现代宇宙学发展历程中的得与失
2006-08-30 10:39阅读：
现代宇宙学发展历程中的得与失
作者：关朝万
一、 量子理论的不完整导致现代宇宙学在沙滩上建大厦
现代宇宙学是建立在广义相对论方程式假定推理的可能结果上，早期的相对论宇宙学还推出了多种可能的结果，而膨胀宇宙只是其中的一种可能。因此，大爆炸宇宙学只是一种模型，是一种假说。但是，后来在与同时期发展起来的量子理论结合的过程中由于受到红移发现的影响，而出现一边倒的状况，使人们深信我们所在的宇宙是通过原始大爆炸产生基本粒子开始的，而且现在的宇宙还处于这次大爆炸而产生的惯性膨胀中。特别是1965年宇宙微波背景辐射在大爆炸宇宙学者的预言中被发现，使得大爆炸的观念牢牢地占据了人们的思想。（实际上背景辐射不但不能作为宇宙大爆炸的证据，相反它却可以成为我在《对流宇宙论》中作为反对大爆炸的证据。）
现代宇宙学自诞生以来其实是反对声不断，因为这与我们的直觉不相符，奇点的疑难也使大爆炸宇宙学难以自圆其说。可是这些都是从量子理论中推出来的呀，况且还有观测作为依据，有这两方面的原因，因此许多科学家也都相信大爆炸宇宙学是科学的。
虽然许多人对大爆炸宇宙学提出质疑，但都没有提出本质的问题，实际上要解决这一问题，关键是要讨论量子理
论是否发展完整，这是解决大爆炸宇宙学是否是科学宇宙学的关键之一。因为只有我们真正把握了量子理论的正确性，把握了宇宙学的这一物理学基础，这样从这里发展起来的宇宙学才是有科学保证的，所以，包括爱因斯坦等许多科学家用毕生的精力去研究大统一理论，就是要寻找一个普适的规律去掌握量子世界和经典物质世界真正相同的共性，这样我们才算真正把握了从量子理论推导宇宙学规律的正确性。因此，在大统一理论没有弄清之前，我们对宇宙学的研究只是在沙滩上建大厦，是没有牢固基础的。
为什么我们可以怀疑量子理论的完整性呢？第一，现有的物理学观念和公式无法完成大统一理论，这说明一些细微的作用力被忽略了，虽然就某个领域的理论与实验测定可以做到基本相符，但具有普遍性的规律并没有完全掌握。第二，α衰变、β衰变中有中微子的参与，点燃蜡烛有光子辐射，说明物质结构并非过去我们所认为的那样，只是由夸克和电子构成，物质结构中还有光子和中微子的存在。物质的构成比我们已经认识到的要复杂，我们在粒子领域还有很多不知道。为什么夸克总是粘在一起，在一定距离内张开它们比较容易，而一旦超过一定距离就会有很大的引力而收缩？从这里我们可以推测，可能是无处不在的中微子在发挥着神秘莫测的作用，它并不是可以穿透一切物质的，它也在参与所有物质的构成，也是中微子在引力场中发挥着迄今为止我们所能觉察的最基本最原始的作用。基于这样的认识，我在《对流宇宙论》中成功地论述了引力场的产生原理，是因为先有宇宙基质粒子场的不均匀而产生引力场的势差，并导致粒子的回流而产生引力，并推导出了大统一理论，这与当前最热门的宇宙学理论关于暗能量的猜测正好是一致的。
当然，我不想怀疑宇宙丰度的计算和观测结果的一致性，这些可能正是几十年来宇宙学发展过程中留给我们的最有价值的东西。问题在于这些宇宙元素是通过什么渠道产生的，这是我的《对流宇宙论》所应该推导出的结果与大爆炸宇宙学所不同的地方之一。实际上现代宇宙学关于元素如何在大爆炸中加工出来与恒星内部的演化是异曲同工的，只是将产生范围放大到整个宇宙而已，它没有从本质上揭示宇宙真实的诞生情况。
我们过去认为的宇宙膨胀只是其中一个方面的认识，宇宙还有收缩的一方面，宇宙内每一个场都是对流的，宇宙本身也是收缩与膨胀并存的整体。而所谓宇宙膨胀本质上也只是辐射物在膨胀，即光在膨胀，实体物质宇宙并不是我们所认为的那样也在跟着辐射物在膨胀。我们在上世纪所获得的宇宙学推理只是宇宙演化的一个方面，而且只是在论述宇宙辐射（比如光的辐射）方面才有价值。
因此，从本质上说，宇宙起源于大爆炸是缺乏依据的。很欣慰的是1980年代暴涨理论解决了早期宇宙的难题，一般认为这是发展了大爆炸宇宙学，实际上它更象是发展了稳恒态宇宙模型，但是它在关于时空膨胀与宇宙实体物质膨胀关系问题上也没有解决好。
由于量子理论的不完整，我们还可以发现，恒星内部的演化机理也是我们没有完全弄清楚的。恒星既然有引力，那么，恒星内部必然存在一种收缩的机制，因此必然是粒子回流导致收缩才使恒星承受压力而产生核聚变。
总的来说，如果只承认宇宙单方面的膨胀，不考虑星系所承受的外在作用力而产生回流的引力场，在物理学的能量守恒上也是说不通的。同样，微观粒子也一样要考虑引力场产生的原因，要考虑回流作用力，才能将微观粒子的力学规律与宇宙力学规律真正弄清。
二、 从红移能推断宇宙在膨胀吗？
从红移能推断宇宙在膨胀吗？不能。
我们知道，在地球上，每一种原子都有特定的特征谱线，可是人们发现从宇宙深空辐射来的特征谱线出现了向红方移动的迹象，这就是红移。1929年哈勃根据多年观测结果提出红移与距离成正比，同时人们认为这显示了宇宙在膨胀，使星系向我们退离，这个解释是依据多普勒效应。与此同时，人们想起爱因斯坦的相对论方程式中有膨胀的解，这样一来，人们就深信了星系在向我们退行而去，宇宙在膨胀，人类对宇宙膨胀的认识就这样简单而草率地深以为然了。
可以肯定的是从红移推断宇宙膨胀在逻辑上都是冒险的。第一，多普勒效应只是在声音领域作过实验，并没有在光波领域作过实验，把这种经验直接用于星系的运动与波长变化的关系上，是未必成立的。第二，宇宙膨胀是指宇宙时空膨胀，一般解释这种膨胀认为像气球被吹大，气球表面的斑点也随之远离，因此，星系是相互分离而出现所谓的退行的。因此，宇宙学红移从人们的理解上看，它依然指的是揭示星系的相互远离，与多普勒效应没有太大区别。第三，爱因斯坦方程式讨论的是光在时空中的引力与运动状况，而不是星系本身，时空膨胀并不意味着星系会退行。用太阳系作一个浅显的比喻，所谓时空膨胀本质上就太阳光在辐射，太阳并没有四分五裂的膨胀，地球、火星也没有背着太阳“退行”。
从以上分析可知，多普勒红移和宇宙学红移本质上是一样的，都是星系相互远离，这种可能性是不大的。第一，与观测事实不符。星系具有向内收缩的图形倾向，从年轻的不规则星系到旋涡星系，再到比较年长的椭圆星系，它们能将自身的旋臂收缩完整，而老年星系具有更大的引力场可以将周围的星系兼并。活动星系则是年龄更大的星系，实际上类星体都是我们目前所观测到的最年老的星系核或星系本身，它们具有更大的引力和高红移，能将距离10千秒差距的星系牵引变形，并最终吞并。第二，人们观测离银河系最近的仙女座星系还存在蓝移，如果红移可以揭示宇宙在均匀膨胀，星系随着宇宙时空膨胀而相互远离，那么这个观测与我们过去的认识则是相互矛盾的。第三，21世纪初普林斯顿大学用轨道陀螺实验检验爱因斯坦中人们再次发现部分结果无法支持宇宙学红移，即著名的宇宙学红移危机，这对从红移推断宇宙膨胀又一次产生了怀疑。从以上三点我们可以大胆地说，红移与实体宇宙是否膨胀没有太大关系，同时实体宇宙不但不在膨胀而且还有收缩的倾向！
那么，红移究竟意味着什么？它能给我们带来多少研究宇宙的便利？人们对红移的解释有三种，除了以上所说两种可能以外，爱因斯坦还提出了第三种红移原因，即引力红移。爱因斯坦解释这种红移时说，光子从恒星中辐射出来受到恒星自身引力的影响，如登山运动而损失能量，因此波长变长而出现红移。这种红移实际上大有文章可做。根据爱因斯坦这个观点，我们可以毫不费力地知道，红移量受辐射体质量大小的影响，辐射体质量越大，红移量也越大。与此同时，红移还受光子通过的空间的粒子密度等因素的影响，这是爱因斯坦时代所没有揭示的。因为爱因斯坦之前不久刚刚做了找不到“以太”的实验，爱因斯坦认为光可以不需要在以太中传播而直接运动。所以，爱因斯坦时代的引力依然是莫名其妙的怪物，虽然相对论可以艰难地将它解释好，但关于光如何在空间传播依然是不正确的（参看本人的《现代物理学必须弄清的几个观念性问题》）。实际上，光子所受到的引力，本质上是光子在空间受到的阻挡程度，所以，不同的时空区光子损失的能量是不同的，因此，所显示的红移量也是不同的。
总的来说，红移是光子经过时空区之后，因为受力而产生的综合结果，原因是复杂的，简单地将红移归因于距离或宇宙膨胀是不对的。
三、 哈勃常数不确定的根本原因是哈勃定律错了！
1929年哈勃根据多年观测和对红移的研究，发现红移量与星系距离成正比，这就是著名的哈勃定律，公式中还给出了一个常数，这被认为是一个显示宇宙膨胀速率的常数值。一般认为这个数值在宇宙所有地方应该是相同的，可是从哈勃测定这个常数开始，几十年来，这个数值一变再变，从40公里每百万秒差距到80每百万秒差距，最佳估计值经过了多方修正，至今仍然不能确定。因此，人们对这个常数产生怀疑，认为可能只是一个参数，甚至认为不同的数值意味着不同的退行速度，比如，40公里每百万秒差距，就是距离我们100万秒差距的星系的红移与40公里每秒的推行速度产生的红移一样，人们相信远离我们的星系它的退行速度越快，不知不觉中又回到了地心说的心理暗示中去了。
其实，美国天文学家阿尔普在1965年就公布了他长期对反常星系的观测资料，他说，在很多情况下可以看到微弱的恒星物质桥，将一个星系与一个相邻天体连接，可是这两个天体常常具有很不相同的红移。既然两个天体有物质桥，说明它们距离不太远，可是红移量却很不相同，因此他提出宇宙学红移作为距离指示量的通常解释并非总是适用的。红移是当今宇宙学常用的测量手段，可是他的警告早被大家所忽略。
1、红移与距离的关系。从《对流宇宙论》可以知道光在空间的传播过程，是由于空间弥散着宇宙基质粒子，光是通过碰撞传递涌动传播的，在传播过程中会损失能量，所以，光传得越远，损失的能量就越多，红移就越大，也正是因此，哈勃定律有它正确的一个方面，但是哈勃定律不完整。哈勃定律不完整，当然哈勃常数所揭示的规律自然就不可捉摸了。自然，打算从哈勃常数的倒数中寻找宇宙年龄的想法也当然是徒劳的了。
2、红移与引力强度的关系。从前面分析可以知道，红移量受辐射体引力场大小的影响。辐射体引力越大，红移量也越大，而星系的引力场并非简单的与质量挂钩。假定年轻星系的质量与老年星系的质量相同，但老年星系的引力却大于年轻星系，因此，引力还与星系的密度有关。如果用一个引力强度来粗略地计算这个引力状况的话，这个引力强度与星系的直径和星系年龄都成正比，直径显示了星系的质量，年龄显示了星系的密度。
3、红移与宇宙空间密度的关系。光子在穿越宇宙空间时是碰撞传递涌动传播的，而过去我们都认为宇宙是各向同性的，宇宙物质是均匀分布的，实际上宇宙是由不同的场构成的，宇宙空间各种尚未发现的情况都可能存在，所以，考虑红移原因还必须考虑宇宙基质粒子的密度对红移的影响。宇宙基质粒子（即暗能量）密度越大，红移量也越大。
4、红移与辐射体温度的关系。原子光谱是以地球上的原子温度和普遍运动速度为依据的，那么，来自不同温度的辐射体，它们是否具有相同的特征谱线呢？这显然是值得怀疑的，从粒子能量的角度看，来自于不同温度的辐射体光子具有不同的能量，如果保持相同的光速传递能量，那么波长也就是不一样的了。因此，动量越低波长越长，也就是温度越低红移量越大。这样我们就可以明白为什么3K左右的背景辐射红移量大得惊人的原因了。
从以上分析可知，红移量与距离成正比、与辐射体引力强度成正比，与辐射体温度成反比，与宇宙空间密度成反比。根据这样的推理，我们可以将哈勃定律做修改如下：
红移量=哈勃常数×距离×辐射体引力强度÷辐射体温度÷宇宙空间密度
式中我们可以通过间接测定而得出的数据有哈勃常数、距离、引力强度、辐射体温度，这样我们就能够知道宇宙基质粒子（即宇宙暗能量）的密度了。这个数值对宇宙是否会热寂，何时热寂可能都具有重要意义，对深入了解宇宙深空的物质构成也可能获取一些间接的资料。
四、结束语。
现代宇宙学从1917年爱因斯坦对广义相对论的阐释开始，从膨胀等多种可能的宇宙到大爆炸宇宙，再到暴涨理论的提出，最后又回到物质团块必然是相互粘连的经典物理学观点中，其间经历了一些曲折，这是人类探索自然的循序渐进的漫长过程。虽然早期的一些观点在直觉中显得有些不可思议，在认识上还走了一段错误的道路，但是在现代宇宙学的发展历程中也给我们留下了许多有价值的东西，推动了人们对宇宙奥秘的科学探索，它的意义是巨大的，它使我们了解了宇宙诞生、演化的全过程。在逻辑推理方面推动了量子理论的发展，并使宇宙学发展得更加完整（参看《对流宇宙论》）；在宇宙观测方面，从红移和射电天文学中我们也逐渐弄清了宇宙中星系是产生于物质云，经过漫长的演化坍缩，最终变成黑洞，同时也使我们弄清了宇宙暗能量的储备状况。所以，现代宇宙学是在曲折而扎实的工作中一步一步发展起来的。
（本文地址：新浪博客——陵山论道）
