nhau cũng phải được xem xét, nhưng so với bộ đầy đủ bằng chứng quan sát ngoài kia. (CHRIS BLAKE VÀ SAM MOORFIELD)

Với một vũ trụ mở rộng, làm mát bắt đầu từ một trạng thái nóng, dày đặc, chứa đầy vật chất và phóng xạ, tất cả đều bị chi phối bởi Thuyết tương đối rộng của Einstein, có rất nhiều khả năng để Vũ trụ có thể mở ra, nhưng nó không phải là vô hạn con số. Có những mối quan hệ giữa những gì trong Vũ trụ và tốc độ mở rộng của nó phát triển như thế nào, và điều đó hạn chế rất nhiều những gì có thể.

Đây là tuyên bố duy nhất đúng hoàn toàn trong phần của Ekeberg.

Một khi bạn chấp nhận Vụ nổ lớn và một vũ trụ được cai trị bởi Thuyết tương đối rộng, có một bộ bằng chứng khổng lồ chỉ ra sự tồn tại của vật chất tối và năng lượng tối. Đây cũng không phải là một bộ mới, nhưng là một bộ được gắn từ những năm 1970. Đối thủ cạnh tranh chính của năng lượng tối đã mất đi khoảng 15 năm trước, chỉ còn lại một Vũ trụ với vật chất tối và năng lượng tối như một vũ trụ học khả thi để giải thích toàn bộ bằng chứng.

Các ràng buộc về năng lượng tối từ ba nguồn độc lập: siêu tân tinh, CMB và BAO (là một tính năng trong cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ.) Lưu ý rằng ngay cả khi không có siêu tân tinh, chúng ta sẽ cần năng lượng tối và chỉ bằng 1/6 vật chất tìm thấy có thể là vật chất bình thường; phần còn lại phải là vật chất tối. (DỰ ÁN MỸ PHẨM SUPernOVA, AMANULLAH, ET AL., AP.J. (2010))

Đó là chìa khóa thường bị bỏ qua: bạn phải kiểm tra bộ bằng chứng đầy đủ trong việc đánh giá sự thành công hay thất bại của lý thuyết hoặc khuôn khổ của bạn. Chắc chắn, bạn luôn có thể tìm thấy các quan sát riêng lẻ gây khó khăn cho lý thuyết của bạn để giải thích, nhưng điều đó không có nghĩa là bạn chỉ có thể thay thế nó bằng một cái gì đó giải thích thành công một quan sát đó.

Bạn phải tính đến mọi thứ, cộng với sự quan sát mới, cộng với những hiện tượng mới chưa được quan sát.

Đây là vấn đề với mọi phương án. Mọi sự thay thế cho Vũ trụ đang mở rộng, đến Vụ nổ lớn, đối với vật chất tối, năng lượng tối hoặc lạm phát, tất cả đều không thể tính đến bất cứ điều gì đã được quan sát, ít hơn nhiều so với phần còn lại của nó. Đó là lý do tại sao thực tế mọi nhà khoa học làm việc đều coi những giải pháp thay thế được đề xuất này chỉ là hộp cát, chứ không phải là một thách thức nghiêm trọng đối với sự đồng thuận chính thống.

Thiên hà lùn Carina, có kích thước rất giống nhau, phân bố sao và hình thái của thiên hà lùn Draco, thể hiện một hồ sơ hấp dẫn rất khác với Draco. Điều này có thể được giải thích rõ ràng với vật chất tối nếu nó có thể nóng lên do sự hình thành sao, nhưng không phải do trọng lực biến đổi. (ESO / G. BONO & CTIO)

Thực sự có những thiên hà ngoài kia không có vật chất tối, nhưng điều này được dự đoán bởi lý thuyết. Trên thực tế, gần một thập kỷ trước, một người tương đối nổi tiếng đã ghi nhận việc thiếu các thiên hà không có vật chất tối và tuyên bố nó làm sai lệch mô hình vật chất tối. Khi những thiên hà không có vật chất tối này được phát hiện, chính nhà khoa học đó đã ngay lập tức tuyên bố chúng phù hợp với trọng lực biến đổi. Nhưng chỉ có vật chất tối mới giải thích được toàn bộ bằng chứng liên quan đến Vũ trụ.

Thật vậy, có một sự khác biệt giữa hai nhóm khác nhau đang cố gắng đo tốc độ mở rộng của Vũ trụ. Sự khác biệt là 9% và có thể là lỗi cơ bản trong kỹ thuật của một nhóm. Thú vị hơn, đó có thể là một dấu hiệu cho thấy năng lượng tối hoặc một số khía cạnh khác của Vũ trụ phức tạp hơn những giả định ngây thơ của chúng ta. Nhưng dù sao thì năng lượng tối vẫn cần thiết; cuộc khủng hoảng duy nhất của người Viking được sản xuất một cách tự nhiên.

Biểu đồ tốc độ mở rộng rõ ràng (trục y) so với khoảng cách (trục x) phù hợp với Vũ trụ mở rộng nhanh hơn trong quá khứ, nhưng nơi các thiên hà xa xôi đang tăng tốc trong thời kỳ suy thoái của chúng ngày nay. Đây là phiên bản hiện đại, kéo dài hơn hàng nghìn lần so với tác phẩm gốc của Hubble. Lưu ý thực tế là các điểm không tạo thành một đường thẳng, biểu thị sự thay đổi của tốc độ mở rộng theo thời gian. Việc Vũ trụ đi theo đường cong mà nó thể hiện là sự hiện diện và sự thống trị của thời gian muộn, của năng lượng tối. (NED WRIGHT, DỰA TRÊN DỮ LIỆU MỚI NHẤT TỪ BETOULE ET AL. (2014))

Cuối cùng, có lạm phát vũ trụ, giai đoạn của Vũ trụ xảy ra trước Vụ nổ lớn, thiết lập các điều kiện ban đầu Vũ trụ của chúng ta được sinh ra. Mặc dù nó thường bị nhiều người chế giễu, lạm phát không bao giờ có ý định là câu trả lời cuối cùng, cuối cùng, mà là một khuôn khổ để giải các câu đố mà Big Bang không thể giải thích và đưa ra dự đoán mới mô tả Vũ trụ sơ khai.

Trên các tài khoản này, nó là thành công ngoạn mục. Lạm phát:

  1. tái tạo thành công tất cả các dự đoán của Big Bang,
  2. giải quyết các đường chân trời, độ phẳng và các câu đố đơn cực gây khó chịu cho Big Bang không lạm phát,
  3. và đưa ra sáu dự đoán mới lạ khác với Big Bang kiểu cũ, với ít nhất bốn trong số chúng đã được xác nhận.
Các biến động lượng tử xảy ra trong quá trình lạm phát được kéo dài trên toàn vũ trụ và khi lạm phát kết thúc, chúng trở thành biến động mật độ. Điều này, theo thời gian, dẫn đến cấu trúc quy mô lớn trong Vũ trụ ngày nay, cũng như sự dao động nhiệt độ quan sát được trong CMB. Những dự đoán mới này rất cần thiết để chứng minh tính hợp lệ của cơ chế tinh chỉnh. (E. SIEGEL, VỚI HÌNH ẢNH DERIVED TỪ ESA / PLANCK VÀ NHIỆM VỤ NHIỆM VỤ TƯƠNG TÁC LIÊN QUAN ĐẾN DOE / NASA / NSF VỀ NGHIÊN CỨU CMB)

Để nói rằng vũ trụ học có một số câu đố thú vị là hấp dẫn; để nói rằng nó có vấn đề lớn không phải là điều mà hầu hết các nhà vũ trụ học sẽ đồng ý. Ekeberg thảo luận về Big Bang lạm phát với vật chất tối và năng lượng tối như sau:

Câu chuyện nổi tiếng này thường được coi là một thực tế khoa học tự chứng minh, mặc dù thiếu bằng chứng thực nghiệm - và mặc dù có một sự khác biệt ổn định phát sinh với các quan sát về vũ trụ xa xôi.

Để tranh luận rằng thiếu bằng chứng thực nghiệm cho điều này hoàn toàn hiểu sai về khoa học là gì hoặc khoa học hoạt động như thế nào, nói chung và cụ thể trong lĩnh vực cụ thể này, nơi dữ liệu phong phú và chất lượng cao. Để chỉ ra một loạt các sự khác biệt ổn định, đây là một điều không rõ ràng - và tôi dám cân nhắc - đọc sai các bằng chứng, được Ekeberg sử dụng để đưa ra một chương trình nghị sự chống khoa học, trống rỗng về mặt triết học.

Nhiều thiên hà gần đó, bao gồm tất cả các thiên hà của nhóm địa phương (chủ yếu tập trung ở cực bên trái), hiển thị mối quan hệ giữa khối lượng và sự phân tán vận tốc của chúng cho thấy sự hiện diện của vật chất tối. NGC 1052-DF2 là thiên hà được biết đến đầu tiên dường như chỉ được tạo thành từ vật chất bình thường. (DaniELI ET AL. (2019), ARXIV: 1901.03711)

Chúng ta nên luôn luôn nhận thức được những hạn chế và giả định vốn có đối với bất kỳ giả thuyết khoa học nào chúng ta đưa ra. Mọi lý thuyết đều có một phạm vi hiệu lực được thiết lập và một phạm vi mà chúng tôi mở rộng dự đoán của mình qua các biên giới đã biết. Một lý thuyết chỉ tốt như những dự đoán có thể kiểm chứng mà nó có thể đưa ra; đẩy đến lãnh thổ quan sát hoặc thử nghiệm mới là nơi chúng ta phải tìm kiếm nếu chúng ta hy vọng thay thế sự hiểu biết hiện tại của chúng ta.

Nhưng chúng ta không được quên hoặc vứt bỏ những thành công hiện có của Thuyết tương đối rộng, Vũ trụ đang mở rộng, Vụ nổ lớn, vật chất tối, năng lượng tối hoặc lạm phát. Vượt xa hơn các lý thuyết hiện tại của chúng tôi bao gồm - như một yêu cầu bắt buộc - bao gồm và tái tạo chiến thắng của họ. Cho đến khi một giải pháp thay thế mạnh mẽ có thể đạt đến ngưỡng đó, tất cả các tuyên bố về các vấn đề lớn của mối quan hệ với mô hình phổ biến nên được xử lý cho những gì chúng là: diatribes điều khiển ý thức hệ mà không có giá trị khoa học cần thiết để sao lưu chúng.

Starts With A Bang hiện đã có mặt trên Forbes và được tái bản trên Medium nhờ những người ủng hộ Patreon của chúng tôi. Ethan là tác giả của hai cuốn sách Beyond The Galaxy và Treknology: The Science of Star Trek from Tricnings to Warp Drive.