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徐政龙：宇宙诞生于大爆炸吗？

进入专题： 宇宙 大爆炸    ● 徐政龙   　　
　　大致说来宇宙大爆炸理论诞生于1930年代。大爆炸理论认为，宇宙诞生于大约137亿年前的一次大爆炸。大爆炸前，既没有空间，也没有时间，更没有物质和能量，没有时空即没有宇宙，就是一无所有。自从大爆炸后，时间和空间诞生了，物质和能量诞生了，宇宙就开始膨胀并冷却，产生了电子、质子、中子，然后组成原子、分子，形成恒星、星系、星系团、大星系团、超星系团，宇宙大尺度结构。经过了大约137亿年，宇宙演化成了今天这个样子。宇宙大爆炸理论是一个激动人心的理论，是20世纪科学发展的一个怪诞理论，理论十分精彩，吸引着无数科学家投身到这个理论中去研究，其中象爱因斯坦、勒梅特、伽莫夫、哈勃等等一大批物理学家、天文学家、天体物理学家，也不乏数学家、神学家、哲学家等等。现在，宇宙大爆炸理论已经形成了一个庞大的理论体系，涉及物理学、数学、哲学的各个学科分支，形成了现代宇宙学。由于体系的庞大和复杂，本文自然无法详述。由于本网站文章不能发表数学公式和图像，只能通过文字的定性描述。现只能谈谈宇宙大爆炸理论的几个理论依据和观察证据，作为一种哲学论辩。
　　
　　1.理论根据和观察证据
　　
　　1.1两个佯谬
　　
　　第一个佯谬是西里格（Seeliger）佯谬（1884年提出），内容是，如果宇宙是无限的，那么由于无限大宇宙会产生无限大宇宙引力，地球等天体就会被这个无限大宇宙引力所撕碎，实际上没有撕碎；或者说，如果宇宙无限大，那么，就存在无限大宇宙引力；或者说，在数学上，一方面导出泊松（Poisson）方程，一方面导出拉普拉斯（Laplace）方程，两者矛盾。
　　
　　第二个佯谬是奥尔伯斯（Olbers）佯谬（1826年提出），内容是，如果宇宙是无限大，那么，宇宙中恒星发出的光照到地球表面上，照度是无穷大，地球会被烤成灰烬，但实际上，夜空一片黑暗。
　　
　　两个佯谬证明了宇宙不可能无限大，只能是有限的，从而宇宙是不稳定的，要么收缩，要么膨胀。
　　
　　1.2.爱因斯坦宇宙学引力场方程
　　
　　1916年，爱因斯坦创立广义相对论。1917年在宇宙有限模型的基础上，建立了宇宙学引力场方程，并发表了第一个宇宙解，方程中有意加入一个不明真相的常数，后来称为宇宙学常数，用于使宇宙处于稳定的静止状态。1922年至1927年,弗瑞德曼（Friedmann）和勒梅特（Lemetre）分别发现了两个宇宙模型。模型指出，宇宙是不稳定的。伽莫夫（George Gamow）劝说爱因斯坦接受不稳定宇宙模型, 于是爱因斯坦向伽莫夫示意,引进宇宙学常数是他一生中最大的错误。1923年在给数学家威尔（Hermann Weyl）的信中写到：“如果没有准静态宇宙，那就除掉宇宙项！”然而，除掉宇宙项，宇宙就会加速收缩或减速膨胀，不符合爱因斯坦最初认为宇宙是稳恒静止的状态。于是，又把常数项加进去，使宇宙加速膨胀。
　　
　　爱因斯坦的宇宙学引力场方程，简称宇宙学方程，加上一个事实，作为建立方程的前提，这个前提叫宇宙学原理，即宇宙物质分布在宇观尺度内是均匀的和各向同性的，这样，就构成了宇宙大爆炸的理论基础。即宇宙大爆炸理论是受到当时最先进的理论——广义相对论支持的。
　　
　　1.3.哈勃红移
　　
　　1912年，美国天文学家斯利弗（Vesto Slipher）观察到了遥远的天体，发现了光谱红移，根据当时已经发现的多普勒现象，认为，红移是遥远天体远离观察者而去的结果。1925年，天文学家哈勃（Edwin Hubble）发现了河外星系，而且发现，这些河外星系的光谱都有明显的红移，这就证明，遥远星系都在远离地球而去，说明整个宇宙在膨胀。这下，伽莫夫用事实说服了爱因斯坦，使他接受宇宙膨胀的理论。
　　
　　哈勃还测量了星系远离速度和红移的数量关系，发现在现有的数据范围内，红移跟距离成正比。证明了星系越远，远离速度越大，得到了速度和距离成正比的哈勃定律，比例系数叫做哈勃常量。哈勃红移和哈勃定律被宇宙学家认为是宇宙大爆炸的观察证据。
　　
　　哈勃及其学生用当时的数据，测定了哈勃常数。并把哈勃常数的倒数当作宇宙年龄。发现，宇宙年龄比地球还小，闹出了不少笑话。宇宙大爆炸理论被当作笑料，被戏称为Big Bang。不过，许多人认为，哈勃测定的常数不够准确，后来的测量得到的数据越来越小，从而使得宇宙年龄不断延长，超过地球年龄、太阳年龄、星系年龄，星系团年龄，避免了年龄冲突。经过反复系统的测量，到目前为止，宇宙年龄被认为是137亿年左右。
　　
　　1.4.宇宙微波背景辐射和宇宙元素丰度
　　
　　1948年，伽莫夫和他的同事阿尔法（R.A.Alpher）以及赫尔曼（R.Herman）构想了一幅宇宙大爆炸时期的图景，认为宇宙经过大爆炸然后膨胀冷却，今天应该留下余晖，即应该存在一定的背景温度，大约是5K。这种构想和预言当然没有引起人们的重视。当时人们感兴趣的问题是宇宙演化到退偶阶段原子核如何合成元素的问题。
　　
　　1950年代，宇宙学的核合成转移到了恒星内部。1957年，著名的B2FH论文发表，这一理论完分地解释了恒星内部由氢核合成氦核并逐步合成更重元素的过程。B2FH理论的成功使人们忘记了伽莫夫等人关于辐射背景的预言，但是氦丰度又使人们想起了辐射背景。原来，按照B2FH理论计算出来的的宇宙中氦丰度只有3%~5%，而实际测量出来的结果却达到1/4之多，多余的氦丰度只有通过早期大爆炸之后的宇宙合成过程来实现。
　　
　　从1964年起，前苏联著名天体物理学家泽尔多维奇（Zel’dovich）以及皮勃斯（Peebles）、霍伊尔（Fred Hoyle?）、泰勒等人又对宇宙核合成进行了深入的计算，澄清了伽莫夫等人理论中的一些问题，认为可能存在着参与的宇宙背景辐射。
　　
　　美国贝尔实验室的两位工程师彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）正从事卫星微波通讯工作，为了降低天线收到的噪音，进行了一系列的测量。天线地面噪音为300K，当对准天空时其噪音水平应该达到0.3K，可以忽略不计。但是，当他们对准银河系测量时，却惊人地发现存在6.7K的剩余辐射，且与方向无关。经过一年的反复测量，扣除大气吸收以及天线自身的影响，他们确认，仍然存在着3.5K的来自宇宙所有方向的辐射。他们俩对此不理解。
　　
　　而普林斯顿大学的皮勃斯和迪克（Dick）正在寻找大爆炸的余晖，碰巧两位工程师找到了却不理解。于是彭齐亚斯和威尔逊于1965年在《天体物理杂志》上发表了一篇非常谨慎的短文“在4080MHz频率上对天线过热的一次测量”，获得了1978年度的诺贝尔物理学奖金。
　　
　　宇宙微波背景辐射和宇宙元素丰度被大爆炸理论家认为是大爆炸的铁证如山的证据，从此大爆炸理论这个玩笑变成了科学理论。以后，诸如超新星大爆炸中的红移也成为大爆炸理论的证据。再以后，宇宙学的观察数据都成了大爆炸宇宙学的证据。
　　
　　2.我的反对观点
　　
　　2.1两个佯谬不存在
　　
　　经过长期研究，查阅历史上的资料，本作者的亲自证明，首先发现，只要根据牛顿的万有引力定律和数学上的高斯公式，如果宇宙无限大，那么，宇宙中物质的万有引力正好平衡，或说相互抵消，即不存在宇宙万有引力，西里格（Seeliger）佯谬不存在。佯谬是历史上的一个低级的数学错误。反之，如果宇宙有限大，就会出现宇宙万有引力，这正好违反了“宇宙在宇观上是均匀各向同性”的宇宙学原理。因此，在牛顿力学范围内，只能证明宇宙是无限的，有限宇宙是不可能的。
　　
　　为解决奥尔伯斯（Olbers）佯谬，本作者首先解决了光子的宇宙学红移的原理，发现，光子在宇宙空间里传播时，其频率（或能量）作负指数规律衰减，类似于衰变规律，而不是奥尔伯斯（Olbers）等科学家所处时代所理解的光子频率永远不变。按光子频率的衰减率，对无限宇宙的恒星光能在地球上的照度求积分，获得一个有限值。奥尔伯斯（Olbers）佯谬产生于红移发现之前，不知道光子频率会衰减，从而得出了与事实不符合的计算结果。
　　
　　两个佯谬的消除，充分证明了宇宙可以是无限的，而且只能是无限的，不能是有限的。而无限宇宙不存在膨胀的可能性，从而宇宙不可能诞生于大爆炸。
　　
　　2.2.爱因斯坦宇宙学引力场方程不成立
　　
　　通过引进经典宇宙学引力场方程，跟爱因斯坦广义相对论宇宙学引力场方程进行一一比较，作者发现，爱因斯坦的广义相对论宇宙方程，不仅仅是要不要宇宙学常数项、常数取多大，常数的物理学意义是什么等问题，而是整个引力场方程是错误的。
　　
　　错误的来源在于，爱因斯坦也认为，Seeliger佯谬存在，即按照牛顿的万有引力，宇宙只能是有限的，不可能是无限的，于是，爱因斯坦把宇宙学方程建立在有限宇宙模型的基础上，结果闹得连自己也不明白，宇宙学常数究竟要还是不要。
　　
　　目前，宇宙学家普遍认为，宇宙学常数代表真空能，是宇宙的排斥力。只能是一种想象。
　　
　　爱因斯坦建立宇宙学方程后，由于广义相对论在数学上的高度复杂性，几十年来，物理学家和数学家一直没有看出爱因斯坦的错误。由于引进了宇宙尺度因子这个物理量，使有限宇宙的“宇宙中心、宇宙半径”、宇宙引力这些物理量得到高度掩盖、隐藏，从而竟然认为，只有宇宙有限，才符合宇宙学原理——而实际是相反，只有无限均匀宇宙，才符合宇宙学原理。
　　
　　2.3.哈勃红移成因秘密的解开
　　
　　哈勃红移被认为是宇宙大爆炸理论中最有力的事实证据，最初曾经用多普勒效应解释，在爱因斯坦建立广义相对论宇宙学方程后，发现尺度因子膨胀，从而解释为宇宙膨胀把光子波长拉长了。通过查阅最初哈勃观察的数据，了解到，光子的红移相对量跟光子通过的距离成正比。这就一下子暴露了哈勃表达式的错误——不够精确。按照哈勃的数据，并且假定，当时哈勃观察到的星系实际上是最接近银河系的几个星系，因而，哈勃的观察距离实际上是一个有限小量。通过公式推导得出，实际上，光子是按距离的负指数规律衰减，既找到了红移的精确数学公式，又找到了红移起源的本质。哈勃红移的负指数规律，正是解开上述奥尔伯斯佯谬的钥匙。
　　
　　原来，光子在传播的路途上，跟宇宙中稀薄的氢原子不断碰撞，每一次碰撞都损失极其微小的能量，而光子通过长途传播，能量损失的积累造成了明显的红移。
　　
　　历史上也有这种解释，认为这是康普顿效应、光子老化（也是康普顿效应）。但是，反对者反驳，如果光子红移是康普顿效应引起的，那么①根据康普顿效应，光子就不会直线传播；②宇宙中物质密度达不到要求。本作者研究得到，如果光子跟电子、质子等带单性电荷的粒子碰撞，光子的确不能直线传播。如果光子跟原子等内部存在两性电荷而外部却呈电中性的原子碰撞，光子恰恰是直线传播，而能量损失又完全遵守康普顿效应。
　　
　　于是，作者大胆宣布：哈勃红移是光子在传播途径上跟中性原子发生的康普顿效应引起的——暂定为“原子康普顿效应”。
　　
　　那么，当初，康普顿、吴有训等为何没有发现原子康普顿效应呢？原来，他们使用的光子频率太高，是X射线，其光子体积比原子体积小得多，能够穿入原子内部，但一旦碰上电子或原子核，穿不过电子和原子核，就是康普顿散射。如果光子频率降低，波长延长，使光子体积大于原子体积，那么，光子就穿不过原子，表现为原子康普顿效应。原子康普顿效应发生的条件大致是光子频率等于紫外光频率和低于紫外光频率。哈勃观察的光是可见光，现在，探测仪器在紫外光以下观察到了哈勃红移，但X光以上频率，观察不到哈勃红移，因为如果发生，光子就转弯了。
　　
　　用原子康普顿效应作解释，解开了哈勃常量，得到了精确表达式，非常符合实际，宇宙物质密度很低，但数值计算恰恰很符合。
　　
　　于是，哈勃红移作为宇宙膨胀的观察证据被彻底推翻。
　　
　　2.4.宇宙微波背景辐射起源的另类解释
　　
　　宇宙大爆炸理论的发展似乎总是左右逢源，两位电气工程师发现的宇宙微波背景辐射竟然正是大爆炸理论家正在寻找的证据。
　　
　　然而，本作者提出两个问题：
　　
　　①按大爆炸理论的观点，读者的书房也是大爆炸的产物，你不信？让我推论给你看。
　　
　　读者的书房是以前一次大爆炸产生的，大爆炸是高温高压的，然后不断冷却，到读者进驻的时候，只有大约几十摄氏度（室温）了。
　　
　　②宇宙中存在大量的恒星，它们不断发出大量的光能，到哪里去了？(点击此处阅读下一页)
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