认识宇宙（之一）“大爆炸”宇宙学的未决疑难

      

0. “大爆炸”宇宙学的疑难

了解宇宙的性质、结构和演化规律，一直是人类的梦想。但是，要认识宇宙太难了。从望远镜发明到认识恒星、星系，到发现支配星空的万有引力定律，到哈勃发现星系退行、宇宙膨胀到“大爆炸”标准宇宙模型建立，400年时间总算有了一个能用观测检验并被科学界接受的宇宙模型。

陆埮老师在《中国国家天文》上撰文说，“现在宇宙学已经成为了一门精确科学，被多数人接受，成为了当今最前沿，最活跃的学科之一” ^[1]。

但仍有人对“大爆炸宇宙学”持强烈反对态度。

2004年34位知名科学家和工程师在英国《新科学家》杂志上联名批评“大爆炸宇宙学”。批评这个理论“越来越多地以一些假设，一些从未被实证观察的东西作为自己的论据：暴胀、暗物质和暗能量等就是其中最令人震惊的一些例子。……这种不断求助于新的假设来填补理论与实际之间鸿沟的做法，在物理学的任何其他领域中都是不可能被接受的。……离开了暴胀之类的假设，大爆炸理论就无法解释实际观测中发现的同质的、各向同性的宇宙背景辐射。因为那样的话，它就无法解释宇宙中相距遥远的各部分何以会有着相同的温度并发出同量的微波辐射。……而离开了暗能量，根据大爆炸理论计算出来的宇宙年龄就只有80亿年，这甚至比我们所在的这个星系中许多恒星的年龄还要小几十亿岁。……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测的结果，它不断地在增补可调整的参数，就像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”。公开信贴到网络上后，又得到400多位科学家的签名支持。

我国一些物理学家对“大爆炸宇宙学”也存有异见，如大连理工大学物理教授陈方培认为：“很多人不相信宇宙大爆炸的真实性，认为‘大爆炸宇宙学’存在缺点、甚至错误。…本人也不相信宇宙大爆炸的真实性，正在钻研‘大爆炸宇宙学’的观测基础和理论基础并企图修改‘大爆炸宇宙学’的缺点。目的是‘抛砖引玉’，希望能为建立更完善的宇宙学起到一些呼唤作用。^[2]”

北大俞允强老师著有关于广义相对论和宇宙学的专著多部。俞老师在研究“宇宙学”时也指出现代宇宙学中确实存在诸多的未决疑问。

俞老师在“宇宙学这80年”一文中就提到了现代宇宙学中五个主要的未决问题．按我的理解列于如下：

(l) 观测已发现宇宙在加速膨胀。膨胀的加速需要有斥力，斥力来自何方？

(2) 宇宙中没有找到大块反物质是用观测认真探索过的事实．这是原初宇宙中重子比反重子多1亿分之几的结果吗？这微小的差异又是怎么产生的？

(3) 微波背景辐射观测到了宇宙整体上超视界的均匀性，超视界意味着任何物理原因不可能解释它，于是用猜测性的暴涨理论来解释超视界均匀性。可是用什么来证实暴涨确实发生过？

(4) 如何认识宇宙中的非重子实物密度。

(5) 如何认识广义相对论宇宙的来源或“创生”问题。

上述问题本身都是源于肯定事实的真问题，但都还没有明确的答案。^[3]

疑难和问题往往是新认识的前导。现代宇宙学的第一个未决问题是关于宇宙的加速膨胀。

1. 现代宇宙学的建立与宇宙加速膨胀的发现

宇宙学成为一门实测的自然科学始于上世纪早期，美国天文学家哈勃用当时最大的威耳逊山天文台望远镜对星云进行观测并证明：我们所在的银河系之外还存在着许许多多和银河系类似的星系，这些星系形成了组成宇宙的基本单元，这一发现奠定了观测宇宙学研究的基础。哈勃还发现星系光谱红移的数值与星系的距离成比例，它表明所有银河之外的星系均在离开银河系退行，这就给出了一幅宇宙在均匀膨胀的图像。此后的宇宙微波背景辐射和轻元素丰度的观测进一步支持了这种膨胀宇宙的基本图像，今天的宇宙学模型正是在这样的观测和理论基础上建立和发展起来的。

宇宙中存在物质，物质间存在着万有引力，当宇宙膨胀时，物质间的引力作用应当使它的膨胀速度减缓，也就是说，宇宙膨胀应当是减速的，在宇宙学中有两个常数，即哈勃常数Ho和宇宙减速因子qo，前者表示现在宇宙膨胀的速度而后者表示宇宙膨胀的减速．^[4]

1998－1999年，利斯(A. G. Riess)和珀耳莫特(S. Perlmutter)两个各自独立的课题组，用Ⅰa型超新星经过诸多校正后作为“标准烛光光源”进行观测，两个课题组都发现那些遥远的Ⅰa型超新星的亮度比预期的更暗(即更远)。从而，他们发现了宇宙不是在减速膨胀，而是在加速膨胀。这是一个十分令人震惊的发现。所谓万有引力，自然是只有引力，没有斥力。因此，宇宙膨胀只可能减速，不可能加速。大爆炸理论完全无法解释宇宙的这种加速膨胀现象。加速膨胀的发现意味着宇宙大区域中存在斥力，而且，现今的宇宙整体上看应当是以斥力为主。^[1]

在一个“万有引力”支配的宇宙中，斥力从哪里来？

这就意味着要修改万有引力定律，或者增加一种能产生斥力的新物态。主流宇宙学选择了后者：在方程中重新加入爱因斯坦的宇宙学常数λ或“暗能量”。 这种对抗万有引力的膨胀效应，观察不到其载体，因而称其为“暗能量”。 但“暗能量”究竟是什么？谁也说不清。暗能量成了二十一世纪物理学和天文学面临的最大的挑战。

2. 新观测事实对现有理论提出严重挑战

随着更大口径的望远镜投入观测，取得的一系列新的观测结果向现有的主流理论模型提出了严重的挑战。预示着在未来若干年内新的观念或理论上的突破即将产生。

2.1. “年龄矛盾” 再次出现

2005年末，多架巨型望远镜（哈勃空间望远镜，欧州的VLT望远镜，以及美国国家航空航天局的斯必泽空间望远镜等）对准位于鲸鱼座的HUDF-JD2遥远星系进行观测，发现它与地球的距离达到130亿光年。这个数字如此接近大爆炸发生的时间，不禁令人瞠目结舌。如果大爆炸理论成立的话，这就意味着，我们观测到的HUDF-JD2星系正是它在大爆炸发生仅仅7亿年后的模样。计算得出，该星系的质量相当于6000亿个太阳的质量，约为我们银河系质量的4倍。根据目前有关星系演化的理论，现有的星系都是逐渐由小型星系聚集形成的——那么如此巨大的一个星系怎么可能在大爆炸之后这么快就形成了呢？“恒星和星系年龄大于宇宙年龄”的问题并不是今天才出现的。随着天文观测技术的发展，这个问题变得越来越突出，而这一次问题也许变得更加尖锐了。^[5]

“大爆炸宇宙学”的“宇宙年龄”太短促了，“年龄矛盾”难以避免。一些天文学家认为，随着观测技术的不断改进，人们一定会发现一些更老的天体。果真如此的话，根据大爆炸理论编制的宇宙演化时间表就有可能要被彻底改写。

 

2.2. 现有理论无法理解的星系分布周期性密集现象

当前，天文学家正在重复当年赫歇尔、卡普坦、沙普利实际测绘银河系结构的工作。为此，天文学家发展出了几种独立于红移的确定星系距离的方法。

大规模星系红移巡天观测计划给出了相当大范围内星系的三维分布。尤其是最近开展的对遥远的看来很暗的星系的红移巡天观测，这些巡天通常都选取若干方向上很小天区内的星系作为样本，而巡天都达到前所未有的深度。得到的结果是令人惊讶的。

天文学家发现星系表现出在空间上很强的成团性。更出乎意料而令人难以理解的是，星系密集的峰的出现似乎存在规律性，或者说星系密集区与我们的距离似乎是周期性的。图6引自邓祖淦、夏晓阳“星系形成和宇宙的大尺度结构－观测对现有理论提出严重挑战”一文。图中显示的是样本中任意星系与我们距离的分布。虚线标出了128Mpc整数倍的位置，可以看到，分布的确是在128Mpc整数倍处呈现明显的峰。“这种星系红移分布中的规则性更是目前任何模型或理论无法解释的。无怪加州大学伯克利分校的著名天体物理学家Davis说：‘如果星系分布的确是周期性的，我们对早期宇宙的了解可以说比零还少。’…如果这种周期性的确存在，目前标准宇宙模型的基本观念必然要发生重大变化，这是不少宇宙学家所相信的。”^[6]

 

在现有的标准宇宙模型中，确实无法理解星系分布的周期性密集现象。究竟是什么因素导致了星系分布的周期性密集？

3.结 语

国家稳定，老百姓不愁衣食就有闲遐思考“天问”一类的问题。

作为一个天文爱好者，40多年前我写过一篇“宇宙学的一个新假说”，得到戴文赛先生鼓励。这个宇宙模型以两个基本假设为基础：1.宇宙中正反物质数量相等；2.正、反物质间相斥，即物质间同性相吸异性相斥。再加上宇宙整体上均匀的设想，一个新宇宙模型的框架就建立起来了。

这个宇宙模型发生膨胀是‘物质间同性相吸异性相斥’的相互作用所致，无需靠一次“大爆炸”来推动。由这个模型能导出表征膨胀速率的哈勃常数 H 。

         H ² ≈ 8πGρ∕3                           （1）

将宇宙物质平均密度 ρ＝ 1.9•10^-29 g∕cm^{3  [7]} 代入上式，得：

 哈勃常数 H ≈ 50 km • s^-1• Mpc^-1  ，与现在的观测值同量级。

此外，这个模型预言宇宙膨胀是加速的。而在当时，所有宇宙学家都认为宇宙膨胀应该是减速的。只是到了1998－1999年，天文观测才发现宇宙膨胀确实是加速的！此外，这个模型中必然会出现物质团（星系或超星系团）间距的周期性结构。作为基元的正反物质团就像正负离子组成晶体那样形成周期性大致等间距分布的膨胀结构。

最近在网上看到不少讨论‘宇宙大爆炸’的博文，有专业人士也有非专业人士，十分热闹。引起了我这个天文爱好者的兴趣。最近又有些空，想起自己以前的这个假说能够有某种预见性，也许就包含了某些合理的成分，有某种参考价值。就找出几十年前写的材料整理一下贴到网上。

下篇博文将介绍32年前发表在内部刊物《鹤壁科技》上的文章“宇宙学的一个新假说”。这是一个非天文物理专业毕业的年轻工科大学生的习作，不当与错误之处一定不少，还恳请各位专家批评指教。

 

 

参考文献：

[1] 陆埮，为宇宙加速膨胀发现10周年而作，中国国家天文，2009年2期.

[2] http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=217110 陈方培的 博客

[3] 俞允强，宇宙学这80年[J]，物理，38卷8期，2009，531～535.

[4] 邓祖淦、邹振隆，高红移Ia型超新星的搜寻和宇宙的加速膨胀，物理，28（8）：464～470.

[5] 全志钢，宇宙大爆炸，或许从未发生过，新发现，2006.6.

[6] 邓祖淦、夏晓阳，星系形成和宇宙的大尺度结构－观测对现有理论提出严重挑战，物理，21(1)：88～95.

[7] 俞允强，热大爆炸宇宙学，北京大学出版社，2001年，194页.

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自池顺良科学网博客。
链接地址：https://m.sciencenet.cn/blog-51667-351131.html

上一篇：重新认识我们的地球（之十五）论争后记和赠书通告
下一篇：认识宇宙（之二） 32年前一个预言膨胀加速的宇宙模型