|
 李学生 （lixueshenglxs@21cn.com） 2007.05
二、宇宙无限论的再生
摘要: 本文首先从引力场的space-time本质出发阐述了微波背景辐射问题，根据space-time平权理论阐述了频率红移现象，使Big Bang Cosmology失去了实验基础，否定了Big Bang Cosmology。
关键词： 微波背景辐射、频率红移、引力场的space-time本质、Big
Bang Cosmology、pace-time平权
|
黄克谅：“因此，十几年前，类星体的发现构成了对近代物理学和现代天文学的挑战；今天，这个挑战仍然在继续。可以肯定，战胜这种挑战,更深刻地认识类星体的本质,将意味着人类对自然规律认识的一次巨大飞跃.”《天文学的新进展》1983
|
|
何香涛，沈小峰：“红移争论”是近代天体物理学中最热门的讨论课题之一。 《自然弁证法通讯》1983.1
|
|
李晓卿：“一定能揭示红移现象所蕴含着极为丰富的物理内容，使我们认识达到一次飞跃。” 天文学报1976.2
|
|
李宗伟，肖兴华：“总之，类星体发现以来30年中，红移的原因一直争论不休的问题，解决之日也是颁奖之时，盼望这一天早日到来。” 《普通天体物理学》p569， 高等教育出版社
1992
|
|
卞毓麟：“所以，类星体的本质，迄今仍是个未解之迷。”
《宇宙之迷》p50
|
|
周又元：“类星体是60年代四大天文发现之一,因其争论不休的奇特性质,而被号之为谜.”《天体物理、电路分析、脉冲分析》
|
（一）奥尔伯斯佯谬和引力佯谬的解释
《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：６２．奥伯斯佯谬能否解决？宇宙空间是有限的还是无限的，这是古今中外思想家科学家都极为关心极为感兴趣的一个问题。文献【4】表达了一种普遍共识：相对论宇宙学“认为宇宙有限，这是对20世纪以前宇宙观念的极大改观。” 【4】事实上，古希腊的亚里士多德就是一位宇宙有限论者，无限的空间和时间带来了许多佯谬，首先一个佯谬是所谓光度佯谬，德国天文学家奥尔勃斯在1826年提出了这样一个天文学命题。他假设：宇宙无限；宇宙中充满物质，星数无限；恒星的密度不变，平均光度也不变；星光照度与距离平方成反比。则会导致：黑夜和白天一样亮。这就是著名的勃斯佯谬问题。他的证明如下：E=∫2πKρdr=2πKρ∫dr=∞。这里的ρ为恒星数密度，E为亮度。
这一佯谬其实是人们没有考虑到辐射能可以转变为其它能，如果考虑到辐射能可转变为暗物质的自由能，光度佯谬就不会发生。刘原生先生认为：奥尔伯斯佯谬的数学表达，是对无限空间的发光体的积分。它的初始条件和推导基于以下宇宙学的观点：A、宇宙中恒星(发光体)的分布是均匀的。不过，在1823年我们还不知道有星系的概念。现代天文学告诉我们：恒星的分布是成团的。B、宇宙中恒星之间应该没有遮光物质。现代宇宙学认为：遮光物质的存在并不会影响光线的传播。但是，就是在这些最基本、最简单的问题上，由于古老观念在作祟，使我们屡犯固执的错误。上世纪三十年代，天文学家在探讨银河系时，就是因为忽略了遮光物质，使我们把太阳系当成了银河系的中心。现在，21厘米波基本给出银河系的图像，如果没有遮光物质，我们看银河系中心，那里应该是个大火球。C、宇宙中恒星的光线，无论传播多远都不会改变其性质。这个问题我们放到后面去讨论。 以上三点是奥尔伯斯佯谬成立的必要条件，缺一不可。但是现在可以看出：其中任何一条都不可能完全确立。所以奥尔伯斯佯谬在揭示宇宙是有限的实际意义不大。
1894年德国的另一位天文学家西利格尔指出：如果星球无限多而且均匀分布，那么宇宙中任一有限区域的物质(质量有限)将被区域外的物质(质量总和为无限大)所吸引，有限区域内的物质无法依靠自身的引力收缩成星体；然而实际情况并不是这样。这就是所谓的“引力佯谬”。笔者认为在宇宙中除了考虑万有引力外，还应当考虑它的反作用力，应当重新进行分析。能量守恒定律认为能量是不可创造，质量守恒定律认为质量是不可创造，大爆炸理论认为能量、物质（质量）、空间、时间已经被一个无限小的点爆炸创造，并且是在四大皆空发生的。
（二）宇宙无限论的实验基础
摘自《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题： 94． 宇宙会一直膨胀下去吗？９５．宇宙大爆炸的量子起源是什么？９６．大爆炸之前可能存在什么？９７．我们的宇宙是否有兄弟姐妹？
爱因斯坦：球面宇宙是有限的，又是无界的。
注：“球面宇宙”的球面，即其对外的界面，硬说其无界，硬称此体积有限大的东西为宇宙，这就是爱因斯坦宇宙理论的立足点。
爱因斯坦：如果宇宙无限大，宇宙物质密度必为0，如果宇宙物质密度不为0，宇宙必然是有限的【5】。
注：宇宙有多大，只与不动的立方厘米量有关，与物质毫无关系，与密度毫无关系。
谭天荣：只有对于“有限宇宙”，才能给出一个物质密度【6】。
简明不列颠百科全书：爱因斯坦对宇宙认识的贡献是无与匹敌的。
中国大百科全书：爱因斯坦以科学论据推论宇宙有限无界：这是宇宙观一次革命，它为宇宙膨胀理论和大爆炸宇宙学奠定了基础。
德西特：宇宙象一个正在长大的气泡，不断膨胀。
勒梅特：反推时间可知，所有星系所有物质被挤进宇宙蛋，一场大爆炸把它炸开，几十亿年后，留下现在的膨胀宇宙【7】。
注：任何膨胀体，都只能是在无限大空间中的一个空间区膨胀着的一细物，都只能是在无限多个上级配件中膨胀着的一个下级配件。
丁肇中：科学家相信，宇宙从爆炸来，爆炸以前，没有时间和空间。
注：任何爆炸，都只能是结构性配件的下级配件，在一定的运动持续过程或时间，在一定的空间区高速离散的现象。
伊壁鸠鲁：宇宙过去和现在一样，将来也永远如此：它的空间无限大，它的有形体无限多。
霍金在《时间简史》中也说过：“我认为大爆炸有着明显的宗教意蕴。”宇宙学是建立在观测事实的基础上，它必须对观测事实进行数学处理，建立理论模型；理论模型必须给出可供观测的预言。例如，宇宙能否作为一系统并被进行整体研究，在宇宙学中并不是显而易见的：(1)宇宙必须表现出可观测的大尺度统一特征；(2)宇宙各部分之间必须存在物理上的联系机制(不能是抽象的“普遍联系”)；(3)在地球这个局部所发现的自然规律可以适当地外推到整个宇宙。大尺度红移现象的发现为第一点提供了观测证据，引力理论的发展(广义相对论)为第二点提供了物理理论根据，第三点虽然无法得到证据，但对这个问题(也是一切自然科学甚至一切科学面临的问题)，科学家都持一种经验主义的谨慎的态度。正是这三点都有一种科学上能容忍的答案，现代宇宙学才敢于把宇宙作为一个整体(Universe as a whole)来进行科学的研究。
薛定谔认为：“一个只有剔除了一切人格化因素才能得到的宇宙模型不会为人格化的上帝所造。由此我们可知，科学家们并不是从经验事实出发否定了上帝的存在，或限制了上帝的作用，而是他们采取的方法一开始就排除了上帝。”
世界上许多著名的物理学家评论了宇宙背景辐射发现的物理意义。伯格曼认为，在宇宙尺度上，相对性原理被破坏了；宇宙背景辐射只在一个独一无二的参考系中各向同性，在这个意义上，那个参考系代表“静止”。韦斯科夫认为，无论如何，观察到的2.7K辐射决定了一个各向同性的绝对坐标系；迈克尔逊和莫雷的梦想变成了现实，即找到了我们太阳系的绝对运动，不过不是相对于以太，而是相对于光子气。斯塔普认为，2.7K背景辐射定义了一个优越的参考系，利用它可以决定事件发生的绝对顺序。哈肯也认为，狭义相对论否定了特殊参考系的存在，但是宇宙背景辐射却成了一个绝对参考系。罗森甚至认为，宇宙学的最新发现要求回到绝对空间的观念。胡宁认为，在迈克尔逊实验的零结果和以太模型之间没有出现任何矛盾；在某种意义上，上述400公里/秒的速度可以看作是迈克尔逊所要测量的地球相对以太运动的速度，他认为，宇宙背景辐射的各向同性分布所决定的坐标系，可以看作是真空的静止坐标系；相对性原理的适用范围应有一定的限度。在1979年美国普林斯顿纪念Einstein诞生一百周年大会的报告中，狄拉克也对此作了评述。他说：“这样就有一个优惠的观察者，对他来说，微波辐射是对称的。可以说，这个优惠的观察者在某种绝对的意义上是静止的，也许他就对以太静止。这恰恰与Einstein的观点相矛盾。”“在某种意义上说，洛伦兹是正确的而Einstein是错误的，因为Einstein说过的一切，就是根源于当时的物理学不可能显示出绝对零速度。”
哥白尼的宇宙边界是太阳系，随着人们观测水平不断地提高，视界在不断地扩大。实际上，望远镜可以越造越大，视野越伸越远，总可以观察到以前没有观察到的空间，自然而然地形成无限无边的宇宙概念。自伽利略和牛顿之后，人们普遍接受了时空的无限性。特别有了空间坐标系以后，可以很直观地把宇宙的体积看成是无限的，无论沿宇宙空间中任何一点的任何一个方向看过去，都不能找到它的边界，宇宙空间是欧几里德几何中的三维的无边和无限的空间。无限、无边的观点之所以被普遍承认，除了天文观测事实以外，若承认宇宙是有边界的，或有限无边的，都有会碰到这样一个无法解答的问题：界限的外面又是什么？无限、无边的宇宙观和牛顿的无限的时空相吻合。牛顿力学为无限、无边的宇宙观点提供了依据。因为按万有引力的规律，一个有边界的宇宙将不能保持稳定，在边界上的星球将处于特殊位置，星际间的万有引力将把它拉向中心。于是，一个无限无边的宇宙模型又从牛顿力学找到了根据。
在观测中，宇宙是高度均匀的。物质的物理性质和分布都是均匀的。无限数目的星在体上以均匀的密度分布在宇宙空间中，无论哪个天体，哪处时空和哪个方向都不居于特殊地位，它说明宇宙的结构是如此一致，我们有可能以一种极为简单的方式建立全宇宙的模型。
（三）宇宙无限论的理论基础
如果宇宙是在膨胀，宇宙常数就不该有。但是直到目前为止，也还没有一个人能找出一个理论上的论据来证明这一项不该有。这一困难，即“宇宙常数问题”，是今日物理学中最深刻的未被解决的问题之一（笔者注：按照前面的观点宇宙常数的实质是引力的反作用力——弱相互作用的表现形式）。1998年以前，物理学家和天文学家一般都认为宇宙学常数等于0或很小可忽略，而且粒子物理学家认为，宇宙学常数可以看作宇宙真空能量密度的一种量度。但近几年来，越来越多的观测证据表明，宇宙正处于加速膨胀的阶段，一个正的宇宙学常数对所观测到的数据有最好的拟和结果，几乎所有的宇宙学家都相信宇宙学常数的存在，并期待在宇宙学上有更多的观测效应如果宇宙在膨胀，宇宙不存在中心，距离观察者越远膨胀速度越大的原因为何，Big Bang Cosmology的起点在何处？按照Big Bang Cosmology理论，地球与太阳之间的距离应当越来越大，太阳的辐射频率应当越来越小。在宇宙的Big Bang Cosmology过程中，温度和密度随着时间的流逝而下降。在Big Bang Cosmology早期，温度太高，原子和分子均无法存在，自然力的强度随环境温度的变化而变化，现代物理学认为分子的平均动能E=1.5kT，那么温度的实质是何？
根据场的space-time本质的观点，能量是物质与space-time的相互作用，如果认为引力质量具有正的能量，那么必须认为引力场具有负能量，自然界不存在负引力质量的物体，物理学家预言宇宙中存在负引力质量，但是没有发现由负引力质量形成的物质原因在于此。引力定律确保了宇宙中所有质量之间的（负的）引力位能，必定永远和每个质量m相关联的（正的）能量mc2的总和大小相等、符号相反。因此总的结果准确的等于0。现代物理学认为物质的引力场的质量是静止质量的10-37倍，原因在于它只是计算的其space-time量子形式。整个宇宙的电磁质量之和为0，物理学中的反物质是电磁质量不同，引力质量相同。现代天文学测得宇宙的扩张速度正在加快，像有一股普遍的推动力持续将space-time结构向外推，原因在于正负引力质量间相互排斥，不至于把宇宙卷曲到无限小的尺度，所以宇宙不存在起源问题。
相对论甚至不能对径向多普勒效应做出合理的解释。多普勒现象是：光源远离观察者时光谱红移，迎向时则蓝移。相对速度愈大频移愈甚。频率红移应当是观察者测得的现象，根据space-time平权理论，距离的增加相当于时间的延缓，因此频率减小。因此红移量与距离成正比，光源越远，它远离我们的速度也越快，即V=H×R，哈勃的发现验证了这个问题。Big
Bang Cosmology是space-time量子现象，随着时间量子的流逝，空间逐渐增大，而非标准space-time，标准space-time本身不变，微波背景辐射的温度朝不同方向看如此一致，说明space-time的本质是场，它是零点振动的表现形式，应当重新分析这些实验。类星体是射电天文学观测的结果。它的特点是红移特别巨大。根据哈普定理：红移越大，相对地球退行的速度也越大，离地球也就越遥远。这样，类星体就被解释成一个远离地球、且相对地球高速退行的天体。从而引发了远距离与大能量的矛盾。
热的本质如果归结为量子的碰撞（宏观上或微观上），那么就可以理解微波背景辐射的温度，自然力的强度随温度的变化而变化。热辐射的本质其实就是由于电磁质量能级的变化而辐射electromagnetic field，温度的本质应该解释为electric field与引力场的强度，可以运用实验证明这个观点，因此热质说有其正确的一面。物体在碰撞过程中能量的损失的过程应当是机械能——电磁能——内能——电磁能之间的相互转化，由中子组成的物体之间的碰撞不会发生这一过程。传导与辐射本质上是一样的。空间增大时，时间缩短，容易理解Minkowski方程s2=(ct)2—(x2+y2+z2)，也进一步验证了广义相对论的正确。
Roger Penrose证明，如果宇宙中物质施加的引力总是表现为吸引，并且宇宙中存在着足够的物质，那么这些物质的引力效应就使人们不可能无限地沿着时间往回追踪所有的光线。某些（也可能是所有的）光线必定会达到一个终点——“奇点”，即光线在其轨迹的尽头达到了space-time的边缘。如果我们把宇宙的整个历史——所有的空间和所有的时间——想象成伸展在我们面前的一张硕大无比的纸，那么我们就有可能在某些特殊的地方发现一种密度和温度无限大的“奇点”。【1】根据奇点定理，在具有合理物质源的广义相对论的经典理论中，引力坍缩情形中的空间——时间奇性是不可避免的。利用时间方向的反演可以得到相应的初始的空间——时间奇性是不可避免的。物质与space-time在初始奇点创生，在终极奇点消灭，这两种奇点也许存在一个准确的时间对称。如果Euclid空间——时间延伸到无限的虚时间，或者在一个虚时间的奇点处开始，就有了和经典理论中指定宇宙初态的问题，但是我们提不出任何特别的原因，认为它应当以这种而不是那种方式开始。在经典广义相对论中，因为所有已知的科学定律在Big Bang Cosmology奇点处失效，人们不能预言宇宙是如何开始的。引力似乎存在不同于粗粒化产生的内禀引力熵的出现，宇宙可以从一个非常光滑和有序的状态开始。霍金说：“广义相对论导致了自身的失效：它预言它不能预言宇宙。”
另一方面，Einstein认为：自然界的真实定律不可能是线性的，也不可能从这种线性定律推导出来。Maxwell方程组表现的几何定理就是：“边界的边界是不存在的。”当空间——时间曲率变大，量子引力效应明显，经典广义相对论没有把量子力学不确定性原理合并在里面，人们必须用量子引力论去理解宇宙是如何开始的。量子引力论开辟了另一种新的可能性，在这儿空间——时间没有边界，所以没有必要指定边界上的行为，没有使科学定律失效的奇点，不存在在该处必须祈求某些新的定律给空间——时间设定边界条件的空间—时间边缘。因为整个宇宙的正引力质量为无穷大，空间和时间可能会共同形成一个在尺度上有限而没有任何边界或边缘的面，所以绝对空间弯曲为一个半径为无穷大的封闭的球形空间，而封闭的球形空间对光线有一种独特的聚焦作用，使得物体向远处运动时在一定距离上越来越大。由于绝对空间的运动速率为光速，整个宇宙是一个四维space-time连续统，不存在时间量子，只有在相对space-time中才有时间量子，因此不存在宇宙起源问题。人们可以说：“宇宙的边界条件是它没有边界。”宇宙是完全自足的，而不被任何外在于它的东西所影响，它既不能被创生，也不能被消灭，它就是存在。因此宇宙不存在起源问题，宇宙应当是时间上无始无终、空间上无边无缘，造物主无所事事的宇宙，这也符合唯物辩证法的基本观点——space-time在本质上是无限的【3】。
现代物理学认为宇宙始终以接近于（其实相等）区分收缩和永远膨胀模型的临界膨胀率的速率膨胀，说明宇宙无始无终。物理学在时间的大门口（Big Bang Cosmology、大坍缩）走到了尽头；但另一方面，尽管有那么多表面上的变化，物理学在人们心目中始终走它的永恒之路。在物理学的描述中，“时间”不是一个原始范畴，在使用时间已临近“时间的大门口”这一观念是错误的
。 亚里士多德认为时间既是事物运动的尺度也是事物静止的尺度，实质上已得出了时间是物质持续性的量度，时间既不是运动，又不能脱离运动，它依赖于物质的运动而客观存在着。时间是无限的，既时间在量上是无限的，又是无限可分的。宇宙既不生成，也不可能消灭，是单一的和永恒的，它的整个时期既无开端也无终结，在自身包含着无限的时间。【2】对整个宇宙来说，宇宙既没有来，也没有去。关于大爆炸理论，它可以是宇宙存在过程中的一个环节，而决不可能是宇宙的起源。如果说是起源也只能说是某个阶段的起源，宇宙是不存在一个绝对开始的那种“起源”的。
参考文献：
【1】何香涛，乔戈，“霍伊尔和他的稳恒态宇宙”，《自然辨证法研究》，Vol. 9, No. 1, 1993。(He Xiangtao, Qiao Ge, “Sir
Fred Hoyle and His Theory of Steady State Universe”, Studies in Dialectics of
Nature, Vol. 9, No. 1, 1993.)
【2】《物理》第31卷第2期117页。
【3】［英］约翰.
D. 巴罗 著 卞锍麟 译.《宇宙的起源》 上海科学技术出版社 1996年6月
【4】吴翔等.文明之源——物理学[M].上海:上海科学技术出版社,2001,222
【5】爱因斯坦.狭义与广义相对论线说.上海科学技术出版,1964. 90；96.
【6】谭天荣.哥本哈根迷误.陕西科学技术出版社，1988.134.
【7】阿西摩夫.古今科技名人辞典.北京：科学出版社，1988.331；385.
|
评论
