大爆炸理论中的问题

天文科普
20年10月8日
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我是好人

大爆炸理论中的问题
虽然大爆炸理论关于宇宙起源和演化的“剧情说明书”受到了广泛的欢迎，但它仍处于困境中，有成批的观察结果它都不能恰当地解释。这不仅包括思辨问题，如大爆炸之前是什么？当大爆炸过程结束之后将会怎样？而且还包括许多技术上的不解之谜，如它不能解释“丢失的质量”，也不能解释背景辐射的结构以及恒星和星系进化的方式为什么从地球上看在各个方向上本质上都相同这一问题。
星系和恒星的年龄，宇宙本身的年龄也是一个谜。人们发现，在空间的有些星系太大太深，不可能作为大爆炸后的结果而产生。用四束高度聚焦的“光锥线”所做的探索显示，在超过 32．6 亿光年的距离之外存在非常巨大的银河结构，并在大约 5 亿光年的间隔上具有一系列特征，每一种特征都类似于其邻近的结构，叫做“长城”，它在天空穿越超过 5 亿光年。这些巨大的结构意味着宇宙的年龄远远大于大爆炸能够允许的年龄——按有些天文物理学家的估计，超过 630 亿年。宇宙中某些星系怎么会比宇宙本身的年龄还大呢？这真令人烦恼。
宇宙中的所有结构都是在大爆炸的不稳定性中诞生的，这现在仍是一种推测。基本的问题并不是爆炸不稳定是否是在“剧情说明书”声称的时候发生的，而是发生的这种不稳定是否是第一次和仅有的一次。毕竟，大爆炸也可能是以前一系列不太包罗万象的“爆炸”后的一次。
大爆炸理论的“剧情说明书”的拥护者们声称，他们并不特别被这些问题所困扰。他们指出，其中许多问题对他们的模型并无多大危害。例如，是什么引发大爆炸的？在前一个宇宙中究竟是膨胀时代还是一种不稳定？关于宇宙的年龄和它的未来过程问题（再崩坍，无限膨胀，或在剃刀边的平衡）是不确定参数，这些不确定参数宇宙学家必须要弄清楚。但他们指出，大爆炸理论的“剧情说明书”无论如何提供了一组有意义的解释和成功的预见，这些实际上超出了它的缺陷。有些宇宙学家走得更远，他们断言，没有任何一个已知的宇宙学能像“剧情说明书”那样给出对观察的整个范围和实验证据如此好的解释。
然而，现在对大爆炸宇宙学也有了有意义的替代，而且它们最近已经显著地成熟起来。对“剧情说明书”的由来已久的替代是稳态模型，直到 1965 年人们都在广泛地讨论它，只是在 1965 年后大爆炸宇宙学才掩盖了它。在它的最初的陈述中，稳态模型坚持了爱因斯坦理论的基本哲学，但它通过说明物质是连续产生的因而代替了通过膨胀而失去的东西来处理其不稳定性。这样，宇宙的平均密度就保持为常数。
物质不断产生的概念要追溯到 J· 金斯爵士的观点，1929 年他写道，星云的中心具有“奇点”的性质，在奇点上物质从某种其他的、完全外在的领域倒进我们的宇宙，所以它们看上去就像一个不断创造物质的点。H·C·亚普和 F·霍伊尔爵士把这一观点改进成了现代稳态模型形式，代替了物质完全从外在领域不断倒进我们的宇宙的观点。
按照准稳态宇宙学（QSSC）目前的（1993 年及其之后）解释，霍伊尔和他的同事们证明，物质创生产生在强引力场的爆炸中，引力场与前存在物质的致密聚合体相联系，例如在星系核中。根据 QSSC，宇宙普遍膨胀的根本原因是周期为 400 亿年的叠置振动，物质创生正是按照这些时间间隔集中起来的。当宇宙的尺度达到振动的最小值时物质创生也准时到达这一时期，从而完成一个周期。最近爆发的一次主要物质创生的起始时间大约在 140 亿年前，与“剧情说明书”的估计一致。
与其他理论相同，QSSC 构成了一个多周期宇宙学。宇宙经历定时的创造周期，因此从现周期产生的物质就和前一次周期剩下的物质共存，在现今的 140 亿岁的宇宙中的星系就和以前周期创生的那些星系共存。某个星系是否是“我们的” （即我们这一周期的）可以由红移参量值来决定：那些由前一周期留下的星系相互之间的退行速度比我们这一周期中形成的星系快，也有更高的红移参数。
另一个多周期宇宙学是比利时的诺贝尔奖金获得者，热力学家 I· 普里高津和他的同事提出的。与霍伊尔宇宙学的观点类似，他们认为大尺度的时空几何学产生了一个负能量的蓄水池，引力物质以此来汲取正能量。在多周期宇宙学中引力扮演着一个重要的角色，它不仅把星系聚合到一起，而且还是物质合成的基础。
普里高津和他的同事们提出的“自洽的非爆炸宇宙学”描画了一个物质创生的永久工厂。产生出的粒子的数量越大，产生的负能量就越多。^①量子真空在存在引力相互作用时是不稳定的，因此物质和真空就形成了一个自创生的反馈环。激发物质的临界不稳定性会促使真空过渡到膨胀模型，而这一模型又促使开始另一物质合成时代。这样，可观察到的宇宙就不是从不可检验的前存在真空中创生出来的，它是在已经存在的宇宙中作为一个新周期而诞生的。