摘要

根据质能场交换论，结合一些重要的天文现象，本文对宇宙的起源提出一个新的观点，认为宇宙起始于一个物质质量为零、时间节律停止、空间上漫无边界的能量存在体。通过对早期宇宙空间结构变化的分析，阐述了产生宇宙学红移的原因，指出类星体光谱红移并不是天体退行的结果，而是一种空间变换效应，从而否定了空间膨胀的观点及大爆炸宇宙演化学说。按照宇宙中物质的生成规律，及时空效应与质量效应的关系，推导出了可用于测量的宇宙年龄公式。

关键词：宇宙的起源 类星体红移 宇宙的年龄

二十世纪天文观测所取得的成就，为现代天文学理论的发展奠定了基础；同时，物理学前沿理论的研究成果，为人类探索和认识宇宙提供了一个理性的思维模式。我们知道，现代宇宙学的理论框架是爱因斯坦的广义相对论；然而，不可否认的是，相对论并没有从本质上揭示物质与时空的联系。因此，它不可避免地会给现代宇宙学带来某种缺陷，这也是大爆炸宇宙演化学说面临许多疑难问题的根源。

质能场交换论则是在解决了相对论的不自恰性后，进一步完善和发展了时空变换理论。在质能场交换论中，以物质系统代替了相对论中只用于观察的参考系，以物质系统质能场的运动和交换代替了相对论中传播信息的光讯号，从而揭示了时间、空间和物质质量的本质，及其它们之间的内在联系。特别是确定了质量变换与空间长度变换在量值上成反比关系，这一点对研究宇宙早期的时空演变和类星体的红移具有重要意义。

在宇宙这个大系统中，质能场交换论重新确立了时空质关系，构造了一个新的宇宙演化模型，这就是新时空宇宙演化模型。

新时空宇宙演化模型以质能场交换论为基础，它认为：宇宙起始于一个中微子、光子等能量粒子充斥、奔驰、辐射均匀的时空点，它负载着宇宙中所有的能量。由于尚无物质（包括质子、中子、电子等基本粒子）形成，不存在任何形式的质能场交换，所以此刻的宇宙原点——时间为零，空间单位几何长度为无限长。换句话说，宇宙的起始点是一个没有物质（质量）、没有时间、漫无边界的能量存在体。

能量粒子相互作用而聚合，于是产生了宇宙中最初始的物质——基本粒子：质子、中子、电子、介子等。这些基本粒子在形成之初也呈弥散状态，均匀地分布在宇宙的各个角落。今天，在地球上所观测到的具有较高能量的初级宇宙射线，就是在这一时期形成的。

随着基本粒子的不断产生，宇宙中的原始能量逐渐按质能转换规律E=mc2，以物质质量形式储存起来。即宇宙初期进行的是能量向物质的转化，动态的能量逐渐被凝聚在相对静态的物质之中。

基本粒子形成以后，在库仑场和质量场的作用下，进一步合成了原子。这是宇宙中产生的次级原始物质，主要以氢为主，之后又由氢核合成氦核。这些次级原始物质形成之初，也和基本粒子一样，均匀地分布在整个宇宙之中，其密度极低。

随着宇宙中物质的不断产生，物质间的质能场交换在宏观上表现为万有引力作用效应，次级原始物质聚积成团，形成了原始的气态云。气态云进一步聚集、收缩、分裂变成无数碎块。这些碎块状气态云就是星系的胚胎，宇宙由此进入星系演化阶段。

从基本粒子的形成到星系的演化阶段，宇宙的时空结构发生了巨大的变化。宇宙，这一自然界中最大的物质系统，自从物质从零开始产生，时间就缓缓地启动了它的脉搏，宇宙空间也开始了收缩，提供给我们一个可观测的宇宙。我们把这一时期称为宇宙演化的第一阶段，对于今天的观察者来说，最早的可观测的星系雏形就是类星体。

新时空宇宙演化模型与大爆炸宇宙模型的不同之处在于：

物质方面，新时空宇宙演化模型认为，宇宙起始于一能量体，初始物质质量为零。而大爆炸宇宙演化模型则认为，宇宙起始于一个极端高温、高密度的“原始火球”，其中的物质以基本粒子形态存在，只是在发生大爆炸以后，宇宙演化才进入辐射阶段。比较而言，新时空宇宙演化模型不存在“奇点”困难，但这一模型需要粒子物理学的支持。目前，我们已经知道正负电子在湮灭过程中生成光子，粒子在碰撞实验中产生中微子。在新时空宇宙模型中，需要对中微子、光子等能量粒子如何生成质子、电子等基本粒子这一逆向过程给予论证。

时间方面，新时空宇宙模型中的时间节律，是随着物质的产生缓慢启动的，在宇宙原点处时间节律为零。而在暴胀宇宙模型中，宇宙初期的时间节律是极其快节奏的，在普郎克时间10^-43秒引力发生分离，在10^-35秒强力发生分离……，在大爆炸之后10^-4秒，宇宙进入轻子时代，当宇宙年龄为10秒时，宇宙进入辐射阶段。由此可见，两种宇宙模型在阐述宇宙初期的时间性质方面，正好处在两种极端。

空间方面，新时空宇宙模型认为，在宇宙的原点物质产生之前，空间单位几何长度为无限长，这是一种无限大的虚无空间的概念。随着物质的产生，可度量的空间在物质场中形成，宇宙发生了收缩，于是实现了虚无空间向真实空间的转化。宇宙中的原始能量存在于虚无空间之中，呈均匀分布状态；随着能量向物质的转化，虚无空间也同步过渡到了真实空间状态。而大爆炸宇宙模型则认为，宇宙起始于一个大火球，按照暴胀宇宙模型的说法，在10^-34—10^-32秒，视界距离只有10^-24厘米。可见，在两种宇宙模型中，原始状态的宇宙存在规模和变化趋势是不同的。在新时空宇宙模型中，原始状态的宇宙空间无限舒张，是一个无限大的宇宙，呈收缩趋势,不存在“视界”和“平坦性”疑难；而在大爆炸宇宙模型中，原始状态的宇宙，只是一个点，是一个无限小的宇宙，呈膨胀趋势。

宇宙进入星系演化阶段，原始气态云在万有引力的作用下聚集、收缩、分裂，形成无数碎块，这些碎块状气态云就是星系的胚胎，我们称它为原始星云。当原始星云核心的质量与半径之比临界极限常数f₀（f₀= c²/2G= 6.7466χ1026千克•米^-1）时，其内部就会发生极限效应而爆炸，释放出大量的能量，原始星云由此而发光，这就是我们现在所看到的类星体。

我们把从类星体发光，到太阳系的诞生，这一期间称为宇宙的第二演化阶段。在这一阶段初期，宇宙中还存在有大量的原始能量，它们仍然在进行着质能转化，基本粒子仍源源不断地从真空中产生出来，只是粒子的生成速率较第一阶段小了许多。这些基本粒子合成的原子，形成了新的气态云。宇宙演化第二阶段的最显著特征是，宇宙中的物质由弥漫分布状态，逐渐演化成了现在的大尺度宇宙结构。

物质系统质量的增大必然导致时空结构发生变化，表现在空间方面，就是空间单位几何长度将随着物质的增多而收缩。

然而，宇宙形成至今，由于空间的广延性，光传播速度的有限性，若在现实宇宙的时空点上看类星体发出的光，其波长所对应的正是宇宙早期时空结构的长度单位；因此，类星体距离越远，即它所处的时空点越接近于宇宙的原点，类星体发出光的波长就会越长。换句话说，我们在已经发生了空间收缩的现实宇宙中，去观测宇宙早期类星体发出的光，这种光的波长必然要相对发生延长。这种空间效应，就是现代天文观测中所发现的类星体红移现象。在大爆炸宇宙学说中，这一现象被解释为天体退行的多普勒效应，并被作为宇宙膨胀的主要证据之一，其实这种宇宙学红移反映的是宇宙早期的一种时空结构特征。

接下来，让我们探讨宇宙初期的质能转化规律：

设在初始时刻（ T = 0 ）宇宙中的总能量为E₀，经过时间△T以后，有能量△E=E₀- E’转化为物质，m =△E/c²；其中E’为宇宙尚未转化为物质的原始能量。时间△T越长，△E值就越大，△E随时间T的变化曲线如图【1】所示：

由图【1】所示，当T > 0时，宇宙中的原始能量开始向物质质量转化，我们可以把这种质能转化视为原子核放射性衰变的逆过程，物质的生成遵循半衰期规律。取宇宙总能量一半（1/2 E₀）转化为物质质量所需用的时间设定为T₀，那么，根据半衰期规律，在经历第二个T₀时间时，剩余的1/2 E₀原始能量就只能有1/2 × 1/2 E₀=1/4 E₀转化为物质；在经历第三个T₀时间时，剩余的原始能量就只能有1/2 × 1/2 × 1/2 E₀=1/8 E₀转化为物质，之后，以此类推。可见，宇宙中物质的形成函数是一条降幂曲线。

一般地说，经过nT₀时间后，能量向物质的转化率为宇宙初始时刻转化率的（1/2）ⁿ倍，物质的生成可用公式表示如下：

E’=（1/2）ⁿ E₀；（ n = T/T₀ ，T为宇宙的年龄值）；（1）

△E = m c² = E₀- E’=[1-（1/2）ⁿ ]E₀； （2）

公式（2）就是宇宙质能转换的数学表达式，这一公式告诉我们，宇宙中的物质总量决定于宇宙的年龄值。

特别须要指出的是公式（1），E’代表宇宙中尚未转化为物质的原始能量，由于n = T/T₀，T为宇宙的年龄，是一个有限值，所以E’≠ 0。就是说，宇宙中至今还存在着尚未转化为物质的原始能量，它就是天文学家们观测到的2.73K微波背景辐射。宇宙的微波背景辐射是宇宙早期辐射能的残留遗迹，是尚未转化为物质的宇宙原始能量，可称其为宇宙原始时期遗留下来的化石，它具备着宇宙原始能的辐射特征，因而它在宇宙中必然是极其均匀的。

下面就让我们利用宇宙的时空结构变换与类星体光谱频移关系，对宇宙的年龄值进行近似地测算。

图示【2】 ，OP曲线是宇宙中物质形成的函数曲线，P₂点所对应的时间值T₂是地球上现代的时间值，即T₂代表宇宙的年龄。取直线OP近似地代替OP曲线，P₁是直线OP上的一点，P₁所对应的时间值T₁是类星体所在时空点上的宇宙年龄值。地球与类星体间的距离L以光年为单位，则 L= T₂ - T₁ 。

设类星体在P₁点发出的光波长为λ₁，那么，经过L年（距离值）后，这一光波将被P2点地球人所观测到。由于经过L年，宇宙中的物质不断增加，其质量由m₁增大到m₂，空间发生了收缩效应，所以类星体发出光的波长也由λ₁变为λ₂ 。根据质能场交换论的时空效应，质量增大、空间收缩，质量与波长成反比关系：

m₁/m₂ =λ₂/λ₁，

由图示【2】 m₁/m₂ = T₁/T₂，

所以 T₁/T₂=λ₂/λ₁

得图示【3】 ： T₁= OP₁ = X T₂ = OP₂ = L+X

所以 X / L+X =λ₂/λ₁

根据红移公式：Z =（λ₁-λ₂）/λ₂

得宇宙年龄值为： T₂= L•（Z+1/Z） （3）

根据现有的天文观测资料，把类星体的红移值代入公式（3）进行计算，可得宇宙的年龄值近似地在160 — 170亿年之间。如果把宇宙物质形成函数的曲线因素考虑进去，OP直线上的P1点在内侧偏离OP曲线，应对宇宙的年龄加上正的修正值。若把这一修正值估计在10—20亿年，那么，宇宙的实际年龄值就应该在180亿年左右。

在大爆炸宇宙学说中，把类星体的红移视为天体退行时产生的多普勒效应，于是一些天文学家想通过哈勃定律测算出宇宙的年龄。若把红移值换算成所谓的退行速度，那么，由公式（3）推导出的哈勃常数则为：

H₀= c/L•（c+v）

宇宙的年龄值： T = L•（1+v/c）

显然，所谓的天体退行速度并不与距离成正比，哈勃定律是不成立的，这也是哈勃常数及宇宙年龄一直难以确定的根本原因。

宇宙中总的能量是有限的，因而宇宙中由能量转化而来的物质也是有限的；在物质质能场范围内，空间的几何量度 — 宇宙的大小，也是有限的。如果要问宇宙形成至今时空性质发生了怎样的变化？那么可以肯定地说，宇宙在时间节律上加快了，而在空间尺度上则发生了收缩。在物质形成之前，宇宙的时间为零，这就是宇宙的起点。

参考文献：
    [ 1 ] 史蒂芬••霍金（英） 时间简史，湖南科学技术出版社，1999年12月，第44—58页，第109—130页。