12局爆宇宙学及其实验证据

12、局爆宇宙学及其实验证据（1）局爆宇宙学的主要观点一些理论物理学家把宇宙起源和量子理论中真空的量子起伏联系起来。为了调和量子理论和宇宙大爆炸理论中的宇宙起源问题，1980年代初，出现了“暴胀”理论，它的基本假设是：最初的宇宙开始于一个直径只有10-35米的小起点，在大统一对称破缺时期，宇宙经历了一次难以想象的剧烈膨胀，它使一个视界的体积就暴胀成了我们所能探测到的整个宇宙。因为我们的宇宙是由一个视界暴胀起来的，视界疑难自然不再存在；磁单极子也成了个别现象，至今没有发现就不足为奇；在暴胀中，宇宙的曲率半径增加了大约为1043的因子，所以，无论初始宇宙如何弯曲，暴胀后，它都将是平直的。局爆宇宙学认为宇宙是无限的，在时间和空间上没有起点。宇宙中每一个局部的空间区域每时每刻都在运动和变化。宇宙中每一个恒星和星系都有从生长到死亡的演化过程，它们是整个宇宙演化的组成部分。（2）局爆宇宙学的观察证据1．宇宙学红移的非多普勒效应解释：局爆宇宙学认为星系之间的宇宙空间不是一无所有的虚空。如果远方河外星系发出的光子与物理真空（或者与暗物质）有一种超微弱的相互作用并损失能量，那么宇宙学红移也是可以得到解释的。我们在电磁波方程中引入一项阻尼项，这样在方程的解中，会有一项电磁波频率减少项的出现，从而推导出了哈勃定律。2．轻物质丰度：天文学家通过对河外星系的观测，发现物质主要成分是氢原子和氦原子，氢原子大约占75％，氦原子占25％。局爆宇宙学借鉴大爆炸宇宙学的模型，认为在宇宙的局部性爆炸时，也有极高温度和极高物质密度的过程，也有个核合成时期，同样可以解释轻原子的物质丰度。3．局爆宇宙学认为，3K微波辐射是宇宙中的局部性爆炸的产物。与大爆炸宇宙学不同，局爆宇宙学认为3K微波背景辐射不是由宇宙一次性大爆炸遗留下的产物，而是宇宙各地的局部性随机爆炸遗留下的产物。近年来发现的3K微波背景辐射中大约万分之一的起伏，正是宇宙中的局部性爆炸的证明。4．伽玛射线爆以及超新星爆发伽玛射线爆(γ爆)是一种短暂的高能爆发现象，平均每天会观察到1-2次的爆发，爆发持续的时间约在0.01秒至1000秒之间。关于γ爆的起源目前正在研究之中。一种模型认为，当两个巨型致密天体（例如中子星和黑洞）发生碰撞时，会导致伽玛射线爆的发生。它既是致密天体的死亡，也促进了新恒星的形成。美国加利福尼亚大学研究人员利用新方法观测到一次距今110亿年的超新星爆发。这是迄今发现的年代最久远的超新星爆发事件。局爆宇宙学认为，伽玛射线爆以及超新星爆发是宇宙中的局部性爆炸的直接观察证据。用局爆宇宙学说明宇宙中星体从生长到死亡的演化过程，比假设中的宇宙大爆炸学说要现实得多，也合理得多。5．大爆炸初期的宇宙模型大爆炸宇宙学的研究越来越追溯到更早期的宇宙,特别是20世纪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。1980年到1981年，美国科学家艾伦·格斯等人把基本粒子统一理论已解决的“真空相变，”现象应用于宇宙．他们解释说，在刚刚诞生的宇宙中，发生了使宇宙性质完全改变的“相变”。相变前的旧宇宙比新生宇宙具有更大的真空能，这种真空能转变为排斥力，使空间急骤膨胀。宇宙是从没有时间、空间、物质和能量的“虚无”状态，通过量子力学所说的“隧道效应”产生的。爱因斯坦的“宇宙”常数项迄今仍是个迷;量子宇宙学的发展，有些问题仍待解决。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，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tMmmirG222＝）－（引惯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。