宇宙学标准模型出现了6大裂缝。有错吗？

宇宙学宇宙演化故事的标准模型包括各种阶段，如暴胀，以及各种参与者，如暗能量和暗物质。
标准模型在与观测结果的匹配方面取得了很大的成功，但其基础开始出现裂缝。
在接下来的几周里，我们将深入研究标准模型面临的一些问题。是时候进行宇宙学范式转变了吗？

本文是探讨宇宙学标准模型中矛盾的系列文章的第一篇。
半个多世纪以来，科学家们一直在对宇宙如何演化进行非凡的描述。这个描述最初被称为大爆炸，随着时间的推移而不断完善，直到它被称为宇宙学的标准模型，暴胀宇宙学或ΛCDM模型，其中Λ是希腊字母Lambda，指的是暗能量，CDM指的是冷暗物质。
这些不同的名称强调了物理学家和天体物理学家讲述的宇宙演化故事包括各种阶段，如暴胀，以及各种参与者，如暗能量和暗物质。

标准模型的问题

虽然标准模型在与观测结果的成功对抗方面非常丰富，但随着时间的推移，其基础出现了裂缝。在最近的一篇论文中，天体物理学家Fulvio Melia认为，它的缺点足够严重，现在是时候考虑标准模型是否应该继续如此标准了。
我是通过Ethan Siegel撰写的评论看到Melia的论文的。我发现梅利亚的观点非常有趣，无论是在宇宙学还是科学哲学方面。在论文中，Melia提供了许多例子，他认为标准模型显示了它的年龄，并且未能提供宇宙演化的连贯解释。这些问题中的每一个都值得单独考虑。这就是为什么今天我开始一系列文章，旨在解开梅利亚提出的问题。以下是他认为共同压倒标准模型的一些问题。
通货膨胀和宇宙尺度。虽然宇宙经历了早期快速膨胀的想法已被证明有助于解释天空中的较小特征，但Melia声称它无法解释最大尺度的行为。
量子涨落。标准模型声称，在最小的尺度和最早的宇宙时间，量子力学涨落导致了我们今天看到的所有结构。但Melia提出，我们没有一个关于如何将量子力学应用于整个宇宙的正确解释。
电弱地平线。暴胀起作用的一个原因是，它允许整个宇宙在早期就因果关系，这有助于解释为什么现在宇宙中任何地方的条件都是一样的。但Melia声称，当电磁力在宇宙历史后期与弱力分离时，它留下了一个尚未解决的视界问题。
大爆炸核合成。在大爆炸后的最初几分钟内，条件允许核聚变反应产生大部分氦以及其他轻元素。但Melia说，显示这一点的计算需要微调关键参数，最重要的是物质相对于反物质的奇怪优势。
哈勃常数异常。哈勃常数决定了宇宙的膨胀率，是一个基本的宇宙学参数。但是确定哈勃常数的两种最突出的方法给出了不同的结果。更糟糕的是，随着测量结果的改善，这两个值仍然存在顽固的差异。对于Melia来说，这是一个闪烁的红色警告信号，表明标准模型有问题。
星系的过早形成。由于詹姆斯韦伯太空望远镜的新图像，这引起了很多媒体的关注。标准模型告诉我们，星系应该形成相对较晚，这是大爆炸后的好时机。相反，JWST图像在很早的时候就显示了它们。Melia认为这是标准模型错误故事关键部分的另一个迹象。

宇宙范式

我在本系列中的目标是更深入地探讨其中的一些问题。我不确定它们是否应该被认为是标准模型的致命特征，但每个都提供了对现代宇宙学关键特征的见解，因此它们绝对值得探索。
我们现在当然可以问的是，科学家如何考虑寻找他们珍视的标准模型的替代方案。伟大的科学哲学家托马斯·库恩（Thomas Kuhn）首先阐明了科学范式转变的想法，这是我们在解决这个问题时应该知道的一个想法。
库恩所描述的范式是一种世界观。它是思想、概念和技术的背景星座，科学中的任何领域都根据这些背景提出问题。对于现代宇宙学来说，范式始于时空膨胀的故事，其中包括早期的暴胀阶段。你还必须了解粒子物理学对不同力的解释，以及这些力何时开始作为独立的实体出现，而宇宙膨胀和冷却。您将了解一旦宇宙冷却到足以让引力发挥作用，恒星和星系如何开始形成的故事。综上所述，所有这些故事——以及支持它们的所有物理方程和数据——构成了宇宙学标准模型的范式。
库恩认为范式不容易被推翻。在一个范式上投入了太多的工作，以至于将理论和观察之间的单一不匹配作为放弃的原因。只有随着越来越多的异常现象开始出现，人们才会开始犹豫不决地开始考虑替代方案。最终，异常的权重变得足够大，以至于出现了一些可以扫除旧模型的替代方案。
这就是梅利亚的问题清单发生了什么吗？也许，也许不是。现在进行这样的清算可能还为时过早。但绝对值得了解Melia的清单上的内容，并密切关注进一步的发展。因此，我要深入探讨他提出的一些问题。敬请关注。
关于作者
亚当·弗兰克（Adam Frank）是罗切斯特大学（University of Rochester）的天体物理学教授，也是太阳等恒星进化最后阶段的领先专家。弗兰克在罗切斯特大学的计算研究小组开发了先进的超级计算机工具，用于研究恒星如何形成和死亡。他自称是“科学的布道者”. 国内只有两本他的著作出版.