二、大爆炸理论的困难

《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【1】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。” 【1】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。勃斯佯谬不在于恒星分布是否均匀，也不在于星空中有无吸收光的物质，而是定域积分的必然结果。星空背景是黑的，是宇宙还在膨胀的必然结果，即宇宙时空是不定域的，边界在向外不断扩展。一旦，宇宙不再膨胀，甚至收缩，它就是定域的，宇宙时空内光就会形成驻波，那时星空背景不仅会是亮的，还会是闪烁的。

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。

四川的李雪鹏认为：如果宇宙起源于大爆炸，那么宇宙的边缘部分的星体密度应该比靠中心的部分更为稀疏，这好比烟花爆炸一样，可为什么我们测量到的宇宙在大尺度下是如此均匀？如果宇宙存在一个开端，那么这个开端便是时间坐标轴的原点，如何确定这个坐标原点呢？那我们不得不采用绝对时间概念，但是，如果采用绝对时空观念，那样由相对论等高等物理理论推导而来的大爆炸理论岂不成了废纸一张？对于宇宙的历史，相对论者在写论文的时候都采用了绝对时空观，如大爆炸后的最初一秒钟，大爆炸后的两万年……这些可是相对时空观念不允许的。对于宇宙的年龄，人们没有必要通过研究某个古老陨石所携带的某种放射性同位素的半衰期来测定它。由广义相对论，我们可以得知，每个星体由于其速度及引力场的不同，会导致时间的快慢程度不同，也许有个星球上的智慧生物认为宇宙的存在只有15亿年，也许另一个星球上的生物认为宇宙已有1500亿年了。因此，我们永远也不知道宇宙的年龄。今天，我们人类认为宇宙有150亿岁了（这个时间一直在修改当中），可是早在46亿年前，地球还没形成！那时，引力场和物质的运动速度都跟现在完全不一样，因此，我们现在没人能够理解当时的那种时间概念。所以，在大爆炸理论中，时间是整个理论的误点之一，因为它与自己的理论基础的不能融洽结合。每个星体由于其速度及引力场的不同，会导致时间的快慢程度不同。适合智慧生物的行星，其质量最大相差四个数量级（见《近代物理学》P536，王正行编著），就是按牛顿观，这样大的差异引起的重力加速度的差异大约不到22倍，其摆钟走时差别约4.5倍，原子钟由于振荡频率减小计时也变慢。同样材质制作的量尺，在大质量行星上因原子、分子的间隙减小会变得短些，就象人平卧时身长会比站立时长些一样。

在相对论体系中，存在着一些带有根本性的困惑。例如在弯曲时空中如何测量质量、能量、角动量和自旋等物理量？事实上，在广义相对论中，这些物理量的测量和定义依赖于狭义相对论，特别是依赖于狭义相对论闵氏空时中的平移。然而在广义相对论的局部闵氏空时中却并不存在这种平移。当然，如果引力效应很弱，局部实验室可以在一定的近似下忽略引力近似具有闵氏空时的平移。但是一个局部实验室与宇宙尺度的现象有关的实验和观测，比如观测星系红移、测试与微波背景辐射的作用，那么局部实验室得到的有关数据，就必然与狭义相对性原理冲突。狭义相对论的平移力不再严格成立。

2004年2月，美国和法国天文学家先后报告发现了距离地球最遥远的星系。美国天文学家宣布发现的那个星系距离地球130亿光年，大约形成于宇宙大爆炸后7.5亿年。法国发现的星系距离地球132亿光年大约形成于大爆炸后4.6亿年左右，是迄今发现的宇宙中形成时间最早的一个星系。Ａｂｅｌｌ1835星系群处在地球和该星系之间。当地球上的观测点与该星系和Ａｂｅｌｌ1835三者形成一条直线时，Ａｂｅｌｌ1835的质量将该星系的光线折射并放大到其本身亮度的25至100倍，天文学家才能看到这个星系。法国天文学家将该星系命名为Ａｂｅｌｌ1835ＩＲ1916。

类似的这种发现与相对论的光速是宇宙最高运动速度有所冲突。按照目前为大多数人所接受的宇宙大爆炸起源理论，我们目前所处的宇宙来源于大约140－150亿年前的一个“奇点”的爆炸。美国和法国科学家发现的星系距我们都在130亿光年之外，也就是说，这些星系在大爆炸约10－20亿年后就已经在现在的位置上了。迄今为止，科学家观察到的宇宙都是各向同性，没有任何迹象显示任何星系是位于宇宙的一侧边缘，因而在地球与Ａｂｅｌｌ1835ＩＲ1916星系相对的另一侧也应该有距离在130多亿光年甚至更远的星系。也就是说，在大爆炸发生后10－20亿年左右，宇宙中竟然产生了相距超过260亿光年的星系！

虽然Big Bang Cosmology宇宙模型可以解释众多的观测现象，却存在许多疑难，如视界疑难、准平坦性疑难、结构起源疑难、宇宙常数疑难等。因此人们在宇宙甚早期引入暴胀（inflation）阶段——宇宙以指数形式快速膨胀，暴胀模型可以解决上述一些疑难，但宇宙常数问题依然存在。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。但最近几年来，天文学家用各种观测方法和手段，例如超新星、宇宙微波背景和引力透镜等遥远天体的观测、宇宙物质密度的测量和真空能量密度的测量，获得了比较精确的数据表明宇宙学常数不仅存在，而且其能量密度与物质成分在同一量级，还稍大一点。宇宙学常数Λ导致的能量——动量张量的能量密度ρ_Λ=Λ/（8πG）和压强p_Λ=-ρ_Λ.由于压强与能量密度正好大小相同而符号相反，因此宇宙学常数在Einstein场方程中起一个“反引力”的效果。现在一般引进有效宇宙学常数Λ_eff=8πGρ_Λ+Λ₀, Λ₀是裸的宇宙学常数。根据大爆炸宇宙学说，星系、星系团等超大尺度结构应该是早期等离子体的不均匀性增长演化而成，而这种早期等离子体的不均匀性，应该在微波背景辐射的小角度（1″～1°）各向异性上有所反映，而宇宙整体的不均匀性应表现在微波背景大角度上的各向异性。多年来，不少观测宇宙学家和天文学家都在致力于探测这种各向异性，迄今为止，还没有得到所期望的结果。道尔哥夫和泽尔多维奇称这一尚未解决的问题为“现代宇宙学中的一朵乌云”。

2004年 1月5日，在美国天文学会的一次国际会议上，美国乔治亚州立大学的一个天文学家小组宣布首次捕获到从蚀星SS433发出的光线。观察到SS433天体所发光线既有红移又有蓝移。人们发现，同一类星体有不相同的红移谱线，这明显与速度红移理论相矛盾，因为同一个类星体不可能以几种不同速度远离我们而去。另外，有些类星体的红移量相当大，用哈勃红移理论解释，这些类星体应处在极遥远的地方，且有几乎趋近光速的退行速度。这说明星系红移是不能完全用多普勒效应来解释，必然还有另外因素影响波长的红移，但到目前为止，还没有人提出可令人信服的物理机制对星系红移现象作出圆满说明，星系红移现象已向整个物理学提出严峻的挑战。

根据宇宙学原理，在宇宙任何处观测，都应得到同样的远方星系的退行规律——宇宙在膨胀。地球是非常普通的一颗行星，它可能正好处在而且一直处在宇宙爆炸的中心吗？显然不会。那么，与地球反向运动的恒星相对于地球的速度较大，在地球上观测这些恒星的谱线红移会非常明显，与地球同向运动的恒星相对于地球的速度较小，在地球上观测这些恒星的谱线红移会很弱；也就是说， 在地球上观测宇宙中各恒星的谱线红移会有明显的方向性。然而事实并非如此，谱线红移没有方向性，在各个方向上都是等价的，它与恒星到地球的距离是成正比的。

相对性原理认为运动都是相对的，没有什么东西能够作为参考系来判断宇宙是处在什么状态之中，可是现代物理学从频率红移现象得出宇宙在膨胀，进一步发展为Big Bang Cosmology理论。如果宇宙本来就是无限的，则爆炸发生在空间的每一点。如果宇宙是有限的，则Big Bang Cosmology的宇宙范围比现在小得多。兰茨伯格提出，如果把宇宙的膨胀作为时间箭头，则宇宙的收缩就会使观察者有时间倒流的感觉，但如果宇宙、观察者本人和用来量度的尺都同时发生收缩，由于缺乏一个参照系，观察者就无法知道宇宙是否在收缩。美国物理研究所的唐·路博维希等科学家在新一期英国《自然》杂志上报告说，他们研究了距银河系中心仅32光年的射手座星云的光谱，结果发现氘的丰度比按照Big Bang Cosmology理论标准模型计算出的结果高出约10万倍。如果宇宙Big Bang Cosmology假说是正确的，那么宇宙中所有的星系必定在以某一个中心为起点向外膨胀，星系之间彼此互相分离。目前我们观测到近处的星系并没有相互分离的趋势，并且也没有证据表明近处的星系在以某一个中心为起点向外膨胀。倘若我们不是在宇宙的中心而是处于偏离宇宙中心的任一点处，因为在我们周围的星系都没有相互分离的趋势，也没有以某一个中心为起点向外膨胀，这样一来，倘若宇宙中任一点处的星系都没有相互分离的趋势，那么整个宇宙也不可能在膨胀，即宇宙Big Bang Cosmology假说是错误的。现代宇宙学认为，在宇观范围内，存在着“宇宙标准坐标系”，它是优越的空间坐标系，典型星系对于这个坐标系均匀和各向同性；可以测量地球相对这个坐标系的运动速度。1965年，美国彭齐斯和威尔逊发现了2.7K宇宙背景辐射。后来进一步的研究证实，背景辐射严格地各向同性的情况只存在于一个惯性系中，在相对于这个惯性系运动的任何其它惯性系中显示出辐射温度的方向变化。可以认为，宇宙背景辐射是宇宙标准坐标系的最好的物质体现。测量从各个方向到达地球的背景辐射温度的微小偏离(其最大值指向狮子座星方向)，得到地球穿过这个“宇宙背景”的绝对运动速度大约为400公里/秒。

大爆炸宇宙学的研究越来越追溯到更早期的宇宙。特别是80年代以来，根据大统一理论发展起来的暴涨宇宙学，开始研究宇宙年龄约为10－36秒或更早期的情况。当宇宙年龄小于10－36秒时，宇宙间不仅没有星球，没有化学元素，甚至连任何基本粒子也没有，有的只是时间、空间和物理的真空。继续追溯这种非常单纯、非常对称的状态，便会得出时空创生于无(当然也就是说宇宙创生于无)的结论。其实，空间和时间的非永恒性，在相对论和量子论中已有强烈的暗示。按照相对论，不同的运动观测者将测得不同的时间值。最有趣的例子就是双生子佯谬，它描述的是两个观察者开始在一起，最终又在一起，但由于中间的运动情况各不相同，则二者所测得的历时是不一样的。因此，原则上讲，要精确地测量时间，就必须精确地知道测量者的运动轨迹。然而，量子论中的测不准原理告诉我们，不可能精确地了解任何一个物体在时间中的运动轨迹，从而也就原则上否认了精确测定时间的可能性。这个精度的限制是lp～(hG/c3)1/2～10－33厘米，tp～(hG/c3)1/2～10－43秒，其中h是普朗克常数，G是万有引力常数，c是光速。lp和tp分别叫做普朗克长度和普朗克时间。它们的意义是：我们无法造出一种“尺”和“钟”，用来测定小于lp的长度和小于tp的时间。一个量在原则上不能测量，就不会有物理意义。这表明，在小于lp和tp的范围内，空间、时间概念就失效了。1983年以来，霍金就致力于发展一种宇宙的自足理论。1984年初，他和他的合作者得到了第一个完整的宇宙自足解。该理论的第一个要点是建立非时间的理论，这种新的“时”空，实际上是一种欧几里得空间，其中不再含有时间坐标。该理论的第二个要点是给出上述欧氏空间的创生幅度，即宇宙创生于无的幅度。霍金只就简单的情况作了计算，还不能看作是真实宇宙的解，而不过是玩具式的模型而已，但它无疑向人们提出了一个值得深思的问题：我们关于时空和宇宙的传统观念是否一贯正确?这当然是向现代物理学和哲学的挑战。

第一：Ia超新星的观测结果显示的是该星的光度距离和它红移值，虽说测量了这样的不少星系的距离和红移值，而且显得越远红移越大或速度越大，但测到的不是同一地点在不同时间的红移值，而是不同地点在不同时刻的红移值，所以得不出同一点的质元以前的远离速度小于以后的速度的结论，也就是说宇宙是否加速膨胀不能直接测量，它依赖宇宙摸型。

第二，尽管把测到的距离和红移值代入有宇宙常数的爱因斯坦方程后，拟合出的减速因子是正的，但含宇宙常数的爱氏方程并没用任何太阳系的检验，其本身是否正确就成问题，由它导出的减速因子更靠不住，因此说宇宙加速膨胀已成定论或已被验证是不妥的。

第三，把测量的距离和红移代入不带宇宙常数的爱氏方程拟合后发现宇宙密度为负的或为零，这显然是荒谬的，说明既便是得到太阳系内检验的方程尚存在有错误，得不到检验的方程更不能说正确。

参考文献：

【1】吴翔等.文明之源——物理学[M].上海:上海科学技术出版社,2001,222