宇宙学疑难的根源

宇宙学疑难的根源
胡昌伟

内容提要：现代宇宙学始终疑难缠身，它的发展过程是以新的疑难来替代旧的疑难。产生这种情况的根源是：它把广义相对论作为理论基础是不可靠的；它的实验基础，如河外星系的普遍性红移、宇宙背景微波辐射、元素的丰度等，其解释也存在牵强附会。从根本上说，描述宇宙的整体演化，这个大前提错了！
关键词：宇宙学、疑难、理论基础、实验基础、大前提

现代宇宙学从其诞生之日起就疑难缠身，而且，它的发展过程往往是以新的疑难来掩盖旧的疑难。

1916年，爱因斯坦建立了广义相对论，提出了引力场方程。他认为，在宇宙大的方面，支配天体运动的力场只有引力场一家，引力场方程应该能够描述整个宇宙。但结果发现，由此导出的宇宙是不稳定的，它要么在膨胀，要么在收缩。对此，爱因斯坦很不满意，于是就在这个引力场方程里添加了一个“宇宙学常数”，使宇宙变得稳定。后来，哈勃发现了河外星系的红移与它们的距离之间的关系，物理学家们认为，这红移是种多谱勒效应，是宇宙膨胀的表现。这引起了人们对广义相对论的关注，因为它本来就预言宇宙是不稳定的，而哈勃定律表明这种不稳定性为膨胀。于是，爱因斯坦意识到，在引力场方程里添加宇宙学常数，是画蛇添足，并把添加宇宙学常数的行为说成是他一生中最大的一个错误。

既然宇宙在膨胀，那么，它必然会有一个起点。在上世纪40-60年代，“宇宙大爆炸标准模型”就建立和发展起来了。它认为，宇宙，包括时间、空间和万物，诞生于一次大爆炸。不过，用它来探讨初始宇宙时，存在着三大疑难[1]。

一是视界疑难。视界是因果联系的区域，由于受到有效传播时间的限制，在早期宇宙中，不同的视界之间不能以热信号或光信号等相互联络，因此，它无法说明目前宇宙的普遍性的因果联系。比如，在全天空，宇宙背景辐射的温度，直到105分之一的程度都是均匀的，这是目前宇宙存在着普遍性因果联系的有力证据。

二是平直性疑难。宇宙的平直性与宇宙学密度相关，目前的宇宙学密度约为1，即我们的宇宙是平直的，这要求早期的宇宙学密度要更精确地等于1，因为，如果早期的宇宙学密度的值与1有些偏离，那么，这一偏离就将急剧增长，而破坏宇宙的平直性。但是，初始宇宙物质密度非常大，按照广义相对论，其曲率应该很大，怎么会是平直的呢？

三是磁单极疑难。根据有关理论，宇宙大爆炸后，随着能量的逐步降低，会发生对称性的“自发破缺”，在不同视界的相交处将会产生磁单极。因为磁单极的质量很大，它的质量密度将是重子质量密度的1014倍。这是一个灾难性的预言，因为，既然磁单极这么多，它早就应该被发现了，但实际上却至今没有发现一个！

为了消除这些疑难，1980 年代初，出现了 “暴胀”理论，它的基本假设是：在大统一对称破缺时期，宇宙经历了一次难以想象的剧烈膨胀，它使一个视界的体积就暴胀成了我们现在所能探测到的整个宇宙。这样一来，以上三个疑难就迎刃而解了：因为我们的宇宙是由一个视界暴胀起来的，视界疑难自然不复存在；磁单极也成了个别现象，至今没有发现就不足为奇；在暴胀中，宇宙的曲率半径增加了大约为1043的因子，所以，无论初始宇宙如何弯曲，暴胀后，它都将是平直的。但是，所谓的暴胀是个怎样的图景呢？那是在远不到1秒的时间里，一个芝麻大小的东西，一下子变成了比银河系还要大的庞然大物。这样的描述连神话都构思不出来，可能吗？这是一个更无法解答的大疑难。另外，这样的暴胀速度将是光速的1030倍以上，这是在根本上与相对论过不去。有人说：宇宙的膨胀是时空的膨胀，这不同于物质的膨胀，因此可以超光速。这是个诡辩，量子场论显示“真空不空”，真空也具有物质性；在广义相对论中，时空与物质密不可分，所谓的“四维时空连续体”其实是一种真空态的特殊的物质。

暴胀理论预言宇宙学密度为1，而重子物质的产生速度远远跟不上时空的暴胀速度，因此，重子物质的密度远小于1，于是，宇宙的主要成分应该是人们还未认识到过的非重子物质——暗物质。宇宙中的大部分物质竟是我们从未认识到的，它们究竟是何物，是怎样在暴胀中瞬间产生的？又成了一个大疑难。

暴胀后的宇宙应该持续减速膨胀。然而，用现代宇宙学的理论来分析天文观察数据，却发现：宇宙还在加速膨胀！这一异常，又触发了宇宙学家们的想象空间，他们认为：宇宙空间存在着比暗物质更大量的“暗能量”。被爱因斯坦发明，后来又抛弃的宇宙学常数，又被当作宝贝拣了回来，成为了暗能量的代表。一般的能量总是与质量相联系的，有能量就有质量，能量代表斥力，质量代表引力；但这暗能量只有加速宇宙膨胀的斥力作用，而没有引力作用。这样的暗能量比暗物质更神秘莫测，它有可能存在吗？它究竟是什么？这又是一个天大的疑难！

以新的疑难来取代旧的疑难，只是一种权宜之计，不是科学的作风，该是宇宙学反省的时候了！那么，造成宇宙学疑难不断的根源是什么呢？这要从现代宇宙学的基础中去探究。现代宇宙学的理论基础是广义相对论；它的实验基础是河外星系的普遍性红移、宇宙背景微波辐射、元素的丰度等等。我们就对此作些分析。

广义相对论是有局限性的。爱因斯坦自己就说过：“对于很大的场密度和物质密度，场方程以及这些方程中的场变数，都不会有实在意义……这些方程不可扩展到这样的一些区域中去。”[2]对此，霍金也说：“广义相对论导致了自身的失败，它预言它不能预言宇宙。”1970年，彭罗斯和霍金证明了：如果广义相对论正确，那么，时空一定存在奇点。这里所谓的奇点，就是场密度和物质密度趋向无限大的点，这是广义相对论局限性的一个表现。然而，人们，只是对有关参数进行调节，用量子效应绕开奇点等，总体上还是在广义相对论的基础上描述整个宇宙。

现代宇宙学把广义相对论的数学模型——黎曼空间当作就是实在的弯曲空间，认为宇宙是一个无界而有限的四维时空。在广义相对论中，时空的标准会随着引力势变化，其所谓的时空弯曲，就是这种时空标准变化的一种数学描述，所谓的时空弯曲的曲率，也只是这种时空标准的变化率，真正的时空不会弯曲。科学理论需要数学模型，但数学模型也常常会迷惑人。站在前沿的宇宙学家是科学界的精英，他们想象力丰富，数学功底深厚。每当灵感闪现，他们会构建新的数学模型，通过设置和调节一定的参数，将会得到在某些方面与实际现象相符的数据。于是，他们往往会把数学模型等同于现实的物理机制，疑难也会随着而生。

广义相对论只是一种引力论。现代宇宙学把引力场方程看成宇宙方程，这实际上是把引力场当作了能够支配整个宇宙的唯一的“宇宙场”。

实际上，在已知的主要的相互作用中，有着明显的区间作用性：在强子内部和周围，强相互作用起着主要作用；在原子世界，电磁相互作用占着主导地位；引力相互作用在微观世界是微不足道的，到了太阳系世界，它才成了支配天体运动的主宰。既然，引力相互作用不能在宇宙小的方面发挥作用，怎能认为它在宇宙大的方面能独霸宇宙呢？微观、宏观、宇观是人为规定的，人类的生存空间并不是宇宙大的方面和小的方面的绝对分界线。因此，我们有理由认为：引力场只是一种宏观场。实际上，宇观世界存在着的“质量缺失”现象，可以这样认为：在宇观世界存在着不同于引力场的宇观场，而并非存在所谓的暗物质。

现代的大爆炸宇宙学，建立在一个不可靠的理论基础之上；所谓的实验证据，也有不少是牵强附会。现代宇宙学认为氦都是在宇宙大爆炸后，温度降到一定程度时的产物；宇宙背景微波辐射就是宇宙大爆炸的“余尘”；河外星系的普遍性红移是多普勒红移。然而，一种现象可能有多种原因引起，可以有多种解释。现代宇宙学将他们的看法当作是唯一正确的解释，从而铸成了大错。

在所有年轻的恒星中都含有丰富的且同样丰度的氦元素。对此，现代宇宙学认为：这些氦是宇宙大爆炸的产物。如果跳出大爆炸宇宙学的思路，所谓的年轻恒星，只是天体生生死死无穷次反复演变的一瞬间，而氦是由星体内氢的核燃烧产生的，氦的丰度是天体无穷次反复演变的结果。处于相同演变阶段的天体有同样的氦丰度是很自然的。

任何天体都在不停地辐射、反射、折射、吸收着电磁波。在太空中，这些电磁波经历了无限长时期的捣腾，形成了宇宙背景辐射，这好比大洋中“无风三尺浪”一样，完全可以理解。宇宙背景辐射可看成是太空中的宏观的真空起伏，本来如此，现在如此，以后也会如此。把它当作“大爆炸”的余尘，倒象是种神话。

关于光谱线的红移，有多普勒红移、引力红移、光子的能量衰减红移等等。其中，由于光速的巨大，光子的能量衰减红移在宏观世界不会有明显的表现，但在宇观世界就会显示出来了。实际上，宇宙背景辐射的存在，表示光在太空中的传播将会受到那么一点点粘滞力，于是，光在星系间的远距离、长时间的传播中，会消耗能量。如果认为宇宙不在膨胀，那么，光线的多普勒效应所产生的河外星系的红移和蓝移应该是均等的，河外星系的普遍性红移就不是多普勒红移，而主要是光子的能量衰减红移。

把河外星系的普遍性红移当作多普勒红移，是现代宇宙学的一大要害。它是确定宇宙在膨胀，而且是在加速膨胀的一个基本依据。消除了这个要害，所谓的宇宙膨胀、暗能量，乃至整个大爆炸宇宙学就无立足之地了。

使现代宇宙学盛行的还有一个因素是对理论的一种形式化的评判标准，认为只要前提简单，可以计算的就是好理论。现代宇宙学用一个引力场方程来描述整个宇宙，多么简单！调节宇宙学常数、哈勃常数等等参数，能够对宇宙现象作出合乎逻辑的解释，又是多么的漂亮！然而，逻辑只是思维的规律，凡是客观存在的，都是符合逻辑的，但合乎逻辑的不一定是客观存在的。因此，物理内涵的可靠性比形式上的简单性和逻辑性更关键。

实际上，已经有越来越多的科学家意识到了现代宇宙学的荒诞性。比如，2004年5月22日，英国的《新科学家》杂志发表了34位科学家和工程师签名的《致科学界的公开信》。（上网后，又很快获得了185位科学家的网络签名），对大爆炸理论进行了口诛笔伐。他们尖锐地指出：“更重要的是，大爆炸理论从来没有任何量化的预言得到过实际观察的验证。该理论捍卫者们所宣称的成功，统统归功于它擅长在事后迎合实际观察的结果：它不断地在增补可调整的参数，就象托勒玫的地心说总是需要借助本轮和均轮来自圆其说一样。”[3]据今年4月7日的《参考消息》报道，最近，二位印度和美国科学家公开对大爆炸理论提出了质疑，作者说：“事实上，断定大爆炸从没发生过的日子也许到了，未来的宇宙学家回顾历史，将只会惊诧于为什么每个人都曾对一种如此众多自相矛盾的证据所否定的虚构事件笃信不疑。”其实，否定大爆炸理论的，不但国外有，在国内也大有人在，只是主流媒体不愿或不敢发表而已。种种迹象表明，目前宇宙学中的三大要素：暴胀、暗物质和暗能量，好比现代的本轮、均轮，是宇宙学家们为自圆其说而虚构出来的东西。

探索暗物质、暗能量和宇宙的起源，要消耗大量科技精英的智慧，更要花费巨大的物力、财力。然而，在一些人的狂热推动下，这已经成为当今科学界的一大热点。耗资巨大的欧洲大型强子对撞机（LHC）投入不到二年，还不见有什么成果，却又有人提出了建造国际直线对撞机（ILC）的计划，需资85亿英镑[4]（可以预料，中途还得追加），但愿无人去做怨大头！

宇宙是无限的，它的每一个局部都在运动着，演化着，但宇宙不会整体创生或毁灭。如果说，宇宙学是有关局部宇宙演化的学问，这有一定的合理性；如果认为，宇宙学应该描述宇宙整体的演化，那么，它的大前提错了！

参考文献
[1]、H.C. 瓦尼安，R鲁菲尼，引力与时空，北京，科学出版社，2006，P150-151。
[2]、爱因斯坦，相对论的意义，北京，科学出版社，1961，P84-85。
[3]、全志钢，大爆炸或许从未发生过，新发现，2006年6月，P40。
[4]、科学家憧憬新一代粒子对撞机，参考消息，2010.7.28

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