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  • 在关于大爆炸、暗物质和其他问题上,宇宙学家们是否在自我欺骗?

    科学家一定正确吗?他们也许也被自己欺骗啦!

    在关于大爆炸、暗物质和其他问题上,宇宙学家们是否在自我欺骗?

    图片来源:美国国家航空航天局/欧洲航天局/太空望远镜科学研究所,图为Abell 2744星系团和引力透镜效应下的背景星系,该图与爱因斯坦广义相对论里的描述相符合。

    理查德·费曼曾说过:“科学研究的第一要义是绝对不能自我欺骗,最容易上当受骗的反而是我们自己”。从气候变化到宇宙学,科学怀疑论者常常指责科学家出于无知或者捍卫自己工作的目的,可能一直在自我欺骗。这样的批评显然是没有根据的,但是却不可避免了提出了一个有趣的问题:我们如何知道自己不是被自己愚弄了呢?

    一种很普遍的科学观点是科学实验应该经得起反复检验。假设你有一个科学模型,你需要根据模型做出清晰的推断,并只有在检验之后,才能确认你做出的推断是否能验证你的模型。有时候评论家会因此认为只有通过实验室装置检验过的才是真正的科学,但实验室科学只是科学的一部分。像宇宙学这样的观测科学也得接受检验。新的观测证据也有可能与现有的理论相悖。举个例子,如果我看到一千只天鹅都是白色的,我会认为所有的天鹅都是白色的。但是,只要有一只黑天鹅出现,这个论断就会被推翻。正因如此,科学理论并不是绝对的,而是需要用新出现的证据不断印证检验 。

    在关于大爆炸、暗物质和其他问题上,宇宙学家们是否在自我欺骗?

    图片来源:塞尔吉奥·瓦莱·杜阿尔特,由c.c.-by-s.a. 4.0.许可协议许可

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    尽管这种说法在技术层面上没有错,但是称既定的科学理论有待检测还是有误导性的。比如说,在被爱因斯坦的广义相对论取代之前,牛顿的万有引力定律已经存在了几个世纪。虽然我们现在认为牛顿万有引力理论也许是错误的,但它却和从前一样有效。现在我们都知道牛顿万有引力模型是用来描述质量体之间的引力作用,而且直到今天我们还在通过万有引力模型来推算轨道轨迹,并能得到一个相当准确的近似值。只有当我们的观察扩展到牛顿万有引力非常广泛的适用范围之外时,才需要借助爱因斯坦的广义相对论。

    若一种科学理论是根据一系列证据建立起来的,那么尽管面临着新证据的挑战,我们还是可以相信这一理论是有效的。换句话说,理论只要经过彻底的检验就可以看作是真的,但是,新的机制方法也许会发现意想不到结果,促进理论的进步和完善。科学理论本质上都是试验性的,但它们的不确定性却不至于让我们怀疑科学理论的准确性。这种不确定的试验性恰如其分,但也对既定的理论提出了挑战。既然我们永远也无法知道我们的实验结果是否是真正的结果,那么我们该如何确认我们不是在引导结果朝着自己期待的方向进行呢?

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    测算出的光速值随着时间变化。改编自赫里翁 &菲施霍夫(1986)

    物理入门课上经常出现这种情况。学生们分配到任务,需要测量一些像是重力加速度和激光波长等实验值。这些实验新手们有时候会犯一些低级错误,导致测出的实验结果和预期值并不相符。为了发现错误他们会重新检查实验过程。但是如果错误并不明显或者被其他因素抵消了,他们通常不会重现检查实验过程。因为在实验结果和预期值相差不多的情况下,他们会认为自己的实验过程没有错误。在证实结果的问题上我们都会有这样的偏见,即使是最有经验的研究者也不例外。这种偏见一直都存在,在测量电子的电荷数和光速时,如果最初的实验结果有一点偏差,那接下来的实验测出的数值会更偏向更早些时候的实验结果。

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    宇宙时间轴。图片来源:美国国家航空航天局/威尔金森微波各向异性探测器科学团队,由瑞安·卡达里修改。

    目前在宇宙学领域中,我们有一个和观测结果非常接近的模型,叫作ΛCDM模型。之所以如此命名是因为这个模型包含了暗物质(用希腊字母中的第十一个“Λ”表示)和冷暗物质(CDM)。对于这个模型的大部分改进主要是在精确模型中的某些特定参数,比如宇宙的年龄,哈勃参数和暗物质的密度。如果ΛCDM模型确实能够准确地描述宇宙,那么对于上述参数的无偏差测量应该基于一个统计模式。通过研究这些参数的历史值,我们便可以确定这些测量是否存在偏差。

    在关于大爆炸、暗物质和其他问题上,宇宙学家们是否在自我欺骗?

    图片来源:维基共享用户丹·肯纳

    为了探究这种模式是如何运行的,我们可以想象十二名学生正在测量黑板的长度。从数据上看,有些学生测出的数据会比黑板长度的实际数值长一些或者短一些。按正常情况来看,如果黑板长度的实际值是183厘米(偏差在1厘米以内),那么大概会有8名学生的测量值为182-184厘米。但是假设所有学生的测量值都落在这个区间内,你可能就会怀疑结果是否存在偏差。例如,一些学生也许测出黑板的长度大概6英尺(182.88厘米)宽,那么他们就会认为黑板长度是183厘米。反过来,如果他们的测量结果都太过精准,他们反而会怀疑自己的实验可能存在偏差。

    在宇宙学中,很多参数广为人知。所以研究人员在进行新实验时,他们已经预知了实验结果的数值。那么实验结果是否是在之前结果的影响下而有偏差呢。《物理学评论季刊》的最新一项研究正围绕这一问题展开。研究人员通过分析12个不同宇宙参数的637项测算结果来研究数据分布规律。由于不知道这些宇宙参数的实际值,作者把威尔金森微波各向异性探测器的7个数值作为准确值。研究人员发现结果数据的分布太过于接近准确值。这个影响并不大,因为这可能是由预期偏差导致的。但是这和我们所预期的效果截然不同,这意味着我们太过于高估实验中的不确定性因素。同时,这也意味着2013年普朗克数据公布时,参数的变化已经超过了大部分宇宙学家测量出的数据区间。

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    图片来源:普朗克合作小组/ P.A.R. 阿德等人,由E. 西格尔注释

    当然,这并不意味着我们现有的宇宙模型是错误的,可是这的确提醒了我们在宇宙参数的准确度上不要太过自信。幸运的是,我们还有办法确认数据上的异常是因为一定程度上的偏见,如匿情分析,还是因为提倡更多的公开数据,使其他团队运用自己的模型和相同的原始数据进行再次分析。这一项新的工作显示了宇宙学家们并没有在欺骗自己,他们的数据、方法和分析还有更多精进的的空间。

    作者: Starts With A Bang Contributor Group

    FY: Icarus

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