当前位置： >>
现代物理学基础的思考之九――大爆炸理论的思考
现代物理学基础的思考之九――---大爆炸理论的思考 目录第一章 大爆炸理论 1、经典力学框架下的宇宙观 2、宇宙背景辐射 3、哈勃定律的提出 4、大爆炸理论简介 5、大爆炸理论的实验根据 6、大爆炸理论的经典力学基础 7、大爆炸理论的广义相对论基础 8、大爆炸理论与现代物理学基本原理之间的矛盾 9、 相对性原理和宇宙学原理的疑难 10、大爆炸理论与广义相对论的矛盾 11、大爆炸理论的天文学困难 12、局爆宇宙学及其实验证据 13、局爆宇宙学的困难 14、宇宙自然选择学说简介 第二章 宇宙无限论 1、宇宙论中时间箭头的争论 2、量子力学与热力学中的随机性 3、光度佯谬及其解释 4、引力佯谬及其解决 5、宇宙无限论的实验基础 6、宇宙无限论的理论基础1第一章大爆炸理论1、经典力学框架下的宇宙观遂古之初， 谁传道之？ 上下未形， 何由考之？ 维焉系？天极焉加？ 圜则九重， 孰营度之？ 翰八柱何当？东南何亏？九天之际，安放何属？ 隅隈多有，谁知其数？ 天何所沓？十二焉分？ 日月安属？列星安陈？ ----屈原，《天问》 物理学家弗里敦说过：“所有的物理学定律最终都是从宇宙中获取信息的， 从牛顿定律到量子力学的所有原理都可以用同一种方法推导出来.”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，即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.【1】16 世纪前，人们只能凭肉眼看到六、七千颗星体.1539 年哥白尼提出日心说，人类对宇 宙的认识进了一大步. 波兰天文学家哥白尼（Nicholas Copernicus，）1536 年 写成《天体运行论》 ，1543 年公开出版.认为太阳是宇宙中心，而地球只是一颗普通的行星， 这样恒星的东升西落，行星的打圆圈的视运动都能解释了.他对宇宙分成若干天层；太阳静 止于中心，挨着是水星天、金星天、带月亮的地球天、火星天、木星天、土星天和恒星天 等.地球不是宇宙的中心而是围绕太阳运行的普通行星 ,其自身又以地轴为中心自转.哥白 尼的日心说推翻了统治天文学 1000 多年的地心体系（即地球是宇宙中心的学说） ，引起了 全世界的轩然大波，人们不得不重新审视自身在宇宙中所扮演的角色.在此之后，天文学上 的发现不断地突破人们所建构的关于宇宙中心的知识体系，地球不是中心，太阳也并非就 是，银河系也不是，随着爱因斯坦广义相对论的提出，人们才认识到宇宙根本没有中心. 17 世纪，天文望远镜问世、开普勒三定律和牛顿万有引力定律的建立，标志人类进入掌 握行星层次天体运动规律的阶段， 为进入工业社会奠定了必要的科学基础.开普勒在弟谷观 察的资料基础上，于１６０９年发表了《新天文学》一书，叙述了行星运动的两条定律.第2一条定律提出所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上运行， 太阳位于椭圆的一个焦点上.第 二条定律指出每一颗行星的向径在相同时间里扫过的面积相等.后来又在《宇宙谐和论》中 补充了第三定律， 行星绕太阳公转的恒星周期平方和行星轨道半长径的立方成正比.为牛顿 发现万有引力定律铺平了道路.牛顿从苹果落地事实启示联想到一个人站在山崖上， 把一块 石头轻轻地放开，石头会直落到地面，如果他用力把石头抛向远处，石头就会向前跑一段 再成一个弧形落到地上.如果他用力更大，落下更远.若力足够大时，这就不会再落到地面 上，而围绕地球公转起来.地球没有引力，该石头就会朝着他抛出的方向照直飞去.引力就 像一头拿在小孩手中，一头拴着小石头的绳子一样，从小孩手中牵引着小石头转圈.这样只 要证明地球对月球的吸引力确实就是月球绕地球运行所需的向心力.经过十几年的努力， 终 于找到计算引力的公式，后来跟力学三定律一起发表于《自然哲学的数学原理》一书中.牛 顿提出：物体的每个分子吸引其它分子，这个引力强度与其质量成正比和被吸引的分子之 间的距离平方成反比.但牛顿无法解释星体为何一开始就作如此运动.因此，就把上帝作为 第一推动者.天体为什么会按哥白尼体系运动，笛卡尔曾提出过以太旋涡理论.后来为康德 与拉普拉斯吸收了牛顿引力理论构成旋涡星云演变说.1900 年美国的钱伯林提出星子说， 认 为有一颗恒星运行到太阳附近，在太阳的正面和背面掀起两股巨大的潮，从太阳喷出的物 质逐渐汇合成围绕太阳的气盘， 并逐渐凝聚成行星和卫星.1916 年英国金斯提出 “潮汐说” ， 认为一恒星接近太阳，从太阳表面引出潮汐隆出物，这雪茄烟形长条逐渐脱离太阳并形成 行星.杰弗里认为恒星与太阳相撞，撞出物形成行星系.1944 年苏联施密特认为太阳通过暗 星云时俘获物质，形成绕太阳旋转的星云盘，逐渐形成行星和卫星.同年德国魏扎克认为绕 太阳旋转的气体尘埃盘中出现规则排列的旋涡，在次级旋涡中形成行星. 稳恒态宇学认为宇宙在时间和空间上都是无限的.它主张宇宙从未有过开始， 或者更确 切地说，宇宙乃是处于连续的创造过程之中.当宇宙膨胀之时，总密度减少，但密度存在一 个下限值，宇宙不会在密度低于此值的情况下存在.当宇宙接近这个下限值时，便会创造出 更多的物质来使密度再度升高.因此当宇宙不断地膨胀时，新的物质便连续地在星体中创造 出来以填补空隙.新形成的物质就是构成星系的氢.每个新星系团将随着宇宙的不断膨胀而 逐渐衰老以致死亡，但又形成新的星系团.新星系形成，老星系死亡，但宇宙的总密度不变. 并且总是存在有各种不同年龄的星系.因此， 宇宙在任何时期检验都是一样的.尽管个别星系 团有所变化，但总体图象是始终如一的.3牛顿在《自然哲学之数学原理》的“总释”里还写道：“六个行星在围绕太阳的同 心圆上转动,转动方向相同,而且几乎在同一个平面上;鉴于慧星的行程沿着极为扁平 的轨道跨越整个天空的所有部分,不能设想单纯力学原因就能导致如此多的规则运动: 因为它们以这种运动轻易的穿越了各行星的轨道,而且速度极大;在远日点,它们运动 最慢,羰奔渥畛,相互距离也最远,因而相互吸引造成的干涉也最小.这个最动人的 太阳、行星和慧星体系，只能来自一个全能全智的上帝的设计和统治.如果恒星都是其 他类似体系的中心，那么这些体系也必定完全从属于上帝的统治”.牛顿的原文中仅 有：“...我用重力解释了天体运行和海洋的潮汐，但我还不能指出重力自身的原 因...”.中世纪文艺复兴以来,生气勃勃的新兴科学,以哥白尼为开端的日心说,向教 会写了宣战书!以牛顿自己也表示：“我不知重力自身的原因...上帝设计一切和统治 一切”这段话为终结，向教会高悬免战牌！牛顿的星体引力场理论清楚地给出了万有 引力定律:在星体时空中,给出了物体由与星体间引力相互作用产生的运动规律.爱因 斯坦广义相对论也是星体的引力场理论， 核心是:星球告诉周围时-空如何弯曲;时空告 诉其中的物体如何运动.由于后者考虑了时空参考系的相对性原理,从而比前者更苻合 天文观测的实际结果.这两个引力场理论,对质点在星体引力场中运动的几何轨迹,都 给出了很好的描述，并且后者由于满足时空相对性原理而更准确些. 参考文献： 【1】 《物理》第 31 卷第 2 期 117 页.2、 宇宙背景辐射(cosmic background radiation)定义： 来自无明显分立源天区的各向同性电磁辐射.在不同波段， 辐射有不同的起源， 并可具有非宇宙学起源. 所属学科：天文学（一级学科）；星系和宇宙（二级学科）百科名片:宇宙微波背景辐射 （又称 3K 背景辐射） 是一种充满整个宇宙的电磁辐射. 特征和绝对温标 2.725K 的黑体辐射相同.频率属于微波范围.宇宙微波背景辐射产生于大爆 炸后的三十万年.大爆炸宇宙学说认为， 当宇宙发生大爆炸时， 开始时宇宙的温度是极高的， 之后慢慢降温，刚到现在约 150 亿年后大约还残留着 3K 左右的热辐射.概念:宇宙背景辐射是来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射，也称为微波背景 辐射.二十世纪六十年代初，美国科学家彭齐亚斯和 R.W.威尔逊为了改进卫星通讯，建立了4高灵敏度的号角式接收天线系统.1964 年， 他们用它测量银晕气体射电强度.为了降低噪音， 他们甚至清除了天线上的鸟粪，但依然有消除不掉的背景噪声.他们认为，这些来自宇宙的 波长为 7.35 厘米的微波噪声相当于 3.5K.1965 年，他们又订正为 3K，并将这一发现公诸于 世，为此获 1978 年诺贝尔物理学奖金.特征：微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱，在 0.3 厘米－75 厘米波段，可 以在地面上直接测到； 在大于 100 厘米的射电波段， 银河系本身的超高频辐射掩盖了来自河 外空间的辐射，因而不能直接测到；在小于 0.3 厘米波段，由于地球大气辐射的干扰，要依 靠气球、火箭或卫星等空间探测手段才能测到.从 0.054 厘米直到数十厘米波段内的测量表 明，背景辐射是温度近于 2.7K 的黑体辐射，习惯称为 3K 背景辐射.黑体谱现象表明，微波 背景辐射是极大的时空范围内的事件.因为只有通过辐射与物质之间的相互作用，才能形成 黑体谱.由于现今宇宙空间的物质密度极低，辐射与物质的相互作用极小，所以，我们今天 观测到的黑体谱必定起源于很久以前.微波背景辐射应具有比遥远星系和射电源所能提供的 更为古老的信息.微波背景辐射的另一特征是具有极高度的各向同性.这有两方面的含义： 首 先是小尺度上的各向同性.在小到几十弧分的范围内，辐射强度的起伏小于 0.2－0.3％；其 次是大尺度上的各向同性.沿天球各个不同方向，辐射强度的涨落小于 0.3％.各向同性说 明，在各个不同方向上，在各个相距非常遥远的天区之间，应当存在过相互的联系.起因： 1964 年， 美国贝尔电话实验室的两位工程师彭齐亚斯 （Penzias， A. A.）和威耳逊 （Wilson，R . W .）为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的接收天线系统. 他们安装了一架卫星通讯用的喇叭形天线.这架天线有很强的方向性，即喇叭口对向天空中 某方向时，地面及空中其它方向电磁波干扰都很微小.为了检验这台天线的低噪声性能，他 们避开噪声源而将天线指向天空进行测量，在波长 7.35 厘米处所作的测量已经表明，无论 天线指向什么天区， 总会接收到一定的微波噪声.这种噪声相当显著， 并且与方向无关.他们 日复一日，月复一月地进行测量，结果都是一样.它既没有周日变化，也没有季节变化.与地 球的自转和公转运动也没有明显关系.起先，他们怀疑这种噪声来自天线系统本身.1965 年 初，他们又对天线进行了彻底检查.他们拆卸了天线的喉部，发现有个鸽子窝，他们又把鸽 子窝清除掉.虽然做了种种努力， 仍无法把噪声降下来.从而排除了这种噪声来自天线系统本 身的可能性.就是说，这种噪声应当是来自空间的一种辐射.这种辐射相当于绝对温度在 2.5 －4.5K 之间的黑体辐射，通常称之为 3K 宇宙微波背景辐射.由于天顶方向和地平方向的大5气厚度明显不同， 彭齐亚斯和威尔逊测得的这种辐射与方向无关， 排除了地球大气层起源的 可能性.由于银河系物质分布不均匀， 因而也排除了银河系起源的可能性.微波背景辐射只可 能来自广阔的宇宙.更精确地说，微波背景辐射是高度各向同性的温度约为 2.7K 的黑体辐 射，这是一种充满宇宙各处的均匀辐射.彭齐亚斯和威尔逊在进行这项重要工作时，只是为 了测试他们的天线的性能.作为工程师， 在完成这项工作后以 《在 4080 兆赫上额外天线温度 的测量》为标题在《天体物理杂志》上发表他们的结果，意思是说，他们在频率 4080 兆赫 （即波长 7.35 厘米）处对天线噪声测得的有效温度比预期值高 2.5－4.5 度.1965 年他们又 将其修正为 3K，并将这一发现公布，为此获得了 1978 年的诺贝尔物理学奖.宇宙微波背景 辐射是无处不在的 3K 热(黑体)辐射， 因其峰值在微波区而得名.那问题就来了， 这个背景 辐射只是一个 3K 的低温热辐射而已， 而我们周围可是有一层厚厚的大气， 温度在 300K 左右. 根据黑体辐射公式，大气的热辐射在微波区要比 3K 的背景辐射强得多，我们怎么可能观测 得到这个背景辐射呢? 哪里才是解释的关键呢?因为地球大气的辐射 95％以上的能量集中在 3～120 微米内，只要测量远大于 120 微米波长的辐射，可以认为不受大气辐射的影响. 但波长大于 1 米，会受到银河系高频辐射的影响.从那以后，已经有许多人对微波背景辐射 作了详细的研究，在相当宽的波长范围内得到了支持黑体辐射谱的结果.也证明了高度各向 同性.1989 年 11 月宇宙背景探索卫星（COBE）升空，获得了丰富的数据，证明实测的微波 背景辐射谱非常精确地符合温度为 2.726±0.010K 的黑体辐射谱， 观测数据与黑体辐射理论 曲线的符合情况极好，卫星同时证明，这种辐射具有高度各向同性.1965 年初，彭齐斯和威 尔逊与狄克小组进行了互访， 最后共同确认这个相当于 3K 的宇宙背景辐射就是 “原始火球” 的残余辐射.这是对大爆炸理论的强有力支持， 从此， 大爆炸理论又获得了新生.这一发现终 于被狄克、皮伯斯、劳尔和威金森等人作为宇宙大爆炸理论的证据.也就是说，宇宙大爆炸 后约 200 亿年的今天，在宇宙间还残留着 3K 左右的辐射.1948 年, 美国科学家阿尔弗(Ralph Alpher)和赫尔曼(Robert Herman)预言，宇宙大 爆炸产生的残系辐射，由于宇宙的膨胀和冷却，如今它所具有的温度约为绝对零度以上 5 开，或者说 5K(绝对零度等于摄氏零下 273 度，即-273℃).但是他们的预言并未引起人们的 普遍重视.发展：但是多年以后，即 1965 年，美国新泽西州贝尔实验室的两位无线电工程师阿 尔诺?彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特?威尔逊(Robert Wilson)却十分意外地发现了这6种宇宙辐射场，当时他们正在为跟踪一颗卫星而校准一具很灵敏的无线电天线.与此同时， 在附近的普林斯顿大学， 由罗伯特?迪克(Robert Dicke)领导的一个科学家小组已独立地重 新发现了阿尔弗和赫尔曼早先作过的预言， 并着手设计一台探测器以供搜索大爆炸的残留辐 射.他们听说了贝尔实验室这台接收器中存在着无法阐明的噪声，并立即将它解释为源自大 爆炸的残余辐射.它相当于在电磁波谱的微波部分波长为 7．35 厘米的某种无线电波信号； 如果假设它是热辐射，那么它所具有的能量就相应于 2.7K 的温度--这与阿尔弗和赫尔曼富 于灵感的估计非常接近.它被称为&宇宙微波背景辐射&.宇宙微波背景辐射的存在， 给大爆炸 理论以有力的支持. 恩格斯说 “只有证明了由辐射而散失到空间的能量可以汇聚起来并重新 参与活动，才能彻底证明唯物论成立.” 据 2010 年 11 月 25 日出版的《科技日报》记者常 丽君报道，2010 年 11 月 23 日美国物理学家组织网公布，在宇宙微波背景辐射中发现了一 种圆环结构； 科学家解释说， 发现宇宙微波背景辐射中存在圆环结构并不是对大爆炸理论的 否定，而是支持可能存在多次大爆炸.这是英国牛津大学物理学家罗杰?彭罗斯和亚美尼亚 埃里温物理研究院的瓦赫?古萨德扬最近的发现.3、哈勃定律的提出1929 年哈勃在《美国国家科学院会议文集》上发表了&河外星云的距离与视向速度之 间的关系&， 在该文中， 哈勃根据有关旋涡星云距离的定量数据， 提出著名的哈勃定律： V=DH， 其中 V 就是星云的视向速度，D 是星云的距离，H 是哈勃常数.这是一个简明的线性关系，而 且天文观测的数据又吻合得极好，很快大家都接受哈勃的想法.74、Big Bang Cosmology 的简介 20 世纪最重要的宇宙学理论有 5 个：1. 大爆炸模型理论；2.恒稳态模型理论；3.准恒 稳态模型理论；4.马赫原理模型理论；5.大数定律模型理论.它们都必须与宇宙学观测实验 数据尽可能符合， 都必须符合所谓宇宙学原理： 宇宙大尺度是均匀的各向同性的加速膨胀的： 小尺度有结团（星系，星系团，超星系团等等） ；量子宇宙是封闭的没有奇点的膨胀与收缩 振荡的.目前，21 世纪主流科学认可的是大爆炸模型理论.实际上，宇宙大爆炸说真正的思 想起源可以追溯到更远的时期.对于大爆炸学说的思想起源，霍金在《时间简史》中写道： 当然，宇宙开端的问题在这之前很久就被讨论过.根据一些早先的宇宙论和犹太人／基督教 ／穆斯林传统，宇宙开端于有限的、并且不是非常远的过去的某一时刻.对这样一个开端， 有一种议论是感到必须有“第一原因”来解释宇宙的存在.（见《时间简史》第 17 页） 现代宇宙系中最有影响的一种学说，又称 Big Bang Cosmology 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 Big Bang Cosmology 宇宙学的观点，Big Bang Cosmology 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.“初始状态可能对于宇宙特征有过根本的影响，也许甚至影响到基本粒 子和力的性质.” 【1】美国物理学会前会长和哲学学会前会长 Weeler 教授认为：我们的 宇宙开始于所谓“普朗克量子” ，而终止于“黑洞”-----“大千世界源自量子比特” ！ 参考文献： 【1】 史蒂芬?霍金. 果壳里的宇宙 [M].湖南：湖南科学技术出版社，、大爆炸理论的实验根据 Big （1） Big Bang Bang Cosmology 模型能统一地说明以下几个观测事实： Cosmology 理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而8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 Big Bang Cosmology 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.Big Bang Cosmology 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.1964 年，美国贝尔实验室的工程师阿诺?彭齐亚 斯(Penzias)和罗伯特?威尔逊(Wilson)在一次检测天线噪音性能的实验中 偶然发现了太空中存在波长为 7.35cm 的微波辐射， 并且是一个各向同性的讯 号.这个信号既没有周日的变化也没有季节的变化.这个额外的辐射就是宇宙 微波背景辐射，对应到约为 3K 的宇宙空间黑体辐射.彭齐亚斯和威尔逊也因 发现了宇宙微波背景辐射而获得 1978 年的诺贝尔物理学奖.根据 1989 年 11 月升空的宇宙背景探测者（COBE，Cosmic Background Explorer）测量到的 结果， 宇宙微波背景辐射谱非常精确地符合温度为 2.726±0.010K 的黑体辐 射谱 .继 COBE 之后，比 COBE 角分辨率高近 70 倍的 WMAP（WilkinsonMicrowave Anisotropy ProbeNASA）的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP） 于 2001 年进入太空，对宇宙微波背景辐射进行更精确的观测，WMAP 测量到 的结果显示宇宙微波背景辐射谱非常精确地符合温度为 2.725±0.002K 的 黑体辐射谱，因此 WMAP 的功劳在于清晰地确认了 COBE 的成果.Big Bang Cosmology 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. 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9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.当观测者或观测器面对星空时，他（或它）就位于 R = ∫0 C（t） dt 的球心位置，C（t）是星际空间的光速，T 就是他（或它）观测星空的时 刻，以 C（t）St 为半径的球面处的景象是在 T 时刻前St 时发出的光带来的 景象映射，T C（t）为半径的球面处的景象是在观测前 T 时刻（也就是 0 时刻） 发出的光带来的景象映射，这些景象是在 T 时刻同时映射到他（或它）的观测 点的.可见在他（或它）的面前展现的是一幅时间间隔为 0 到 T 的宇宙景象的 历史画面.离他（或它）越近的是时间越接近其观测时刻的景象，离他（或它） 越远的是时间越遥远时的景象.近期的景象信号越强又最接近，故细节观测得 越清楚； 遥远的信号传输的时间和距离越久远， 信号就最弱， 越难分辨其面目. 所以，任何观测者在任何地点、任何时候面对星空时，他都感觉自己是处于宇 宙的中心，离它观测的时刻越久远，它看到的宇宙的范围就越宽广；离它观测 的时刻越近， 它看到的宇宙的范围就越窄小， 他永远也看不到宇宙在他观测时 刻的实时全景！从而，不同的观测者在任何地点、任何时候看到的宇宙景象， 只有时间越久远的，才看得越一致；时间越近的，各人看到的差别就越大.就 全景而言，各人的观察是不全相同的.一个人在平地上平视的视野不超过 3 公 里，站在 200 米的高塔或山顶上，视野不超过 30 公里，这样的范围内他接受 到的光信息时间差不足 0.1 毫秒， 而通常人视觉的时间分辨率仅为 10 毫秒 （如 果一个人对距离一米处的图象能分辨 1 毫米的细节，那他对一公里外的物体， 三米大小内的景象就无法辨明了，只有靠望远镜来提高空间分辨率）.从而， 人们都以为在他视野中看到的一切都是瞬间发生的， 都是他在观测的时刻发生 的，是与他同时存在的事物.而以此经验去观测星空，他也以为离他多远的星 体只是距离问题，没意识到时间上的差异.这也说明观测实际上已包含着光的 性质（光速） ，如果光速是无穷大的，就没此问题；如果光速与声速一样，也 只每秒数百米，那么信息传输的延迟现象就会非常明显了.我们也就不会先见10T闪电后闻雷声，或先见超音速飞机后听到飞机的轰鸣了. （4） 在 1998 年 , 由美国加里福里亚大学的劳仑斯伯克莱国家实验室的 Saul Perlmutter 教授和澳大利亚国立大学的 Brain Schmidt 所分别领导的两个小 组通过对 Ia 型超新星爆炸的观测发现了我们宇宙的加速膨胀,他们指出那些 遥远的星系正在加速地离开我们. 【1】 有许多实验的结果已与 Big Bang Cosmology 的预言相符，比如早在 1948 年，科学家 预言 Big Bang Cosmology 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 Big Bang Cosmology 的 space-time 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 Big Bang Cosmology 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 Big Bang Cosmology 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 Big Bang Cosmology 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 Big Bang Cosmology 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. 奇点物质是能级无限大的物质.根据相对论理论的宇宙能量方程 V+U＝－K/2， 当物质半 径 R→0 时，曲率 K→∞，能量 V+U→－∞，其中动能 V→0，势能 U→－∞.R→0 时的物质状 态就是没有质点（没有大小）的奇点.据英国《星期日泰晤士报》 报道，霍金与其合作者、 英国剑桥大学数学物理教授图罗克最新提出的&开放暴胀&理论认为， 宇宙最初的模样像一个 豌豆的物体， 悬浮于一片没有时间的真空， &豌豆&状的宇宙存在的时间与&大爆炸&相隔一个 极短瞬间.该理论认为，&豌豆&状的宇宙在&大爆炸&前的瞬间内经历了被称为&暴胀&的极其 快速的膨胀过程.宇宙在大爆炸后不到１秒的时间里膨胀了大约１０^３０倍， 大约和橘子一 般大小，然后开始以较稳定的速率膨胀，直到现在，大约１５０亿年，成为目前的样子.另11外，霍金和图罗克还根据&开放暴胀&理论推断，宇宙最终将无限地膨胀下去，而不是像一些 天文学家所认为的，膨胀到一定程度后会在引力作用下收缩.在这个过程中，物质“疙瘩” 逐步形成了星系、 恒星以及生命.这个模型暴胀期的长短是个关键.若稍短， 物质为充分散开， 原生宇宙就有重新坍缩为起点；若稍长，原生宇宙的物质则过于分散，形不成星系和恒星， 自然也就不会出现生命和人类.１９８７年霍金进一步提出了“婴儿宇宙”模型，两个大宇 宙通过一个细“管子”连接起来，这个细管子称为“虫洞” ，大宇宙为母宇宙，可能存在着 从母宇宙分岔出去的另一端是自由的虫洞，这样的管子成为子宇宙、婴儿宇宙.就是说除了 我们生存的宇宙之外还可能存在着众多的由虫洞连接起来的其他宇宙. １９９２年，萨莫林在前人基础上提出了宇宙自然选择学说.母宇宙是空间闭合的，犹 如一个黑洞， 该黑洞在生存了一段时间后坍缩为一个奇点， 奇点又会反弹爆炸膨胀为新的下 一代宇宙.这个学说的要点是，子宇宙中的物理常数较之母宇宙的物理常数会有小的、或强 或弱的随机变异， 新生的婴儿宇宙在再次坍缩成奇点前能膨胀到几倍普克郎长度大小， 随机 变异的物理常数有可能允许小小的暴胀，子宇宙可变的较大，当它足够大时，可分隔为两个 或更多的不同区域，每个区域又坍缩为一个新的奇点，新奇点又触发下一代的子宇宙，如此 时代相传， 有的小宇宙重又坍缩， 有的具有某些基本常数值的宇宙能更有效的产生许多黑洞， 从而较具有其他某些基本常数值的宇宙留下更多的后代， 借用生物进化论的术语， 它们是被 “自然选择”下来的，经“选择”作用，产生越来越多的黑洞，也就形成了更多的宇宙.如 果宇宙确是由以前的宇宙世代经过这种“自然选择”而产生的话，那么应该预期我们生存在 其中的宇宙会具有所观测到的样子并正好具有目前测知的基本常数值.这个学说的另一要点 是关于恒星的存在.在许多情况下，恒星是黑洞的前身.在气体和尘埃云中，恒星仍在形成. 在碳尘埃微粒表面进行着的化学反应使气体冷却并促使气云坍缩.但碳尘埃粒子是从那里来 的呢？斯莫林指出， 碳元素是由核聚变反应产生的这一情况只有在质子的质量稍大于中子的 质量时才会发生， 如果两者质量之差比氦核的结合能大的多， 则质子和中子不可能粘在一起 形成氦核.没有氦，聚变反应链在第一阶段便终止了，根本形不成更重的元素，从而使恒星 将少得多，自然也不会有多少黑洞，因此在任何一个宇宙中，若其中质子与中子的质量相差 较大，将只能产生很少的宇宙，也就没有什么“选择”的余地了. 下面是 science 上关于宇宙形状的近期报道： 时空结构将宇宙微波背景（CMB）和宇宙的重要结构连在了一起.但是究竟时空结构是什么，而 CMB 的测量又能告诉我们什么 呢？在爱因斯坦的广义相对论中， 空间和时间被连接在一个有弹性的“簇拓扑空间”――一 个数学对象中，这个拓扑空间的每个小片粗看象一个四维的橡胶片.光线沿拓扑空间的轮廓12前进，这个轮廓被叫做测地线.在一个平坦的平面上，从一个远距离对象发出的平行光将保 持和它们接近一个观测者时同样远近的分隔.但是在一个有正曲率的表面，如一个球，接近 的光线将移动更远的间隔， 使得远处的物体看起来比正常物体更大.在一个有负曲率的表面， 如一个马鞍，平行光束将更紧密的结合在一起，使得物体看起来更小.因为弯曲的簇拓扑空 间对光的扭曲不同于扁平的簇拓扑空间，所以弯曲的簇拓扑空间也应该产生不同种类的 CMB. 用微波探测器（叫做 BOOMERANG）观察到的 1-degree-wide 波正好是理论预言的扁平宇宙所 应该有的，对于这个结论大部分物理学家至少希望用微波各向异性探针的（MAP'S）图象证 实.一些研究者希望 MAP 将给出关于宇宙大小和形状的更多详细而精确的信息.“当我们看 微波背景的时候， 我们基本上留意到了球的表面， ” 普林斯顿大学的一个天体物理学家和MAP 科学队的一个成员 David Spergel 解释道.如果宇宙是无限的，那么“最后散射的表 面”将不能给出关于它的形状的线索.但是如果宇宙是有限的，那么时空和安置在时空当中 的散射表面必需使它们自身向后弯.一个足够巨大的球将会把自己相交贯穿至少形成一个圆 周，正如一个围绕着销子搭接起来的圆盘一样. 实际上，Spergel 说，因为光能通过不止一个路径穿过弯曲的时空， 所以天文学家将看到一个交叉点不是一次而是两次， 与一对圆周 在天空的不同部分描绘出冷点和热点的方式相同.在美国的 Spergel 组和在巴黎天文台由 Jean-Pierre Luminet 领导的组正在研制一些运算法则以搜索在 MAP 数据中的这种信号.其 间，数学家 Jeff Weeks，一个纽约州的自由记者已经写了一个把一对圆周转化为宇宙模式 的计算机运算法则.Weeks 说，对形象化最容易的是一个“曲面（toroidal）”宇宙比最后 散射的表面小.他指出，在包围着一个圆环面的两维宇宙中，天文学家看起来将在假想出的 空间的盒子的相对的两个壁上看到同样的点.相似的，在三维曲面（toroidal）宇宙中，天 文学家将在相对的方向看到三对圆周. toroidality 仅仅是对扁平的有限宇宙来说 10 个不同 toroidality 之中最简单的一个.如果宇宙被证实是弯曲的――这一点在当前还不是事实 ――那么对 Weeks 的运算法则来说将会有无限多的可能性去尝试.“我们将开始尽可能快的 关注任何可用的数据，”Weeks 说.如果宇宙合作，他们可以不用等太长时间，Spergel 说： “两年后，我们就能知道我们住在一个有限的宇宙中.” 注解：CMB 是从各个方向袭击地球的持续的电磁声波.这些遥远的声音是大爆炸之后的遗留辐射 .CMB 也叫做宇宙背景辐 射和微波宇宙背景 霍金和图罗克的新理论在科学界引起了不同的反应.&暴胀&理论权威之一、俄罗斯物理 学家林德对霍金等的理论提出了批评.林德称，宇宙自始至终存在，试图发现一个起点和所 谓的终点是没有意义的.而英国的一些著名天文学家则出言谨慎.他们指出， 霍金的新理论完13全是按照物理学定律纯理论推算的结果， 它是否揭示了宇宙的本质还有待干实际观测的考验. 据悉， 美国将于两年后发射一颗卫星来测量宇宙大爆炸遗留的微波辐射， 这很可能为霍金的 理论提供检验.霍金曾经花了很长一段时间去研究宇宙大挤压(反演)，爱因斯坦的宇宙学公 式曾预言也许有这么一个演化阶段存在.那是一个逆演着的时空过程，物理理论几乎全部翻 了过来，得出的结论也太荒谬.最后，霍金也不得不放弃他的这个研究. 对于这个“宇宙学的黄金时代”，科学出版社出版的《10000 个科学难题（物理学卷）》 一书开篇，中科院理论物理研究所的李淼教授也把大爆炸之前宇宙是什么样子回答清楚了. 李淼教授说，大爆炸之前宇宙是什么样子？现在流行的看法是，在物质产生之前，宇宙经过 一个剧烈膨胀时期，叫暴涨时期.研究暴涨时期的“之前”有物理意义.因为，即使时间不复 存在， 我们可以问取代时间的概念是什么？近年来关于量子引力的研究结果建议我们用抽象 的代数来取代几何概念，就是说，不但时间不复存在，就是空间也不复存在了.这种抽象概 念无法用寻常的图像来解释，就像温度这个宏观概念，用到极端如越来越小的体系时，温度 会不在适用，而更加正确的概念是分子原子的运动.不过，我们现在还不能肯定暴涨之前时 间和空间肯定消失了，因为还存在一些其他理论.其次，一门学科成熟的标志是研究进入误 差很小的定量化阶段，2006 年诺贝尔物理学奖授予 20 世纪 90 年代初的一项实验发现，授 奖的一个重要原因是， 这项发现再次证实了大爆炸理论， 因为大爆炸理论预言了微波辐射的 涨落. 按照爱因斯坦的论述（1919 年） ，理论有两大类.一类他称为“构建性理论” ，气体动理 论就是这类理论的一个范例.另一类他称为 “原理性理论” ， 经典热力学和相对论是这类理论 的范例.笔者认为，大爆炸理论应当为“构建性理论.” 附录： 1、 “据美国《发现》杂志网站记者 Adam Frank2001 年 6 月 25 日报道，美国莱切 斯特(Rochester)大学激光能量实验室(Laboratory for Laser Energetics)的天体物理 学家们人工构造了一个宇宙诞生初期的环境， 并将在这一环境中尝试让一个新的宇宙诞 生.” “据该文报道，这个实验室足足有一个足球场那么大，内有几百吨重的玻璃、钢和塑 料，这些材料被混合在一起形成世界上最大的激光源，称作 Omega 激光源.而且，为了验证 这一激光源的强大威力， 每隔一小时， 这一强大的能量库就会通过一个超强的闪光灯发射出 15000 伏特的电流，同时产生 60 束分离的中子流，这些中子流呼啸着穿过 180 英尺长的玻 璃架， 到达一个灼灼闪光的分隔为两层的目标分隔实验间内.在一个巨大的蓝色球体的中心，1460 束激光聚焦在空间上的一点，精确度是千分之一英寸.紧接着，所有巨大的能量都释放出 来，在这一瞬间，科学家可以创造出只有在一个恒星内部才有的压力和温度.这时候，在只 有针尖大小的一点上集中了 60000 亿瓦特的电流， 这简直是不可思议的， 比整个美国任何时 候所需要的全部电流都要大.” 2、新华社电 日本名古屋大学日前公布，由该校研究生院专家参与的一个研究小组在 银河系附近大小麦哲伦星云之间发现７个能演变为星系的分子云， 为“星系仍在不断诞生” 的观点提供了证据. 研究人员利用位于智利的南天射电望远镜观察连接大小麦哲伦星云的氢原子气体带“麦哲伦桥”，并在其中距离地球约２０万光年处发现了７个分子云.这 ７个分子云聚集在约６０００光年的范围内. 通过计算这些分子云的质量和运动速度，研究人员推测， ２０亿至３０亿年后这些分子云将演变为气体和超过１００万个恒星， 从而 形成小型星系. 大小麦哲伦星云是离银河系最近的星系， 而之前发现的“星系种子”都距离地球１０００万光年以上.参与研究的名古屋大学天体物理学专家福井康雄说，此次是 科学家首次在距地球如此近的地方发现分子云，为星系仍在不断诞生的观点提供了证据.同 时，这也为近距离、详细观察分子云提供了可能，有助于早日解开星系形成之谜.3、新华网北京 2006 年 10 月 3 日电（记者颜亮）宇宙起源和命运的线索隐藏在它早期产生 的微波背景辐射中.美国科学家约翰?马瑟和乔治?斯穆特凭借他们在宇宙微波背景辐射研 究领域取得的成果，将宇宙学带入“精确研究”时代，并因此荣膺今年诺贝尔物理学奖.目前科学界普遍接受的宇宙起源理论认为， 宇宙诞生于距今约 137 亿年前的一次大爆炸. 微波背景辐射作为大爆炸的“余烬”， 均匀地分布于宇宙空间.测量宇宙中的微波背景辐射， 可以“回望”宇宙的“婴儿时代”场景，并了解宇宙中恒星和星系的形成过程.虽然人们在上世纪 60 年代就已知道微波背景辐射的存在，但针对这种大爆炸“余烬” 的测量工作一开始都是在地面上展开，进展十分缓慢.大爆炸理论曾预测，微波背景辐射应 该具有黑体辐射特性，但一直未能得到地面观测结果的确认.借助 1989 年发射的ＣＯＢＥ卫星， 马瑟和斯穆特领导的 1000 多人研究团队首次完成了 对宇宙微波背景辐射的太空观测研究.他们对ＣＯＢＥ卫星测量结果进行分析计算后发现， 宇宙微波背景辐射与黑体辐射非常吻合，从而为大爆炸理论提供了进一步支持.15另外， 马瑟和斯穆特等还借助ＣＯＢＥ卫星的测量发现， 宇宙微波背景辐射在不同方向 上温度有着极其微小的差异，也就是说存在所谓的各向异性.这种微小差异揭示了宇宙中的 物质如何积聚成恒星和星系.诺贝尔奖评审委员会提供的材料介绍说，如果没有这样一种机 制，那么今天的宇宙很可能完全不是现在这个样子，其中的物质也许像淤泥一样均匀分布.马瑟和斯穆特等人实现了对微波背景辐射的精确测量，标志着宇宙学进入了“精确研 究”时代.著名科学家霍金评论说， ＣＯＢＥ项目的研究成果堪称 20 世纪最重要的科学成就. 在ＣＯＢＥ项目的基础上， 耗资 1． 45 亿美元的美国“威尔金森微波各向异性探测器”2001 年进入太空，对宇宙微波背景辐射进行了更精确的观测.而欧洲“普朗克”卫星不久也将发 射升空，继续提高研究的精确度. 参考文献： 【2】 王义超: 暗能量的幽灵. 中国 &财经& 杂志, 总 176 期,
附录 1:70 亿光年外发现巨型星系团 质量为太阳 800 万亿倍16这张图像是由斯必泽红外空间望远镜和位于智利托洛洛山的泛美天文台 4 米口径望远 镜获取的数据合成的.图中，老年星系成员被用黄色圈子圈出，而年轻成员则用蓝色圈子圈 出. 最近天文学家观测到一个距离地球达 70 亿光年的巨型星系团.这个庞然大物的质量大 约为 800 万亿个太阳质量， 包含数百个星系， 这使其成为在如此遥远距离上发现过的质量最 大的星系团. 尽管它的质量如此之大，但要不是注意到了它强大的引力对宇宙微波背景辐射效应造 成的扭曲影响，科学家们还不会发现它.根据大爆炸理论，宇宙微波背景辐射(CMBR)是宇宙 诞生时产生的辐射残余.大爆炸发生之后，离子和电子形成了宇宙中第一批原子，并辐射出 光子， 这些光子在接下来的 137 亿年中穿越广袤的物质宇宙， 最终抵达地球上的望远镜而被 人看到.当光子穿越大质量星系团时，由于 S-Z 效应的作用，它将受到影响，从而改变性质. 大质量星系团中大量的高能电子与宇宙微波背景辐射的光子碰撞， 将其一部分能量传递给后 者并使其成为高能光子，这一过程也被称作“逆康普顿散射”. 利用这种效应， 研究人员使用位于南极的南极望远镜(SPT)已经成功找到了几个隐藏的 星系团.但这次新发现的这个是其中质量最大的一个，它已经被命名为 SPT-CL J. 因为这一大质量星系团极度遥远，因此我们现在所看到的是它在 70 亿年前的模样，那 时候宇宙年龄只有现在的一半，而我们的太阳系还没有形成.但即便是这时，它的质量已经 差不多和附近的后发座星系团相当，而这是我们已知密度最大的星系团之一.在那之后的漫 长岁月中， 天文学家估计其质量至少已经增长了 4 倍， 这将使其成为宇宙中质量最大的星系 团之一.关于这一星系团的研究细节将发表于《天体物理学快报》（Astrophysical JournalLetters）.但是这一星系团也表现出不寻常的一面.其内部充满着已经看不到快速恒星孕育场面 的星系，这表明这些星系都已经进入老年.这也说明这一星系团一定是在宇宙形成之后最初 的 20 亿年内便开始成型的.所配的这张图像是由斯必泽红外空间望远镜和位于智利托洛洛 山的泛美天文台 4 米口径望远镜获取的数据合成的.图中， 老年星系成员被用黄色圈子圈出， 而年轻成员则用蓝色圈子圈出. 对这样遥远距离上的大质量星系团的观测数据可以帮助研究人员进一步理解暗物质和 暗能量是如何影响宇宙结构的形成的. 6、大爆炸理论的经典力学基础17事实上米恩在 1943 年就指出【1】 ，牛顿引力理论也能用来描述宇宙膨胀.除了不含宇宙 常数项外， 导出的动力学方程与弗里德曼宇宙学方程完全一样 （曲率常数等价于积分常数） . 运动方程中不含任何相对论修正因子， 这个结果也告诉我们， 罗伯逊―沃克度规描述的实际 上仅是牛顿力学意义上的时空结构.建立在罗伯逊―沃克度规基础上的宇宙学理论在本质上 是牛顿力学意义上的理论，它最多仅适用与宇宙膨胀速度大大小于光速情况下的宇宙过程. 这也是在许多情况下，现有标准宇宙学理论能与实际天文观察相一致的原因.但它不适合于 描述高速膨胀情况下的宇宙过程， 对于宇宙膨胀速度较大的情况， 比如位于宇宙学距离上的 超新星红移问题，建立在罗伯逊―沃克度规基础上的推论是靠不住的. 参考文献： 【1】E. A. Milne, A Newtonian Expanding Universe, General Relativity and Gravitation, Volume 32, Number 9 , Publisher: Springer Netherlands , September (2000). 7、大爆炸理论的广义相对论基础 2006 年 6 月 19 日，霍金在北京人民大会堂谈到：“为了理解宇宙的起源，我们必须把 广义相对论和量子理论相结合.最重要的问题是理解宇宙为什么是这样子，怎样变成这个样 子？??宇宙起源于爆炸，时间终结于黑洞??”.研究广义相对论，就不能不提到著名的 奇点定理.在 1965 年至 1970 年之间，彭罗斯和霍金证明了广义相对论的奇点定理，他们得 出：在广义相对论中奇点是不可避免的，即只要爱因斯坦的广义相对论正确，并且因果性成 立，那么任何有物质的时空，都至少存在一个奇点.【1】――【3】 爱因斯坦宇宙模型的提出dl2 ? R2{dr2 /(1 ? r 2 ) ? r 2 (d? 2 ? sin 2 ?d? 2 )}广义相对论:?? ? ?4?G ( ? ? 3 P 3R )R c2 ? 2 ? kc2 ? 8?G ?R 2 R 3(k只能取3个值： ?（有限）、 1 （平直）、 0 ?（无限） 1 ) ? ? 0： 要求k为正，即k ? ?1, 宇宙有限 R P ?? ? 0： 因?和P均为正， ??不可能为0。 R 不可能有?＝ ? 3 , R c2 广义相对论： 不可能有静止宇宙1917 年，爱因斯坦发表《根据广义相对论对宇宙所做的考查》 ，首次将广义相 对论应用于宇宙学.现代宇宙学由此开始.为了得到一个静态宇宙模型，他在引力场 方程中加上了一个宇宙项，得出 Rμ ν －λ gμ ν＝－k（Tμ ν－ 1/2 gμ νT）.由此爱因斯坦得出一个静态的、有界、无边的宇宙模型.181973 年，霍金和埃利斯出版了《时空的大尺度结构》一书，这本书是霍金的一部代表 作，书中的部分内容是基于霍金的 Adams 奖的获奖论文.在这本书里，霍金对奇点定理做了 总结，并在此基础上，提出了关于宇宙的两个预言：其一，大质量星体的最终归宿是塌缩到 事件视界背后的包含奇点的黑洞，即宇宙中存在黑洞.其二，我们的过去存在奇点，它构成 了宇宙的开端.【4】 由此可见，奇点定理为黑洞和大爆炸宇宙学提供了理论依据.毫无疑问，霍金对奇点定 理的数学推导是正确的，但问题的关键是如何在物理上解释这个定理. 自从奇点定理提出后，一些广义相对论的研究人员认为：既然爱因斯坦广义相对论是 正确的，根据奇点定理，奇点将不可避免，因此，物理学应该接纳奇点，接纳无穷大.这就 是目前许多理论物理学家对奇点定理的理解.基于这种观点， 在过去的 40 多年里， 与奇点相 关的一些领域，例如黑洞和大爆炸宇宙理论得到了发展.在黑洞理论中，黑洞中心是一个奇 点，在奇点处，物质的压力无穷大，物质的密度也是无穷大，在黑洞的外面，还存在一个无 限红移面， 为了避免裸奇点的出现， 彭罗斯还提出了宇宙监督假说.大爆炸宇宙学打破了 “物 质不灭p时间永恒”的观念，提出了宇宙有开端，时间有起点的观点. 奇点定理实际上提出了一个问题， 物理上究竟允许不允许出现无穷大， 要回答这个问题， 历史上的经验值得借鉴，在物理学的历史上，只要物理理论中出现无穷大，这个理论多半就 是错误的，或者是一件不可能发生的事情，例如：理想流体中会出现奇点，这说明理想流体 理论所描述的运动，不是真实的流体运动，真实的流体有粘性. 在黑体辐射公式中的紫外灾难，表明 Rayleigh-Jeans 的公式有漏洞，因而普朗克建立 了量子理论.而以光速运动的物体将具有无穷大的质量，让爱因斯坦提出了物体运动不可能 达到光速.由此可见，在物理学的其它分支，物理理论中是不允许有无穷大的结果出现.只要 物理理论中出现无穷大，这个理论多半就是错误的.既然奇点定理得出在广义相对论中奇点 是不可避免的，那么，对奇点定理实际上还存在另一种解释，即在爱因斯坦的广义相对论中 一定存在问题.找出广义相对论存在的问题，找出奇点产生的根源，对爱因斯坦理论进行修 正，这才是广义相对论研究的正确方向. 参考文献 【1】Penrose, R., Phys. Rev. Lett., . 【2】Hawking, S. W., Proc. Roy. Soc. Lond. 1967, A300, p187. 【3】Hawking, S. W., Penrose, R., Proc. Roy. Soc. Lond. 1970, A314, p529. 【4】 Hawking S W, Ellis G F R. The large scale structure of space-time. Cambridge:19Cambridge University Press, 1973. 8、大爆炸理论与现代物理学基本原理之间的矛盾 现代物理学认为物质之间有四种相互作用， 可是大爆炸理论没有提及大爆炸是何种相 互作用.能量守恒定律认为能量是不可创造，质量守恒定律认为质量是不可创造，电荷守恒 定律认为电荷是不可创造,大爆炸理论认为能量、物质（质量） 、电荷、空间、时间已经被一 个无限小的点爆炸创造， 并且是在四大皆空发生的， 如何理解这些关系？大爆炸理论和动量 守恒定律以及角动量守恒都是不相容的. 从辩证唯物主义的观点来看，宇宙大爆炸理论显然是错误的，因为能量守恒和质量守 恒定律是宇宙中的最基本定律， 大爆炸只能使能量和质量改变形态， 其数量在爆炸前后应相 等，绝不可能从某个时刻开始无中生有. 李新民先生提出了大爆炸理论的十个问题:1.炸出了时间的起点， 产生了创世的哲学问 题，支持了上帝创世的宗教学说.2.炸出了客观规律，客观规律的出现从创世的那天才有， 并且在不同的爆炸阶段表现不同.例如，任何物质都受大爆炸力的一个作用方向，那么任何 物质都存在一个不同的惯性趋向，即物质的惯性各不同.3.炸出了绝对运动，物质粒子从静 止被炸开，从静止开始运动，并且爆炸力驱动物质产生绝对运动.4.炸出了无穷大的能量， 即提供爆炸力的能量是无穷大的.5.炸出了运动， 和现有的科学理论发生冲突.即， 运动不是 绝对的和永恒的.6.炸出了宇宙是有限的， 宇宙是从有限大小开始爆炸的.7.炸出了绝对空间. 在以大爆炸为圆心的任一法线上， 其物质运动矢量方向不同.8.炸出了真空空间.爆炸区域外 是真空空间，宇宙正在向外面的真空空间膨胀.即空间分成两部分，宇宙内是充满物质和光 子的空间， 宇宙外是真空空间.9.宇宙暴涨， 暴涨出了一个人择的宇宙.我们的宇宙是平坦的， 膨胀的，有规律可循的.而其他宇宙是惊涛骇浪，坑坑洼洼，并且和我们相邻的宇宙，光信 号无法传达，无法联系，不是各宇宙的光不一样，就是各宇宙之间有一堵无法穿越的墙.10. 宇宙暴涨，暴涨出宇宙有第二次点火的意志和第二次能量来源.设星系在△t 内退离距离△D=V△t=HD△t；依据哈勃关系式△λ /λ =△D/D，△λ 应 随时间线性增加，即该定律成立的必要条件是红移谱线持续移动而不是红移.取 H=3?10 m/s?光年， 代入后可以得到： △λ /λ =△D/D=H△t=3?10 m/s?光年?△t=10 / 年?△t,也就是说，任一星系的△λ /λ 都将以每年 10 持续增加.60 年代的观测精度 (△λ /λ ～2.5?10 )已达这个数据的 4?10 倍，要证明哈勃定律成立，就必须提供同一 星系△λ /λ 随时间线性增加的观测证据.近 40 年来， 新理论与新技术的结合， 相继发现了20-15 4 -10 -2 -2 -10一些不调和的红移现象.海尔天文台的阿普 80 年代末就宣称： “我们已知有 38 个不调和红 移天体与 24 个星系相关联.这个数字之大，不允许我们将它一笔勾销”.依据这些佐证，至 少在某些情况下， 关于红移跟膨胀关联是“唯一的”传统解释并不能成立.红移跟运动的关 联确实并不具有唯一性：依据广义相对论，具有强引力场的静止物体发出的光，在引力势 较高处观测也要红移.即光的频移有两种机制；通常的解释是：“引力不能定量解释星系的 普遍红移，引力效应至少不占主导地位” ，可以忽略不计.60 年代苏联专家利用穆斯堡尔效应在高度差 H=22.5m 的条件下， “极其精密地测得 57Fe 的一条 γ 谱线的紫移，波长相对变化仅有△λ /λ ～gH/C ～2.5?10 ，与理论预告 值在误差范围内符合”.引力频移被精确地测量出来后， 就不得不承认“引力是一种极其巨 大的力量”.据此不难算出，在地球引力场中以光速通过 22.5m，需时 △t1=h/C=22.5m/ （3?108ms ）=7.5?10 s.由哈勃关系△λ /λ =△D/D=H△t=10 /年?△t；当△λ /λ ～ 2.5?10 时， △t =2.5?10-15?3.15?10 s/10 =7.88?10 s.即在相对频移量相同的情况 下，哈勃效应需要 7.88?10 s，而引力效应则只需要 7.5?10 s；故而可得引力效应/哈勃 效应=7.88?10 s/（7.5?10 s）=1.5?10 .面对这样的计算结果，由列梅特、伽莫夫等人 依据哈勃定律发展而来的大爆炸-膨胀宇宙论，其基础已经彻底崩塌而无疑.哈勃的观测结 果并没有错；但是这个结果只是“宇宙在膨胀”的充分条件，“宇宙在膨胀”的必要条件 是红移谱线“持续移动”而不是“红移”. 9、 相对性原理和宇宙学原理的疑难 在相对论体系中, 一些基本原理之间的关系并不完全协调. 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 Big Bang Cosmology 理论. 爱因斯坦说：“我们也不知道，究竟是不是只有在有重物质的附近，它的结构才同洛 伦兹以太的结构不大相同， 以及宇宙范围的空间几何究竟是不是近乎欧几里德的， 但是我们 根据相对论的引力方程却可以断言， 只要宇宙中存在一个哪怕很小的正的物质平均密度， 宇 宙数量级的空间的性状就必定存在着对欧几里德几何的偏离.在这种情况下，宇宙在空间上 必定是封闭的和大小有限的， 其大小则取决于 （物质的） 平均密度.”但是， 物理学家讲“就 整个宇宙来说，空间的弯曲有多大呢？30 多年来对此做了许多直接的测量和间接的测量， 很遗憾没有一致的结果.几乎一半的结果支持宇宙空间是属于三角形三内角和大于 180°的2 -8 10 2 -8 -15 2 7 -10 2 -1 -8 -10 2 -1521类型，而另一半则认为它是属于小于 180°的类型.这种平分天下的现象使敏感的人意识到， 真正的情况可能正是两方的平均，即三内角和等于 180 度，宇宙空间不存在弯曲.的确，如 果回到宇宙早期去考查，这种观点就更加令人信服了.因为，即使用现代相当分散的数据， 也都表明早期宇宙的空间不存在弯曲.这一结论的精度高达 10 ，这可能是目前已知的一种 最精确的‘不存在’.”“现代宇宙学正在努力寻求证明：我们生活的宇宙，在大尺度上必 定（或非常近于）是欧氏空间.”-60在 COBE 和 WMAP 观察到的‘微波背景辐射温度谱’图中， 明显存在有一个偶极矩.这个 偶极矩被解释为是由于银河系中心的空间运动产生的多普勒效应.根据 COBE 的观测结果， 给出的数据是：银河系中心的空间运动的速度是 547 km/s，运动的方向指向银经 266 度， 银纬 29 度.然而根据标准宇宙学模型中的哈勃定律，银河系中心是不应当存在这个空间运 动.由此可见宇宙学原理从银河系中心的这个空间运动的存在，也是不能成立的.银河系中 心的这个空间运动显然可以理解为是相对于牛顿的‘绝对惯性参考系’的运动.关于用微波背景辐射定义的‘绝对惯性系’的物理意义，俞允强教授在他的‘热大爆炸 宇宙学’一书中有这样的论述： ‘考虑到宇宙介质和它占据的空间都在膨胀， 全局性的参考 系是不存在的.因为参考系须由一群相对静止的物体组成 .实际使用的参考系都只是局域的 测量基准.上面讲的静止系也只是局域的.以观测到的背景辐射为各向同性作准则， 不同的地 方有各自的静止系.它们之间是随着宇宙的膨胀而有相对运动.所以， 这样的静止系与牛顿的 绝对空间很不一样’. 英国著名学者邦迪早在 1962 年《物理学和宇宙学》的演说中明确提出，相对性原理要 求惯性系之间没有优越的速度， 河外星系红移等却具有优越速度； 满足相对性原理的基本物 理规律没有时间方向，宇宙演化本身就给出时间方向“在宇宙学和通常的物理学之间，看来 存在着明显的冲突.”微波背景辐射发现后，问题更加突出.1971 年，爱氏的学生和追随者 伯格曼在《宇宙学作为科学》一文中认为， “宇宙环境对于局部实验的影响导致相对性原理 的等效破坏.”但是，在相对论体系中分析宇观效应的数据，仍然要用以相对性原理和庞加 莱不变性为依据的基本物理量和有关物理规律.这就出现问题：在什么意义下可以利用闵氏 时空和庞加莱不变性下的物理量和物理规律，来分析有关宇宙效应的数据 ?近似程度如何? 在相对论体系中二者如何协调? 通常认为，这些不协调是对于两类不同的物理问题所引起的，不是本质的冲突.就像22其他物理理论一样，往往可以用来研究具有不同对称性的物理系统.然而，狭义相对论与宇 宙学的关系却并非如此：两者都是关于时空的理论，宇宙学的基础广义相对论，是以狭义相 对论为基础建立起来的；而相对性原理却又明显与宇宙学观测不相容.事实上一切实验和观 测都是在我们的宇宙之中进行的， 如果找不到我们的宇宙所近似满足的宁宙学原理和相对性 原理之间的关系， 在宇观尺度上， 由相对论以及庞加莱不变性引申出来的观念和理沦就会失 去严格的基础.何况，物理学的一个重要趋势，是将宇观尺度与微观尺度的物理联系起来， 由相同的物理规律来描述.这就必须解决相对性原理与宇宙学间的不协调 .然而在相对论体 系中却无法做到. 其实，这种不协调甚至可以追溯到伽利略.在划时代名著《关于托勒玫和哥白尼两大 世界体系的对话》 (1632 年)中， 伽利略论述了在平静水面上静止或平稳匀速航行的大船中， 人们通过在船舱内的任何实验和观测，都无法发现大船是在静止还是在航行.他以此来反驳 托勒玫学派对于哥白尼学说的非难：如果地球在绕着太阳转动，为什么我们丝毫没有觉察? 这就是后来称之为伽利略相对性原理的著名论述.但是，伽利略要求“把你和你的朋友关在 大船甲板下的主舱里面”.换句话说，实验者不能向外观望.显然，如果向外观望，就可以从 大船与岸边的相对运动，也可以通过天文观测，来判断大船的运动状态.如果存在“以太漂 移” ，即使在封闭的船舱内，也能够判断大船的运动. 以伽利略相对性原理为基础的牛顿体 系包含着这些不协调：牛顿体系无法建立自洽的宇宙图景，无法解决这些不协调. 相对性原理要求存在惯性系, 与引力无关的物理规律在惯性系之间的 10 个( 空时 平移 4、 推进 3、 空间转动 3) 参数的彭加勒变换群 ISO(3,1)下保持不变.对于这些惯性系而 言, 没有自身优越的速度、时间没有方向性等等.对于我们的实验室而言, 只要不管引力和 宇宙学效应, 闵氏空时和彭加勒不变性就是相对论性物理学的理论和实验分析的框架.所有 实验, 都与此符合得非常好.空时测量、同时性的定义以及一些基本的物理量的定义, 全都 基于相对性原理和彭加勒不变性, 特别是其中的空时平移不变性.在力学中, 能量、动量和 质量的定义和守恒, 以及质能公式都与空时平移不变性密切相关 .在场论中,相应的物理量 和公式同样如此; 而且不同物理性质的场可以看作是彭加勒群的不可约表示 , 这些表示以 彭加勒群的两个卡希米算子的本征值来表征, 分别是质量平方和质量和自旋的平方.第一个 算子完全由平移群的生成元给出, 第二个算子依赖于平移群和齐次洛伦兹群的生成元 , 它 们共同构成彭加勒群的代数.然而, 一旦这些实验室要进行天文观测, 或者进行与宇宙背景 有相互作用的实验, 而且恰恰就是要测量这些相互作用的效应 , 那么, 这类实验室中的观 测者就会发现: 河外星系红移表明具有优越速度、 暗示宇宙在膨胀, 而宇宙膨胀给出了时间23箭头; 微波背景辐射大体上可以代表宇宙背景空间的性质 , 不过要扣除我们的实验室相对 于微波背景辐射的 “漂移” .对于这类与宇观效应相关的实验和观测的结果的分析必定表明: 相对性原理对于这类效应不再成立 ; 时间反演和时间平移不变性不再存在; 适当扣除我们 实验室的“漂移速度”, 并忽略原初扰动、在一定近似下, 宇宙背景空间是 3 维均匀各向 同性的, 具有 6 个参数的变换群; 这样, 宇宙背景空时的度量是弗里德曼- 罗伯孙- 沃克 度量, 它依赖于标度因子和一个标记三维宇宙空间为开放的伪球、 平直的欧氏空间还是闭合 的球的参数 k=- 1, 0, 1, 对应的对称性分别是转动群 SO(3,1)欧几里德群 E(3) 和转动群 SO(4); 标度因子仅仅依赖于宇宙时和 k 的值, 其形式由宇宙中物质分布的能量动量张量 通过爱因斯坦场方程决定.在这样的背景空时里, 由于存在优越速度和时间方向, 相对性原 理不再成立.这就是前面提到的邦迪和伯格曼等指出的疑难 .但是, 在相对论体系中分析这 类宇观效应时, 又不得不用到以相对性原理和彭加勒不变性为依据的基本物理量的定义和 有关的物理规律.因此, 这就出现了问题: 局部实验室中的物理学和天文学家, 在什么意义 下可以利用闵氏空时和彭加勒不变性定义的物理量和物理规律,来分析从局部实验室得到的 有关宇宙效应的数据和信息呢? 在相对论体系中如何将二者协调起来呢?通常认为,这些不 协调,仅仅是对于两类不同的物理问题所引起的, 而非本质的冲突; 就像其他物理理论一样, 往往可以用来研究具有不同对称性的物理系统.然而, 应该强调的是, 狭义相对论与现代宇 宙学的关系并不那么简单.首先, 两者都是关于空时认识的理论, 现代宇宙学的基础是广义 相对论, 广义相对论又是在狭义相对论的基础上建立起来的 ; 然而, 狭义相对论的一些极 为重要的性质又明显与现代宇宙学的观测不相容.由于我们的一切实验和观测都是在我们这 个宇宙之中进行的, 如果找不到我们的宇宙所近似满足的宇宙学原理和相对性原理之间的 关系, 在宇观尺度上, 狭义相对论以及彭加勒不变的理论, 就失去了严格的概念基础.更重 要的是,我们的宇宙是一个演化的系统, 这是相对论物理学在上个世纪对于自然科学的一个 极其重要的贡献;当今物理学的一个趋势恰恰正是将宇观尺度的物理与微观尺度的物理联系 起来, 由相同的物理规律来描述.这就必须解决上述狭义相对论与现代宇宙学之间的不协调. 然而, 在爱因斯坦相对论体系中却很难做到. 这种不协调却值得反思.反映基本自然规律的基本原理之间应该是相互协调的 .因此 应该存在排除这种不协调的空间、时间和宇宙理论.这样一来，宇宙学原理就应该成为作为 相对性原理基础的惯性运动的保障或者起源；同时，就会在满足相对性原理的惯性系中“挑 选”出一类相对“优越的”惯性系.于是消除这两个原理的不协调，有可能在给出惯性运动 的宇宙学起源的同时，回到存在一类“优越的”惯性系.当然，这并不意味着回到牛顿，因24为牛顿体系根本不能建立自洽的宇宙图景. 其实，在马赫对牛顿绝对空间的批判中就隐含着这一点.马赫认为，质点不是相对于绝 对空间，而是相对于整个宇宙作惯性运动： “如果我们说，物体保持其在空间的方向和速度 不改变， 我们的这一断言只不过是相对于整个宇宙的简述.” “我们怎么能够确定这样的参照 系?只能参照宇宙中的其他物体”(《力学史评》)这就隐含着要求：相对性原理与宇宙图景 之间应该相互协调是否存在这种理论呢?爱因斯坦提出宇宙是'有限但没有边界'这个概念,把只在局部有限区域内成立的广义 相对论引力理论应用到宇宙学的研究中去.从数学考虑出发， 宇宙是可以'有限但没有边界'， 但是宇宙是'有限但没有边界'这个概念并没有任何观测依据.于是有些学者根据爱因斯坦' 宇宙是有限但没有边界'这个概念提出：我们现在所处的宇宙只是个'小宇宙'，在'小宇宙' 之外还存在有'大宇宙'这个概念.在所谓'大宇宙'中还存在有许多和我们所处的宇宙一样的 其它'小宇宙'.标准宇宙学模型只是描述我们所处的这个'小宇宙'的理论模型.后来的天文观测证明， 宇宙并不是如爱因斯坦假设的那样'有限但没有边界'.现代天文 观测表明，即使根据标准宇宙学模型，许多理论物理学家也相信，宇宙物质的总密度应当等 于 1，即宇宙应当是平坦的.平坦的宇宙应当是无限的.这样，广义相对论引力理论'应用范 围应当是局部有限区域'的要求便无法得到满足.如果承认宇宙是无限的， 理论物理学家实际 上是不留痕迹地把爱因斯坦所杜撰的密闭'死亡电梯'变成无限的宇宙.这显然是不符合爱因 斯坦当年杜撰密闭'死亡电梯'时的初衷.可是后来的天文学家和理论物理学家，在用广义相对论进行宇宙学研究时，只注意了 如何对广义相对论引力方程从数学上进行求解， 对在'无限的宇宙'中应用只在局部有限区域 成立的广义相对论引力理论是否合理似乎很少有学者加以考虑.人们把爱因斯坦在引进宇宙 学原理后， 从广义相对论引力方程简化得到的所谓宇宙学方程， 认为是研究宇宙学不可动摇 的基础.Friedmann 也只是去掉爱因斯坦后来又引进的宇宙学常数，从而得到了宇宙膨胀的 数学解.如果在'无限的宇宙'中应用只在局部有限区域成立的广义相对论引力理论是不合理 的，显然这样得到的宇宙膨胀解也不可能是合理的.实际上在宇宙的不同层次结构中，可以应用俞允强教授的有心力场假设对天体运动用 广义相对论引力理论进行求解.这样做才符合广义相对论对适用范围只能是局部区域这个限25制要求.把只在局部有限区域成立的广义相对论引力理论，加上宇宙学原理作为研究宇宙学 的基本假设， 实际上是偷偷地把只在一个局部的有限范围内成立的广义相对论引力理论的应 用范围，扩大到整个无限的宇宙. 10、大爆炸理论与广义相对论的矛盾 《自然杂志》１９卷４期的 ‘探索物理学难题的科学意义'的 ９７个悬而未 决的难题：６２．奥伯斯佯谬能否解决？ 广义相对论认为一切参考系都等价，无法确定整个宇宙的运动状态，可是大爆炸理论 却认为这个宇宙处于膨胀阶段， 如何理解这一关系？宇宙学观测表明宇宙是膨胀着的， 通过 对微波背景辐射和宇宙大尺度结构等的观测，宇宙的历史可以追溯到极早期发生的大爆炸. 我们所知的基本物理，比如广义相对论和粒子物理标准模型，在那里都不适用.为理解宇宙 起源，需要了解大爆炸时期的基本物理量，可是根据相对论时间不能倒流，如何了解大爆炸 时期的基本物理量？ 宇宙空间是有限的还是无限的， 这是古今中外思想家科学家都极为关心极为感兴趣的一 个问题.文献【1】表达了一种普遍共识：相对论宇宙学“认为宇宙有限，这是对 20 世纪以 前宇宙观念的极大改观.” 【1】 在相对论体系中， 存在着一些带有根本性的困惑.例如在弯曲时空中如何测量质量、 能 量、角动量和自旋等物理量？事实上，在广义相对论中，这些物理量的测量和定义依赖于狭 义相对论，特别是依赖于狭义相对论闵氏空时中的平移.然而在广义相对论的局部闵氏空时 中却并不存在这种平移.当然，如果引力效应很弱，局部实验室可以在一定的近似下忽略引 力近似具有闵氏空时的平移.但是一个局部实验室与宇宙尺度的现象有关的实验和观测，比 如观测星系红移、测试与微波背景辐射的作用，那么局部实验室得到的有关数据，就必然与 狭义相对性原理冲突.狭义相对论的平移力不再严格成立.哈恩说：&在宇宙大爆炸后应该有 同等数量的物质和反物质.但是，今天只是物质主宰我们的地球，所以这可以解释当我们相 互握手时，为何我们不会消灭对方.如果中微子产生成自己的反粒子，这可能帮助我们了解 更多关于上述不平衡现象.&关于这个不平衡现象，哈恩继续解释说：&这个实验要问的关键 问题是：为何我们在宇宙的一个角落中存在，只有物质而没有反物质.宇宙学理论从超新星 爆炸大红移推得宇宙加速膨胀这一结论， 使用的弗里德曼方程中用了罗伯逊-沃克度规.已有 人证明，该度规得出的是牛顿-伽利略速度相加规则，而不是狭义相对论的速度相加规则. 英国物理学家米恩 1943 年甚至从牛顿力学理论导出弗里德曼方程.可见， 弗里德曼方程并不26适用于光速量级的高能超新星爆炸.因而，宇宙加速膨胀的结论存在疑问. 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.地球是非常普通的一颗行星，它可能正好处在而且一直处在宇宙爆炸的中心吗？ 显然不会.那么，与地球反向运动的恒星相对于地球的速度较大，在地球上观测这些恒星的 谱线红移会非常明显， 与地球同向运动的恒星相对于地球的速度较小， 在地球上观测这些恒 星的谱线红移会很弱；也就是说， 在地球上观测宇宙中各恒星的谱线红移会有明显的方向 性.然而事实并非如此，谱线红移没有方向性，在各个方向上都是等价的，它与恒星到地球 的距离是成正比的. 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 Big Bang Cosmology 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 Big Bang Cosmology 理论标准模 型计算出的结果高出约 10 万倍.如果宇宙 Big Bang Cosmology 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 Big Bang Cosmology 假说是错误的.现代宇宙学认为，在宇观范围内，存在着“宇宙标准坐标系” ，它 是优越的空间坐标系， 典型星系对于这个坐标系均匀和各向同性； 可以测量地球相对这个坐 标系的运动速度.1965 年， 美国彭齐斯和威尔逊发现了 2.7K 宇宙背景辐射.后来进一步的研 究证实， 背景辐射严格地各向同性的情况只存在于一个惯性系中， 在相对于这个惯性系运动 的任何其它惯性系中显示出辐射温度的方向变化.可以认为，宇宙背景辐射是宇宙标准坐标 系的最好的物质体现.测量从各个方向到达地球的背景辐射温度的微小偏离 (其最大值指向 狮子座 星方向)，得到地球穿过这个“宇宙背景”的绝对运动速度大约为 400 公里/秒.然而，如果要进行宇宙学观测或进行与宇宙背景有相互作用的实验，或恰恰要测量这些 相互作用的效应，就会出现问题.河外星系红移表明，具有优越速度、暗示宇宙在膨胀；宇 宙膨胀又给出时间箭头.微波背景辐射大体上可以代表宇宙背景空间的性质，不过要扣除实27验室相对于微波背景辐射的“漂移”.对于这类实验和观测结果表明：适当扣除我们实验室 的“漂移速度” 、忽略原初扰动，在一定近似下，宇宙背景空间是均匀各向同性的、具有 6 个参数的变换群； 宇宙背景时空的度量是弗里德曼?罗伯孙?沃克度量， 依赖于标度因子和一 个标记三维宇宙空间为开放的伪球面、欧氏空间还是闭合球面的参数 A=?1，0，1，对应的 对称性分别是转动群 SO(3，1)，欧几里得群 E(3)和转动群 SO(4)；标度因子仅依赖于宇宙 时和 k，其形式由宇宙中物质分布的能动张量通过爱氏场方程决定.在这种背景时空里，由 于存在优越速度和时间方向， 相对性原理不再成立； 按照庞加莱群的不可约表示对于物质场 的区分和有关物理量的定义失去严格的意义. 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 space-time 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”.【2】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 space-time 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 Big Bang Cosmology 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.” 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（Big Bang Cosmology、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 .广义相对论和粒子物理标准模型在那里都不适用.为理解宇宙起源，需 要了解大爆炸时期的基本物理.首先,大爆炸是广义相对论结合某些物态假设和宇宙学原理28下的解， 怎么可以接受这种奇性解而反过来否定其基本前提的？因为如果这种极端情况下广 义相对论和粒子模型失效，那这个解就更不可信的了.第二、大爆炸只是动力学方程的解， 什么背景辐射、大尺度结构、核合成、氦丰度等根本与这个奇点无任何必然联系，因为所有 这些结果都可由任何初期小而热的宇宙模型平行地解释.这些怎么就成了对大爆炸理论的验 证呢？第三、 物态方程对具体宇宙模型具有决定性影响， 但宇宙中物质形态几乎是无限的丰 富， 而我们关于物质形态的知识是很有限的， 怎么可以根据一个作了无限简化的并且被观察 否定了的正能量条件， 来否定广义相对论呢？正确的思维方式应是一个未被实验明确证否的 基本原理是不可随便怀疑和修改的，怀疑一个基本原理的必要条件是要么明确与试验冲突， 要么几条基本原理之间有逻辑矛盾.像对待大爆炸、黑洞之类的反常解，首先想到的应是怀 疑辅助假设的有效性，而不是急急忙忙地否定基本原理. 惠勒教授通过他的质朴性原理总结道： “爱因斯坦广义相对论的成功， 为当代科学开 辟了另一个概念：从一个基本的方程将可推知一切.然而，这个概念也碰到了困难，因为它 假设，物理学的方程是被刻在一块坚硬的花岗岩上的，它是万古不变的.实际上，方程本身 也是由大爆炸形成的.不仅粒子和场本身来自大爆炸， 就连物理定律也来自大爆炸.大爆炸这 一建造过程完全是随机的.就像遗传变异和热力学第二定律一样，并没有一块预先刻定的物 理定律的花岗岩.”下面的分析来自于网络;现在，假设真空中一个不旋转，不带电荷，体积有限，球型对 称且密度均衡的理想试验物体，以及两位虚拟的观测者，进行一次坐标转换的试验.第一位 观测者相对试验物体是静止的，没有任何其它参照系，也没有其它引力场的影响.假设观测 者的存在与否不对试验物体产生任何影响.测量结果使观测者得到了物体的质量、体积、不 旋转、 不带电荷等属性.他还计算了物体表面及周围因物体惯性质量而存在的引力场的情况. 他要是懂得广义相对论，就可以得到物体表面及周围时空曲率的表达式.他也可以用质能方 程 E=MC 来计算物体的总能量.但因为没有任何参照系，他不知道物体的运动状况.他得到这 些情况后就离开了.第一个观测者离开之后，一个外力作用于物体之上，段时间之后，外力 撤销.这时， 第二个观测者出现了.同样假设这位观测者的存在与否不对试验物体产生任何影 响，他相对于物体是静止的，也没有任何的参照系，没有其它引力场的存在.第二位观测者 对物体进行同样的测量.他得到一组数据，质量，体积，不带电荷，不旋转等等，他也计算 物体表面及四周引力场的情况，也知道时空弯曲的情况. 根据能量守恒原理，因为有外力的作用，因此试验物体的总能量肯定发生了变化，设292为△E.因此，物体的惯性质量也会改变，△E=△MC .又根据广义相对论，物体的惯性质量使 时空弯曲，现在惯性质量变了，物体表面及四周的时空曲率也必然改变.这些改变均相对于 第一位感测者得到的数据而言.在外力发生作用时， 这些数据就改变了.设惯性质量与时空曲 率的关系式为 :g=M/R ，与地球引力加速度的表达式一样 . 如果用微分几何方程式 ds = ∑ gikdxidxk 来表达，则 gik 为一个张量，在球型对称的时空弯曲中，同一球面的 gik 在数值 上是相同的，方向不同，因此，可以用 g=M/R 来简化计算.在上面的实验中，g 的变化量为 △g=△M/R =△E/R C ，R 为物体表面的球面半径，△g 为物体表面时空曲率变化量.现在的问 题是:物体受外力作用时，到底先改变了物体的惯性质量，从而改变时空曲率，还是先改变 时空曲率再改变了物体的惯性质量?我们并不能确定，惯性质量与时空弯曲之间是否是因果 关系，我们所知道的只是能量的变化.因此，可以这样认为，物质和它周围的时空，根本就 是不可以分割开来的.抛开时空去讨论物质的物理规律或抛开物质去讨论时空的几何性质都 是片面的.因为我们不知道，是时空曲率的改变从而改变了物质的惯性度量，还是物质的惯 性质量改变导致了时空度量的改变.把这个问题与能量关联到一起， 就成了这样的问题:是弯 曲的时空改变曲率抵消了能量的变化，还是物体惯性质量的改变抵消了能量的改变?我们无 从区分.于是，根据等效的原则，得出这样的结论:弯曲的时空蕴含能量.曲率的变化会吸收 或释放能量，并通过与之紧密相连的物质表现出来.将时空弯曲直接与能量联系起来，物质 成为这一关联的载体，或者叫表现形式.(想起弹簧没有?)时空和能量成了宇宙的主角.这样 好像不太习惯，但仔细想，一切物理现象均在时空中发生，均涉及能量的变化，如果抛开时 空来研究物理规律，是不全面的，只有将时空变化放到物理现象中一起来研究，才更合理. 把上面的结论逆反过来，将得到一个更重要的结果:如果平直的时空产生扰动，从而有时空 曲率的变化，就会有能量的产生，而代表能量的物质，或者说能量的载体，物质就会产生. 也就是说，能量和物质会从平直时空的扰动中，凭空产生，而总体上，能量依旧保持平衡. 那么，现今的宇宙完全可以从平直时空的扰动开始，慢慢演化成现在的样子.时空和物质的 存在是自洽的，不存在大爆炸这样一个奇怪的起始点. 霍金在《时间简史》中提出下列观点意义深刻： “携带力的粒子按照其携带力的强度 以及与其相互作用的粒子可以分为四种.必须强调指出，将力划分为四种是人为的；它仅仅 是为了便于建立部分理论，而并不别具深意.大部分理论家希望最终找到一个统一理论，该 理论将四种力解释为一个单独的力的不同方面.确实，许多人认为这是当代物理学的首要目 标”，“如果找到了完整理论，就找到了上帝的精神”， “广义相对论只是一个不完整的 理论，它不能告诉我们宇宙是如何开始的”，“在弗利德曼模型中，所有星系都是直接互相302 2 2 2 2 22离开，过去某一时刻它们必须在同一处.然而，在实际宇宙中，星系不仅仅是直接相互离开， 它们从来没在一处过，只不过是非常靠近而已.也许，现在膨胀着的宇宙不是大爆炸奇点引 起的结果， 而是从早期的收缩而来的.” 中国著名科学家朱洪元教授早在 1963 年就说： “爱 因斯坦的后半生就是一个例子， 他提出了广义相对论以后就是一切科学， 无论是自然科学或 是心理学.其目的就是把我们的经验组织起来， 成为逻辑的系统??.这种思想指导下， 根据 脱离实际的逻辑推理和数学演算，得出了宇宙有限的结论，甚至还算出了宇宙半径??” 参考文献： 【1】吴翔等. 文明之源――物理学[M]. 上海:上海科学技术出版社, 【2】 何香涛， 乔戈， “霍伊尔和他的稳恒态宇宙” 《自然辨证法研究》 ， ， Vol. 9, No. 1, 1993.(He Xiangtao, Qiao Ge, “Sir Fred Hoyle and His Theory of Steady State Universe”, Studies in Dialectics of Nature, Vol. 9, No. 1, 1993.) 附录 1：爱因斯坦曾支持定态宇宙理论 一份被科学家忽视数十年的手稿显示，阿尔伯特?爱因斯坦曾经涉足一个宇宙大爆炸 替代理论， 他提出宇宙在稳定和无限地扩大.这份手稿写于 1931 年， 手稿内容不难让人们联 想起英国天体物理学家 Fred Hoyle 在近 20 年后支持的稳恒态理论.不过当时爱因斯坦很快 就放弃了自己的观点，但手稿显示他仍对宇宙是在一次爆炸中形成的观点犹豫不决. 上世纪 20 年代，大爆炸理论获得了观测数据的支持，当时美国天文学家 Edwin Hubble 等人发现，遥远星系正在不断远离，并且宇宙本身也在膨胀.这似乎暗示着，在过去，宇宙 是一锅非常稠密炙热的“原始肉汤”. 但是，自上世纪 40 年代后期以来，Hoyle 认为宇宙可能在永恒地扩展，并且保持着恒 定的密度.而宇宙通过不断增加新物质来保持这一发展状态.之后， 粒子将合并形成星系和恒 星，而它们将以合适的速率发展，逐渐占据宇宙膨胀制造出的额外空间.Hoyle 的宇宙是无 限的，因此它的大小并没有随着其膨胀而改变，它始终处于一个“稳定状态”. 最新公开的手稿显示， 爱因斯坦在更早时也描述了一个基本相同的理论.“如果密度保 持不断，新粒子必须不断形成.”他写道.该手稿被认为是爱因斯坦于 1931 年在美国加州旅 行时写下的，部分原因是它被写在美国的便条纸上. 该手稿被收藏在耶路撒冷爱因斯坦档案馆中，人们能够在该馆网站上自由浏览，但是 它一直被错误地归纳为爱因斯坦另一篇论文的初稿.爱尔兰沃特福德理工学院物理学家 Cormac O’Raifeartaigh 表示，当意识到这份手稿讲述的内容是什么时，自己几乎从椅子31上跌下来.他和同事在 arXiv 预印本服务器上公开了他们的发现，以及爱因斯坦德文原稿的 英文译本，同时，他们将论文刊登于《欧洲物理学期刊》上. “该发现证实，Hoyle 并不是一个怪人.”研究合作者、英国剑桥大学科学历史学家 Simon Mitton 说.Mitton 曾撰写《Fred Hoyle：科学人生》.无论如何，爱因斯坦曾考虑过 稳态宇宙模型是不争的事实，而这将为 Hoyle 有关这一问题的辩论增加筹码.“如果 Hoyle 知道，他肯定会用它来重击对手.”O’Raifeartaigh 说. 尽管 Hoyle 的模型最终通过天文观测被排除，但它至少有数学上的一致性，通过调整 爱因斯坦广义相对论方程式， 提供了物质自发形成的可能机制.爱因斯坦未公开的手稿表明， 首先他相信此类机制能衍生于自己的原始理论.但 O’Raifeartaigh 研究小组表示，那时爱 因斯坦可能意识到自己的运算出现了错误.当他改正后，他大概觉得这个想法不可靠，于是 丢到了一边. 普林斯顿大学宇宙学家 James Peebles 表示，这个手稿可能是“一个始于新点子带来 的兴奋的草稿，但作者意识到被自己欺骗后，就立刻放弃了”.而且似乎没有记录显示爱因 斯坦曾经再次提到过这些运算. 但实际上，爱因斯坦推算了稳定状态概念，以表明自己对大爆炸理论的一贯抵制.即便 其他理论物理学家证实大爆炸是广义相对论的自然结果，爱因斯坦也觉得它“糟糕透 了”.O’Raifeartaigh 及同事指出，在天文学家发现宇宙膨胀证据后，爱因斯坦放弃了对 静止宇宙的偏袒，而一个稳态宇宙将是下一个最好的选择.附录 2：2014 年 9 月 29 日，来自新华网的一条新闻“不存在黑洞 是错的大爆炸理论也已经数学验证”中表示，一位北卡罗来纳大学的科学家证明了黑洞不可能存在.来自科研出版社英文期刊《Journal of Modern Physics》（现代物理）2014 年 9 月刊的一篇研究论文报道： 中国学者罗平安教授， 通过建立的引力子相互作用的二个物体静 态万有引力物理模型，发现了当前主流物理理论和实验中，普遍忽略的一些无穷小量，在研 究宇宙空间时，居然对宇宙的稳定性产生了不可思议的影响.在考虑了这些无穷小量后，推 导出的万有引力理论，发现：原来限制宇宙空间不可能无限大的奇点，居然消失了，人类再 也不必为宇宙大爆炸而担心了.（阅读点击原文） “不存在黑洞大爆炸理论也是错的已经数学验证”属于数学方法方面的验证， “当前引力理论及实验所忽略的无穷小量对宇宙稳定性的影响”则从最基础的 物理模型出发证明，牛顿、爱因斯坦理论在宇宙论上遇到的奇点不存在，也就是说大爆炸理 论是错误的，所谓的暗物质、暗能量也没有必要存在，两篇文章是不同侧面的相互补充.32如果这两篇的研究成果是对的，那么困扰人类很久的“宇宙大爆炸”魔咒将不复存在， 人类再也不必为宇宙大爆炸而担心了.11、大爆炸理论的天文学困难 大爆炸之前是什么？大爆炸理论认为大爆炸之前没有时间， 这样的问题不存在.有两种 候选的统一理论： 一是所谓“一切事物的理论”――超弦理论； 另一是不大为人所知的“环 量子论”，据此，大爆炸是大反弹.被称为“物理学诗人探险家”的惠勒（John A.Wheeler） 博士则根据他对量子论和信息论的理解，提出了关于大爆炸的“观察者起源说”. ――摘自奥弗比（Dennis Overbye）的文章过去多少年人们一直都在谈论宇宙膨胀的减速并引入宇宙学基本参量 q0――减速参 量――来描述这种减速（十年前的教科书和文献告诉我们，宇宙的膨胀是在不断减速的， 具体如何减速，也就是 q0 }