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大爆炸理论的天文学困难

大爆炸之前是什么？大爆炸理论认为大爆炸之前没有时间，这样的问题不存在.有两种候选的统一理论：一是所谓“一切事物的理论”——超弦理论；另一是不大为人所知的“环量子论”，据此，大爆炸是大反弹.被称为“物理学诗人探险家”的惠勒（JohnA.Wheeler）博士则根据他对量子论和信息论的理解，提出了关于大爆炸的“观察者起源说”.——摘自奥弗比（DennisOverbye）的文章

过去多少年人们一直都在谈论宇宙膨胀的减速并引入宇宙学基本参量q0——减速参量——来描述这种减速（十年前的教科书和文献告诉我们，宇宙的膨胀是在不断减速的，具体如何减速，也就是q0到底是多少呢？“观测表明”，q0可能接近1/2！）.但1998年底以来的高红移超新星观测等结果使人们惊奇地发现，q₀居然为负值！即宇宙是在加速膨胀！同时不为零的宇宙学常数的引入改变了人们对宇宙的认识.发现宇宙加速膨胀的“超新星宇宙学项目”的首篇论文利用最先发现的7颗高红移，得出的结论可是爱因斯坦-deSitter宇宙耶！即q₀=1/2的减速膨胀的宇宙！Perlmutteretal.1995，ApJL，440，L41.这不禁让我想起了爱因斯坦的那句名言：“SubtleistheLord”，“上帝是微妙的，但并不是不怀好意的”.）又例如，1994－1995年引起天文界轰动的焦点——宇宙比古老恒星还年轻的“宇宙年龄佯谬”（有当时中央电视台新闻联播的报道为证），在现在看来，则迎刃而解.

大爆炸宇宙学的六大难题——

1．宇宙学原理问题

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，可为什么我们测量到的宇宙在大尺度下是如此均匀？天文学家猜测河外星系的分布有可能是均匀的，但目前没有令人信服的观测证据.天文观测表明，目前已发现上万个星系团，距离远达70亿光年.至少有85％的星系是各种星系群或星系团的成员.星系团形成更大的结构，称为超星系团.超星系团的存在表明宇宙内的星系分布是不均匀的.

2．宇宙学红移问题

哈勃定律中的速度—距离关系是建立在观测的红移—视星等关系及一些理论假设前提上的.哈勃参数最初被定为约500km/s/Mpc，现在公认的数值在50—75之间.这个事实就是其准确度很差的明显证据.关于河外星系退离的速度从来没有用其他方法直接测量过，所以星系光谱线红移的多普勒效应的解释依然是一种猜测.

3．大爆炸宇宙极早期的问题

大爆炸宇宙学认为，大约在150亿年以前的某一时刻，宇宙是个高密度的原始粒子.这个原始粒子的尺度比一个纳米还要小，可是它集中了可见宇宙的全部质量（上万亿个银河系的质量），而在原始粒子以外，则是一无所有的虚空.在大爆炸之前，既没有时间，也没有空间.这种简单的大爆炸模型，显然是远远偏离了人类有文明史以来的物理学和逻辑学的基本原理，包括物质和能量不能无中生有.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.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.

4.视界疑难

视界是因果联系的区域，由于受到有效传播时间的限制，在早期宇宙中，不同的视界之间不能以热信号或光信号等相互联络，因此，它无法说明目前宇宙的普遍性的因果联系.比如，在全天空，宇宙背景辐射的温度，直到10⁵分之一的程度都是均匀的，这是目前宇宙存在着普遍性因果联系的有力证据.

5.平直性疑难

宇宙的平直性与宇宙学密度相关，目前的宇宙学密度约为1，即我们的宇宙是平直的，这要求早期的宇宙学密度要更精确地等于1，因为，如果早期的宇宙学密度的值与1有些偏离，那么，这一偏离就将急剧增长，而破坏宇宙的平直性.但是，初始宇宙物质密度非常大，半径又相当小，按照广义相对论，其曲率应该很大，怎么会是平直的呢？

6.磁单极疑难

根据有关理论，宇宙大爆炸后，随着能量的逐步降低，会发生对称性的“自发破缺”，在不同视界的相交处将会产生磁单极.因为磁单极的质量很大，它的质量密度将是重子质量密度的10¹⁴倍.这是一个灾难性的预言，因为，既然磁单极这么多，它早就应该被发现了，但实际上却至今没有发现一个！

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！

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.

虽然BigBangCosmology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，因此宇宙学常数在爱因斯坦场方程中起一个“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.”^【1】

在深入研究宇宙的起源之后，对于眼前的世界，诺贝尔奖金得主温伯格这样写道："很难理解这只不过是一个充满敌意的宇宙中的一小部分，更无法想象到现在的宇宙是从一个难以言传的陌生的早期状态演化而来，而又面临着无限冰冷的，或是炽热难耐的末日.宇宙越可理解，也就越索然无味."

参考文献

【1】全志钢，大爆炸或许从未发生过.新发现，2006年6月，P40.