胡昌伟 （huchangwei5@yahoo.com.cn）　2007.07

现在，我们把目光转向宇宙大的方面。

3．1、宇宙学疑难的根源

现代宇宙学从其诞生之日起就疑难缠身^[11]，而且，它的发展过程往往是以新的疑难来抹去旧的疑难。

1916年，爱因斯坦建立了广义相对论，提出了引力场方程。当把它用于整个宇宙时，会得到一个惊人的结果：整个宇宙空间必然随着时间变化，即宇宙的结构要么在膨胀，要么在收缩。对此，爱因斯坦很不满意，他在这个方程里添加了一个“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，他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，因为引力场方程本来就预言了宇宙的膨胀，而爱因斯坦也把他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，于是，在上世纪40-60年代建立和发展起来了“宇宙大爆炸标准模型”。不过，用它来解释初始宇宙时，存在着严重困难。这里有视界疑难（视界是因果联系的区域，它无法说明目前宇宙的普遍性的因果关系），平直性疑难（平直性与宇宙学密度相关，而它的推论同目前的宇宙学密度不符），磁单极疑难（按照它的计算，磁单极数量极多，早就应该被发现了，但实际上没有）等等。为了消除这些疑难，1980 年代初开始，出现了多种的“暴胀”理论——在远不到1秒的时间里，宇宙的半径至少增大了10²⁵倍——这是个怎样的图景呢？就是在远不到1秒的时间里，一粒沙子大小的东西，一下子变成了比银河系还要大的庞然大物。果真如此吗？这是一个更无法解答的大疑难。另外，这样的暴胀速度显然远远地超过了光速。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，这里所谓的时空就是以太，它也是一种物质，不是真正的空间。

暴胀理论预言宇宙学密度为1，而重子物质的密度远小于1，即宇宙的主要成分应该是人们还未认识到过的非重子的“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，为什么只奇怪地分布在星系等的外围等等，又成了大疑难。

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！对于这一异常，宇宙学家认为：宇宙空间存在着比暗物质更大量的“暗能量”。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，而不允许伴随任何有引力作用的“暗质量”。这样的暗能量比暗物质更神秘，它有可能存在吗？它究竟是什么？这又是一个天大的疑难！

那么，造成宇宙学疑难不断的根源是什么呢？是把广义相对论当作了宇宙学的理论基础，而广义相对论是有局限性的，不能用来描述整个宇宙。

前面曾指出，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。”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，包括爱因斯坦和霍金还是坚持把奇点看作是宇宙大爆炸或别的什么原始状态，在广义相对论的基础上，修修补补地去描述整个宇宙。

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。其实，所谓的时空的弯曲只是对以太分布不均匀的一种数学描述。数学模型是科学理论的必需，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，他们将构建新的数学模型，经过设置和调节一定的参数，将会得到在某些方面与事实相符的数据。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。目前，我们已知有四种相互作用，而且，很有可能存在着人类还不知道的相互作用，引力只是所有相互作用中的一个，而现代宇宙学却把引力场当成了“宇宙场”。在已知的主要的相互作用中，都有着明显的区间性：在强子内部，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。设想在电子上有一种特殊的有智慧的生物，它们可以将原子世界称作“宏观”，而将我们的宏观当作是它们的“宇观”。如果，我们宏观的引力场就是宇宙场，那么，它们的“宏观场”（电场），也应等同于它们的“宇观场”（引力场），但这是不成立的。可见，引力场不会是宇宙场，而只是一种宏观场。实际上，引力场强度对应以太密度梯度，意味着引力是以太连续性的一种属性，当以太密度小到一定程度，以太失去了连续性，引力也将趋于消失。因此，引力场的作用是有限的，而在比宏观更大的宇观空间里，还会存在着不同于引力场的宇观场。

现代的大爆炸宇宙学，建立在一个不可靠的理论基础之上，是当今科学界里的一个大神话。所谓的三大证据，也只是牵强附会而已：宇宙中氢、氦和重元素的比例，是天体无穷次反复演变的结果；“宇宙背景辐射”是太空中的真空起伏，是以太海洋里“无风三尺浪”的表现；3K辐射的存在也表示太空中的以太不是完全超流动性的，它有那么一点点的粘滞性，光在远距离传播时也将消耗能量，河外星系的红移就是这方面的表现。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。”^[12]确实，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，是臆造出来的东西。现在，人们已经对宇观天体的“质量缺失”现象，提出了种种看法，认为这不是存在着什么大量的“暗物质”。为此，我们来回顾一下暗物质问题的由来。

3．2、暗物质问题回顾^[13]

确定星系、星系团等宇观天体的质量有二种方法。一是光度学的方法，运用恒星的质光关系，把该天体内所有的发光物的质量加起来；二是动力学的方法，通过观察该天体内物质的运动状态，用牛顿力学方程来求得天体的质量。然而，令人意想不到的是，二种方法求出的结果竟是大相径庭。

早在1932年，年轻的荷兰天文学家奥尔特(A. H. Oort)，在研究恒星穿越银河系银道面的运动中发现：根据这些恒星的实际运动情况，用牛顿力学公式来计算，银盘的物质总量，至少是看得见的发光体总质量的三倍；1933年，瑞士天文学家茨维基(F. Zwicky)发现，后发星系团的动力学质量竟是光度学质量的400倍；1936年，史密斯等人又发现，室女星系团的动力学质量是其光度学质量的200倍，等等（早期的观察数据误差很大，现在认为，在类似的情况下，一般为10倍左右）。这些“质量缺失”现象表明：如果宇观的物质运动也符合牛顿力学定律，那么，一定还存在着人们还未发现的极大量的“暗物质”。

如果说，上述的发现还存在着一些不确定因素，那么，1978年，鲁宾(V. Rubin)等人的发现给出了一个有力的证据。他们发现：包括银河系在内的一些旋涡星系，在星系的发光圈外，物质的转动速度同距离无关。而按照牛顿力学定律，物质的轨道运动速度的平方与距离成反比。因此，如果牛顿力学定律始终有效，就得认为：星系外围存在着巨大的暗物质的晕。

如果暗物质真的存在，那么，它究竟是何物呢？早先，人们认为，它是难以被观察到的常见物质，如弥漫在太空中的气体、尘埃、行星，因衰老而变暗了的恒星、星系和黑洞等等。但经过观察和分析，这些常见物质，在质和量方面都远远满足不了要求。因此，它应该主要由人类尚未认识的物质所构成。暗物质是非常见物质，它的量又比常见物质大得多，这种情况十分反常。不过，现代宇宙学却如获致宝。因为，按照现代宇宙学理论，在宇宙早期，经过暴胀以后，宇宙学密度保持为1，而重子物质的密度远小于1，因此，宇宙物质的绝大部分应该是非重子物质。目前，现代宇宙学家们认为：在宇宙的物质构成中，常见的重子物质只占总体的4%左右；23%左右是暗物质；其余的73%则是所谓的暗能量。

暗物质主要由人类尚未认识的物质所构成，于是，目前有些以太论者认为，以太就是暗物质。但这里忽略了一个基本的事实：到目前为止，暗物质的存在还仅仅表现于宇观世界，比如，在银河系里，若不考虑有质量，有引力作用的暗物质的存在，那么，银河系外围的天体的运动规律，已完全背离了牛顿的力学规则。而以太不只存在于宇观世界，也存在于宏观世界，但在太阳系世界，行星的运动规律完全符合牛顿的力学规则，丝毫不用考虑以太的作用，这里的以太的万有引力作用到那里去了呢？实际上，以太就是物理真空，它是无所谓质量的，与所谓的有质量的暗物质无关。

总之，暗物质问题源于宇观世界的“质量缺失”现象。它的实质是：在宇观的常见物质世界里，用牛顿力学定律不足以解释物质的运动状态。对此，如果认为牛顿力学定律在宇观世界仍然有效的话，就得承认大量的非常见物质的暗物质的存在，这是当今学术界的主流观点；如果认为牛顿力学定律具有局限性，在宇观世界，对它应作适当的修正，从而避免暗物质的引入，这是以往的暗物质替代理论的基本思想。

早在1930年代，英国天文学家琴斯(H. Jeans)就指出，在星系尺度上，万有引力定律所表述的引力与距离的关系应当修正；1963年，罗马大学的奋兹(A. Finzi)又提出了对万有引力定律的另一种修改方案。以色列物理学家密尔格罗姆(M. Milgrom)指出，前二位对引力-距离关系方面的修改，无法重现观察结果，并于1983年提出了“牛顿引力动力学修正理论”（Modified Newtonian Dynamics 简称MOND理论）^[14]。在这里，他引入了一个常数，当引力加速度大于时，牛顿力学定律照常成立，即引力与加速度成正比；当引力加速度小于时，引力与加速度的平方成正比了。这一修正理论能很好地复现观察数据，如旋涡星系中的轨道速度随着到星系中心距离的增大而逐渐趋向于一个恒定的值；这个恒定的速度值与星系质量的4次方根成正比等等，在这方面它是优于暗物质论的。因此，它被看作是最成功的暗物质替代理论。不过，这一修正理论缺乏基础性的理论依据，只是一种为了解释已知的观察数据而建立起来的“现象性理论”。而且，它对富星系团内部的“质量缺失”及引力透镜等现象也无法进行解释。可见，这一修正理论不太理想。

那么，是否存在一个即能不借助于暗物质，又带有一定基本性的理论呢？这是有可能的。那就是把“质量缺失”现象，看成是存在着宇观场作用的反映。下面，就此作下具体的探讨。

3．3、宇观场作用论

暗物质论和上述的替代理论有一个共同点，那就是它们都认为引力场是能够支配宇宙中所有物质运动的“宇宙场”。只是，前者认为牛顿力学定律对宇宙是全面适用的，而后者认为牛顿力学定律在宇观世界要作一定的修正。本文则认为：引力场不是宇宙场，它只是一种宏观场，在宇观世界存在着不同于引力场的宇观场，是它的作用造成了“质量缺失”现象。

那么，如何来表达宇观场的作用呢？

3．3．1、二个假设

描述宇观天体，牛顿力学体系足够了。牛顿力学的表达方式简单、明了，我们就参照这一表达方式来进行尝试。

电、磁、引力等有着相同形式的力的表达式：。是恒量，对电力来说，、代表二个电荷值；对引力来说，、代表二个质量，即引力荷值，等等。对宇观力也应该有同样的形式。

假设1：二个宇观力荷（、）能相互吸引，这宇观力的大小，（为宇观力恒量，是它们中心之间的距离。）

那么，如何来确定宇观力荷的值呢？大家知道，电荷、质量都是物质的属性，探讨宇观力荷也应该从天体的物质性入手。另一方面，宇观力的特点是在一定范围内，空间越大，它的作用越明显，这显示宇观力荷有一定的空间广延性。质量是没有空间广延性的，但质量物的周围存在着引力势（以太密度），引力场强度就是引力势的梯度。电场强度E，磁感应强度B等也类似地对应着电势和磁矢势A。本来，人们认为，只有场强E、B才是物理实在，但A-B效应显示^[15]，势、A也是物理实在。而且，在量子理论中，场强是欠定的，而势是超定的，因此势是比场更基本的实在。同样，引力场以太观认为引力势是比引力场更基本的物理实在，宇观力荷应该与它有关。根据有关的观察资料提出如下假设。

假设2：在有效半径L内，天体的宇观力荷与天体的引力势的体积分的正平方根成正比：，（是常数，是天体的质量，是离开质心的距离，﹤L，是以为半径的球体积，是宇观效应常数，为负数，当相当大时，可略去不计。）；L=，（是常数，对任一天体来说，距离质心L处的引力场强度恒为，是引力恒量）——因为引力势对应以太密度，所以，这里实际上是认为：宇观力荷与引力场以太的量的正平方根成正比，而L可能就是引力场作用的有效距离。

宇观场是有源场，当宇观力荷的分布成球对称时，它的强度可以如电场那样来求：以天体的质心为球心，为半径作球面，将这球面内的宇观力荷（有效宇观力荷）看成全集中在球心，以此来计算离质心处的宇观场的强度，而不必考虑球面外的宇观力荷的影响。

以上二个假设是否成立，要看由它们推算出来的结果能否与观察数据相符。下面就此作下分析。

3．3．2、宇观场分析

由假设2，在宇观世界，可略去不计，天体的有效宇观力荷是：

（1）

结合假设1，质量为、的二个天体之间的宇观力应分三种情况：

a、二者的距离都在它们的有效半径之内时：

，（与无关） （2）

b、二者的距离在的有效半径之内，在的有效半径之外时：

，（与成反比） （3）

c、二者的距离都在它们的有效半径之外时：

，（与平方成反比） （4）

在星系的外围，物质作绕星系的圆周运动。在这种情况下，可设外围物质处于星系的宇观力荷分布的有效半径之内，而星系的质心处于外围物质的宇观力荷分布的有效半径之外，应该用（3）式计算。于是，外围物质的向心加速度应该是引力加速度与宇观力加速度之和：，（，是外围物质轨道运动速度，是星系的有效质量，）。于是，。因此，在星系的外围（已足够大），物质的轨道速度将趋向于定值，这与鲁宾等人的发现相一致。

轨道速度为时，向心加速度的平方，这里显示了与MOND理论和观察数据相符的关系，即引力与加速度的平方成正比，速度的4次方与天体质量成正比的关系。在我们看来，MOND理论是在这样情况下的一种近似：外围物质处于星系的宇观力荷分布的有效半径之内，而星系的质心处于外围物质的宇观力荷分布的有效半径之外，而且，宇观场的作用大于引力场的作用，引力场的作用可以略去不计。

原来，人们以为天体的加速度都是引力加速度；现在，天体的加速度应该是引力加速度与宇观力加速度之和。这说明，以往通过引力定律计算出来的天体的质量，其实不是纯粹的引力质量，其中还包含着由宇观力造成的“宇观质量”。设天体的质量为M，它包括引力质量和宇观质量即M=+。天体的引力加速度，以往用计算，现在应该用计算，由这二式可得：

（5）

部分的宇观质量就是所谓的“暗物质”。由（5）可知，它与成正比，即天体离开星系质心的距离越远，根据它的运动状态，运用牛顿定律计算出来的星系的“暗物质”越多。它是由内向外逐步增加的。另外，当人们分别用一个星系内部的天体和一个星系外围的天体来计算该星系的质量时，得出了不同的值，这时，一般不怀疑前者的结果，而认为后者是受到了暗物质的作用，这样就把星系内部的等同于，而将外围的当作是“暗物质”。这二种情况就是产生“暗物质”分布在星系外围的“假像”的缘故。

下面对银河系的有关的量作下粗略的计算（米·千克·秒制）。

由于已知的银河系的质量包括了宇观质量，它的引力质量应该比这小得多。取它的引力质量=4×10⁴⁰，=2×10⁵，得。那么，银河系对离开银心5万光年处的天体的引力加速度和宇观力加速度之比：，即引力不到宇观力的1/7。

设，那么，，于是，L_太阳=1.2光年；L_银河光年，与其半径差不多。

3．3．3、讨论

以上，提出了一个新的暗物质替代理论的初步方案，它有待进一步的修正和补充,如需要新的观察数据和理论分析来确定k, H, L, p, c, b以及天体的纯粹的引力质量等等。同MOND理论一样，上述假设是根据有关的观察数据作出的，因此它能得出一些与观察数据相符的结论，这只能说明它有一定的合理性，而不足以证明它的正确性，对此还需要有进一步的证据。不过，它已经显示，摆脱暗能量、暗物质之类概念的羁绊是有可能的。

（5）式表明，“暗物质”既与成正比，也与成正比，因此，富星系团内部的“暗物质”将比较多一些。这是观察事实，而MOND理论对此难以解释。MOND理论对引力透镜现象也难以说明，而宇观场作用论对此可作很自然的解释：光子是具有质量的粒子，当然也拥有引力势，从而带有一定的宇观力荷，因此它也参与宇观场的作用，光线在宇观场里也要弯曲。

另外，二个天体之间的宇观力分为（2）、（3）、（4）三种情况，即随着这二个天体之间的距离的变化，它们之间的宇观力会发生跳跃式的变化，这对星系核、星团等的形成等等将产生特殊的作用。对此，有可能通过理论分析和天文观察来加以检验。

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