大爆炸理论浅析

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二、大爆炸理论浅析

李学生

摘要: 本文首先从场的时空本质出发阐述了微波背景辐射问题，根据时空平权理论阐述了频率红移现象，提出了弱相互作用是万有引力的反作用力，使大爆炸理论失去了实验基础，然后从量子引力的观点指明了大爆炸理论是错误的，从根本上解决了宇宙学常数问题。

关键词：微波背景辐射、频率红移、量子引力、场的时空本质、时空平权

1、Big Bang Cosmology 的起源

科学家试图用纯物理理论来解释宇宙起源，依赖于三个假设：（1）用数学语言表达的自然定律可以解释一切现象；（2）这些定律适用于一切时间、地点；（3）基本的自然定律是简单的。

现代宇宙系中最有影响的一种学说，又称大爆炸宇宙学。与其他宇宙模型相比，它能说明较多的观测事实。它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。根据大爆炸宇宙学的观点，大爆炸的整个过程是：在宇宙的早期，温度极高，在100亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀，结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后，早期形成化学元素的过程结束（见元素合成理论）。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实：（1）大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。（2）在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。（3）根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。大爆炸理论的创始人之一伽莫夫曾预言，今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度。根据大爆学说，宇宙因膨胀而冷却，先进的宇宙中仍然应该存在着当时的辐射余烬，1965年，果然在微波波段上探测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度约为3K。大爆炸理论认为宇宙最初的状态并不均匀，所以才有现在的宇宙和现在星系和星团的产生。科学家们在分析了宇宙中一个遥远的气体云在数十亿年前从一个类星体中吸收的光线后发现，其温度确实比现在的温度要高。澳门发现，背景温度约为-263.89摄氏度，比现在测量的-273.89摄氏度的宇宙温度要高。（4）早在1912年，施里弗(Slipher)就得到了“星云”的光谱，结果表明许多光谱都具有多普勒(Doppler)红移，这些“星云”在朝远离我们的方向运动。如果运用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。随后人们知道，这些“星云”实际上是类似银河系一样的星系。1929年哈勃(Edwin Hubble)对河外星系的视向速度与距离的关系进行了研究。当时只有46个河外星系的视向速度可以利用，而其中仅有24个有推算出的距离，哈勃得出了视向速度与距离之间大致的线性正比关系。现代精确观测已证实这种线性正比关系v = H₀×d，其中v为退行速度，d为星系距离，H₀为比例常数，称为哈勃常数。这就是著名的哈勃定律。哈勃定律揭示出宇宙是在不断膨胀的。这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀。因此，在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀，从任何一个星系来看，一切星系都以它为中心向四面散开，越远的星系间彼此散开的速度越大。为了完善宇宙大爆炸理论，1980年科学家引入了暴胀宇宙的概念。它是说宇宙在较早的时期膨胀得较快。这一概念解决了一对矛盾：如果我们回溯今日可见的宇宙膨胀历史，当宇宙的年龄为10^－35秒的时候，宇宙将被压缩到一个半径3毫米的区域中。但是从宇宙膨胀开始到那时，光能行进的距离只有3×10^－25厘米。这是任何信号能传播的距离。根据暴胀理论的推算，宇宙的平均密度应为2×10^－29克／厘米³。但人们观测到的宇宙中发光物质密度至多为这一密度的0.1。就是说，宇宙中有90％以上的物质我们至今几乎一无所知。科学家把它们称作暗物质。

暗物质存在的一个重要证据是，天文学家观测到一些恒星的运动速度比理论上计算的要快得多，显然有许多看不见的暗物质在吸引着这些恒星。如果暗物质也是由原子或分子组成的话，它们在宇宙早期就会参加核反应，从而使这些元素的丰富程度低于今天的观测值。它不和这些粒子发生任何作用。科学家把它起名为“WIMP”，它的中文意思是“弱相互作用重粒子”。　有许多实验的结果已与大爆炸的预言相符。比如早在1948年，科学家预言大爆炸后散落的残余辐射因为宇宙的膨胀而冷却，如今它的温度应为绝对零度以上5度。而在1965年，美国两位无线电工程师意外地发现了无线电接收器中无法阐明原因的噪声，后来知道它就是宇宙微波背景辐射，它的温度是绝对温度以上2.7度，与1948年的预言差不多。两位工程师因此获得了诺贝尔物理奖。拟用超导超级对撞机“模拟宇宙大爆炸的时空和物质状态”，为的是“验证”由相对论衍生出来的宇宙爆炸理论。

洛弗尔指出：“人们常认为大爆炸理论中的单子是由宇宙一致性假说产生的数学难题。”标准的大爆炸宇宙模型有极好的的数学对称性，一些物理学家认为这就是以数学方程解析大爆炸初始零点时会出现单子的原因。为了修正这个理论，有人就在模型中引入了和观测到的宇宙类似的不规则性，希望这能使起始状态有足够的不规则性而不至于一切都缩致一个点。然而霍金和埃利斯指出，根据他们计算，在已观测到的范围内，物质分布具有不均匀性的大爆炸理论在起点处仍会有单子。为了回避整个关于宇宙起源的问题，一些科学家提出了所谓达到“无限脉动宇宙模型”，即宇宙不断膨胀，收缩至单子，再膨胀，再收缩至单子，永远进行下去。然而物理学家温伯格在《最初的三分钟》里指出，随着每一次连续脉动，宇宙必产生某种递进的变化，因此必须有个起点，而不是可以无限回归，物质世界一直存在着，仍然面对着宇宙起源问题。

2、宇宙无限论的再生

虽然大爆炸宇宙模型可以解释众多的观测现象，却存在许多疑难，如视界疑难、准平坦性疑难、结构起源疑难、宇宙常数疑难等。因此人们在宇宙甚早期引入暴胀（inflation）阶段——宇宙以指数形式快速膨胀，暴胀模型可以解决上述一些疑难，但宇宙常数问题依然存在。1998年以前，物理学家和天文学家一般都认为宇宙学常数等于0或很小可忽略，而且粒子物理学家认为，宇宙学常数可以看作宇宙真空能量密度的一种量度。但最近几年来，天文学家用各种观测方法和手段，例如超新星、宇宙微波背景和引力透镜等遥远天体的观测、宇宙物质密度的测量和真空能量密度的测量，获得了比较精确的数据表明宇宙学常数不仅存在，而且其能量密度与物质成分在同一量级，还稍大一点。当我们将真空能与引力耦合在一起时，场方程中宇宙学常数项便产生了。按照现代物理学家的观点，宇宙学常数是量子涨落的结果，等效于真空能量密度。宇宙学常数Λ导致的能量——动量张量的能量密度由于压强与能量密度正好大小相同而符号相反，因此宇宙学常数在Einstein场方程中起一个“反引力”的效果。现在一般引进有效宇宙学常数是裸的宇宙学常数。

根据宇宙学原理，在宇宙任何处观测，都应得到同样的远方星系的退行规律——宇宙在膨胀。相对性原理认为运动都是相对的，没有什么东西能够作为参考系来判断宇宙是处在什么状态之中，可是现代物理学从频率红移现象得出宇宙在膨胀，进一步发展为大爆炸理论。如果宇宙本来就是无限的，则爆炸发生在空间的每一点。如果宇宙是有限的，则大爆炸的宇宙范围比现在小得多。兰茨伯格提出，如果把宇宙的膨胀作为时间箭头，则宇宙的收缩就会使观察者有时间倒流的感觉，但如果宇宙、观察者本人和用来量度的尺都同时发生收缩，由于缺乏一个参照系，观察者就无法知道宇宙是否在收缩。美国物理研究所的唐·路博维希等科学家在新一期英国《自然》杂志上报告说，他们研究了距银河系中心仅32光年的射手座星云的光谱，结果发现氘的丰度比按照大爆炸理论标准模型计算出的结果高出约10万倍。如果宇宙大爆炸假说是正确的，那么宇宙中所有的星系必定在以某一个中心为起点向外膨胀，星系之间彼此互相分离。目前我们观测到近处的星系并没有相互分离的趋势，并且也没有证据表明近处的星系在以某一个中心为起点向外膨胀。倘若我们不是在宇宙的中心而是处于偏离宇宙中心的任一点处，因为在我们周围的星系都没有相互分离的趋势，也没有以某一个中心为起点向外膨胀，这样一来，倘若宇宙中任一点处的星系都没有相互分离的趋势，那么整个宇宙也不可能在膨胀，即宇宙大爆炸假说是错误的。

Einstein场方程为R_μν— 0.5g_μνR+υg_μν= —8πGT_μ,υ称为宇宙常数，由于增加了υg_μν项，该方程在稳态、弱场非相对论近似下，回不到引力方程。因此只有假定υ非常小，在一般时空范围与Newton引力势相比可以略去，上面的场方程才可能成立。故υg_μν项，只有时空在宇宙级上才有显示。

由于正引力质量与引力场之间存在吸引力——弱相互作用，现代物理学中所指的引力可能是引力与弱相互作用的合力，由于弱相互作用比引力减小的快，1971年，日本东京大学教授藤伊安仪通过理论计算试图将基本粒子物理与万有引力联系起来，他的研究得出了一个出乎意料的结论：引力常数的大小与两个物体之间的距离有关。在近距离内，例如两个物体的距离缩短到1cm~10cm,甚至1cm之下时，G值是变化的。1976年，美国东华盛顿大学的丹尼尔声称，以物理学的实验为依据说明万有引力定律在近距离是错误的。1981年7月，澳大利亚昆士兰大学的斯特塞和图克在实验室里做了一系列实验，也声称实验结果证明万有引力定律在近距离是失效的。这在物理学界引起了强烈的“地震”。外太阳系以及更大的星系范围内表面上看引力也破坏了平方反比定律，现在观测到的恒星和星系的运动速度远比用邻近的全部物质施与的引力所能解释的快得多。美国反射的宇宙飞船先锋10号正在经历一种朝着太阳的神秘减速，这种力量很微弱：只相当于地球表面引力的一亿分之一，但事实证明了这种作用的持久性。而且它还在不断加大。如今先锋10号离太阳的距离是地球的80倍，比原定计划落后了40万公里，先锋11号在与航天局失去联系之前也在经历着同样的减速。科学家们排除了燃料或热量的泄露外，提出了暗物质的假说与镜物质的假说，但是他们都没有圆满解释这种现象。根据场的时空本质的观点：暗物质或者镜物质其实就是时空本身。因此弱相互作用是引力的反作用,它与万有引力的共同作用使宇宙处于相对稳定状态，它们是矛盾的两个方面。1998年12月29日《科技日报》评选出世界十大科技新闻之一：宇宙中存在反引力，1998年美国《科学》杂志评选出世界十大科技突破之一：宇宙中存在反引力。

如果宇宙是在膨胀，宇宙常数就不该有。但是直到目前为止，也还没有一个人能找出一个理论上的论据来证明这一项不该有。这一困难，即“宇宙常数问题”，是今日物理学中最深刻的未被解决的问题之一（笔者注：按照上面的观点宇宙常数的实质是引力的反作用力——弱相互作用的表现形式）。1998年以前，物理学家和天文学家一般都认为宇宙学常数等于0或很小可忽略，而且粒子物理学家认为，宇宙学常数可以看作宇宙真空能量密度的一种量度。但近几年来，越来越多的观测证据表明，宇宙正处于加速膨胀的阶段，一个正的宇宙学常数对所观测到的数据有最好的拟和结果，几乎所有的宇宙学家都相信宇宙学常数的存在，并期待在宇宙学上有更多的观测效应如果宇宙在膨胀，宇宙不存在中心，距离观察者越远膨胀速度越大的原因为何，大爆炸的起点在何处？按照大爆炸理论，地球与太阳之间的距离应当越来越大，太阳的辐射频率应当越来越小。在宇宙的大爆炸过程中，温度和密度随着时间的流逝而下降。在大爆炸早期，温度太高，原子和分子均无法存在，自然力的强度随环境温度的变化而变化，现代物理学认为分子的平均动能E=1.5kT，那么温度的实质是何？

根据场的时空本质的观点，能量是物质与时空的相互作用，如果认为引力质量具有正的能量，那么必须认为引力场具有负能量，自然界不存在负引力质量的物体，物理学家预言宇宙中存在负引力质量，但是没有发现由负引力质量形成的物质原因在于此。引力定律确保了宇宙中所有质量之间的（负的）引力位能，必定永远和每个质量m相关联的（正的）mc²的总和大小相等、符号相反。因此总的结果准确的等于0。现代物理学认为物质的引力场的质量是静止质量的10^-37倍，原因在于它只是计算的其时空量子形式。整个宇宙的电磁质量之和为0，物理学中的反物质是电磁质量不同，引力质量相同。现代天文学测得宇宙的扩张速度正在加快，像有一股普遍的推动力持续将时空结构向外推，原因在于正负引力质量间相互排斥，不至于把宇宙卷曲到无限小的尺度，所以宇宙不存在起源问题。

频率红移应当是观察者测得的现象，根据时空平权理论，距离的增加相当于时间的延缓，因此频率减小。因此红移量与距离成正比，光源越远，它远离我们的速度也越快，即V=H×R，哈勃的发现验证了这个问题。大爆炸是时空量子现象，随着时间量子的流逝，空间逐渐增大，而非标准时空，标准时空本身不变，它只能说明时空量子存在起源问题，微波背景辐射的温度朝不同方向看如此一致，说明时空的本质是场，它是零点振动的表现形式，应当重新分析这些实验。现代物理学认为热的本质是分子的无规则运动，当一个质子与一个中子发生完全非弹性碰撞时，机械能转化为何种形式的能？热的本质如果归结为量子的碰撞（宏观上或微观上），那么就可以理解微波背景辐射的温度，自然力的强度随温度的变化而变化。热辐射的本质其实就是由于电磁质量能级的变化而辐射electromagnetic field，温度的本质应该解释为electric field与引力场的强度，可以运用实验证明这个观点，因此热质说有其正确的一面。物体在碰撞过程中能量的损失的过程应当是机械能——电磁能——内能——电磁能之间的相互转化，由中子组成的物体之间的碰撞不会发生这一过程。传导与辐射本质上是一样的。空间增大时，时间缩短，容易理解Minkowski方程也进一步验证了广义相对论的正确。

Roger Penrose证明，如果宇宙中物质施加的引力总是表现为吸引，并且宇宙中存在着足够的物质，那么这些物质的引力效应就使人们不可能无限地沿着时间往回追踪所有的光线。某些（也可能是所有的）光线必定会达到一个终点——“奇点”，即光线在其轨迹的尽头达到了时空的边缘。如果我们把宇宙的整个历史——所有的空间和所有的时间——想象成伸展在我们面前的一张硕大无比的纸，那么我们就有可能在某些特殊的地方发现一种密度和温度无限大的“奇点”。（1）根据奇点定理，在具有合理物质源的广义相对论的经典理论中，引力坍缩情形中的空间——时间奇性是不可避免的。利用时间方向的反演可以得到相应的初始的空间——时间奇性是不可避免的。物质与时空在初始奇点创生，在终极奇点消灭，这两种奇点也许存在一个准确的时间对称。如果Euclid空间——时间延伸到无限的虚时间，或者在一个虚时间的奇点处开始，就有了和经典理论中指定宇宙初态的问题，但是我们提不出任何特别的原因，认为它应当以这种而不是那种方式开始。在经典广义相对论中，因为所有已知的科学定律在大爆炸奇点处失效，人们不能预言宇宙是如何开始的。引力似乎存在不同于粗粒化产生的内禀引力熵的出现，宇宙可以从一个非常光滑和有序的状态开始。霍金说：“广义相对论导致了自身的失效：它预言它不能预言宇宙。”

另一方面，Einstein认为：自然界的真实定律不可能是线性的，也不可能从这种线性定律推导出来。Maxwell方程组表现的几何定理就是：“边界的边界是不存在的。”当空间——时间曲率变大，量子引力效应明显，经典广义相对论没有把量子力学不确定性原理合并在里面，人们必须用量子引力论去理解宇宙是如何开始的。量子引力论开辟了另一种新的可能性，在这儿空间——时间没有边界，所以没有必要指定边界上的行为，没有使科学定律失效的奇点，不存在在该处必须祈求某些新的定律给空间——时间设定边界条件的空间—时间边缘。因为整个宇宙的正引力质量为无穷大，空间和时间可能会共同形成一个在尺度上有限而没有任何边界或边缘的面，所以绝对空间弯曲为一个半径为无穷大的封闭的球形空间，而封闭的球形空间对光线有一种独特的聚焦作用，使得物体向远处运动时在一定距离上越来越大。由于绝对空间的运动速率为光速，整个宇宙是一个四维时空连续统，不存在时间量子，只有在相对时空中才有时间量子，因此不存在宇宙起源问题。人们可以说：“宇宙的边界条件是它没有边界。”宇宙是完全自足的，而不被任何外在于它的东西所影响，它既不能被创生，也不能被消灭，它就是存在。因此宇宙不存在起源问题，宇宙应当是时间上无始无终、空间上无边无缘，造物主无所事事的宇宙，这也符合唯物辩证法的基本观点——时空在本质上是无限的（1）。现代物理学认为宇宙始终以接近于（其实相等）区分收缩和永远膨胀模型的临界膨胀率的速率膨胀，说明宇宙无始无终。物理学在时间的大门口（大爆炸、大坍缩）走到了尽头；但另一方面，尽管有那么多表面上的变化，物理学在人们心目中始终走它的永恒之路。在物理学的描述中，“时间”不是一个原始范畴，在使用时间已临近“时间的大门口”这一观念是错误的。亚里士多德认为时间既是事物运动的尺度也是事物静止的尺度，实质上已得出了时间是物质持续性的量度，时间既不是运动，又不能脱离运动，它依赖于物质的运动而客观存在着。时间是无限的，既时间在量上是无限的，又是无限可分的。宇宙既不生成，也不可能消灭，是单一的和永恒的，它的整个时期既无开端也无终结，在自身包含着无限的时间。（2）

参考文献：
1、《宇宙的起源》［英］约翰. D. 巴罗著卞锍麟译上海科学技术出版社 1996年6月
2、《物理》第31卷第2期117页。

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