非大爆炸宇宙学
普适常数的值一定是在大爆炸发生的时候就已经确定了,因而要想知道标准大爆炸剧情是如何能够说明它们的微妙谐调的并不容易。但是,对这一剧情还有实际的其他选择。
大爆炸剧情尽管得到了广泛的称赞,但也遇到了麻烦。我们前面已经提到,它所遇到的问题有:无法解释星系的形成,无法认定宇宙中的“丢失质量”,无法解决星系、恒星和作为整体的宇宙的年龄问题,无法解释膨胀过程是如何能够进行“开”和“关”的转换的。除此之外,它也不能解释观察到的重子对光子的比率问题,同样也不能澄清大爆炸前宇宙的起源问题和膨胀或坍缩星系中的物质在消失之后最终的命运问题。
大爆炸剧情的拥护者们指出,像这样的许多问题对他们的模型并无伤害。例如,究竟是什么触发大爆炸的,对它来说并不是实质性问题;至于宇宙向何处去 (重新坍缩,无限膨胀,或与之不同的什么过程)的问题也同样不是实质性问题,它只是宇宙学家一定要知道但仍未确定的参数的一部分。他们还指出,无论如何,标准剧情作了一系列有意义的解释和成功的预言,而这些都大大地超过了它的不足。有些宇宙学家走得更远,他们宣称,没有一种已知的可供选择的宇宙学能够把可观察到的和实验所获得的所有证据都解释清楚。
对大爆炸剧情的经典替代学说是稳态宇宙学,在 1965 年前它一直是占统治地位的观点,从那以后大爆炸剧情使它开始走下坡路了。在其最初的阐述中,这一概念假设了一个无明显进化的均匀膨胀宇宙:物质均匀地创生出来以维持一个稳定的平均密度。
稳态概念要回溯到金斯的观点。1929 年金斯写道,“从自身看上去具有某种程度固执性的一种猜测认为,星云的中心具有‘奇点’性质,在该点物质从其他地方 (完全属于外在维)注入我们的宇宙,因此对我们这个宇宙的居民来说,它们在这些点上似乎连续不断地在创造物质”。①在 1960 年,H·C·阿普(H.C.Arp)和霍伊尔把这一想法发展成稳态宇宙学的现代形式,并用物质在其内部创生取代了“物质完全从外在维连续不断地注入我们这个宇宙”的说法。但是宇宙中的物质创生不可能以恒定速率出现,这与类星体和其他具有活力的星系核的存在,与微波背景辐射的发现,与物质的基本构成是夸克和轻子的这种认识相矛盾。
按最近的 (1993 年以后)准稳态宇宙学说法,霍伊尔、布比杰(Burbidge)和纳利卡(Narlikar)证明,物质创生突然地出现在与致密的前
① JH·金斯《天文学和宇宙学》,剑桥大学出版社,1929 年。 存在物质聚集体相联系的强引力场中。②物质是在约 1016 个太阳质量这样的数量级的“小大爆炸”中创生的,因此这就没有必要去解释大爆炸式的膨胀过程是如何能够进行先“开”后“关”这种转换的。物质创生是通过负能的标量 C (创生)场出现的,这种场的值是时空的函数,物质创生的总体速率由 C (取整个宇宙的平均值)的时间导数的平方决定。
由于这些密集的引力事件驱动宇宙的膨胀,因此膨胀速率并不是恒定的,而是随创生中心的数量和质量的改变而相应变化的。宇宙从总体上看一直膨胀着,其叠置振荡周期约为 400 亿年,正是按这样的时间间隔物质创生周期性地收缩到宇宙的尺度要求振荡最小值的时代。最近一次大规模的物质创生活动发生在约 140 亿年前,这与保守的大爆炸模式所估计的非常一致。
准稳态宇宙学能说明来自范围很广的银河系之外的天体 (从原始星系,通过像射电星系和准星体这样的高能事件,直到我们银河系核中的小尺度事件)的质量和能量的总体输出,它也能解释星系的分布和年龄,以及可观察到的各种不同类型的物质粒子的合成。与从创生中心放射出的物质紧密相关的随机热能同解释宇宙微波背景的起源所要求的条件非常一致。
和其他几个新近提出的模型一样,准稳态宇宙学构成了一种多周期宇宙学,每一周期的标准长度容许有 400 亿年的例外,该长度促进形成一个标志“稳态”的相对稳定的包。如果例外的爆炸足够热和足够密,它就近似大爆炸,从而产生背景辐射的热化条件和光粒子所需的物理条件。因此上说,准稳态宇宙学可以看作是把大爆炸作为特例包含在内的一种宇宙学。
② F·霍伊尔、G·布比杰和 JV·纳利卡《创生物质和准稳态宇宙学》,载《天文物理学杂志》410 期,1993
年 6 月。
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