现代宇宙学批判及多阶等级式宇宙模型

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现代宇宙学试图根据理论物理和天文观测来描述宇宙的整体演化。然而,理论物理总是有一定的时代性和一定的应用范围,天文观测也有一定的条件和误差,这就导致了现代宇宙学的许多困惑问题。

内容提要:现代宇宙学试图根据理论物理和天文观测来描述宇宙的整体演化。然而,理论物理总是有一定的时代性和一定的应用范围,天文观测也有一定的条件和误差,这就导致了现代宇宙学的许多困惑问题;在现代宇宙学中,引力场是一个可以支配整个宇宙运动的“宇宙场”,这值得商榷;哈勃定律认为宇宙学红移是光的多普勒效应,也有一定的片面性。基于物质的普遍团集现象和场作用的区间性,星系和星系团世界中的“质量缺失”现象,被认为存在着一个不同于引力场的新场,而不是存在暗物质,并提出了一个多层次的分层宇宙模型。

关键字:现代宇宙学,引力场,哈勃定律,多阶等级式宇宙模型

1、引言

人类一直沉迷于对宇宙的思考:宇宙是如何被创造出来的,它的结构是如何形成的,它是如何进化的。在古代,世界各地的各民族创造了许多关于世界诞生的神话故事。后来,各种宇宙模式逐渐形成,有地心论在古希腊的地心说;哥白尼的太阳中心论和牛顿的在万有引力控制下的无限宇宙。广义相对论诞生后,人们认为它可以用引力场方程来解决宇宙问题,先后提出了静态宇宙模型[1]、稳恒态宇宙模型[2][3]、大爆炸宇宙模型[4]等等。现在,包括暴胀在内的热大爆炸宇宙模型成为了当前的主流宇宙学,其他的基本已被否定。

现代宇宙学作为一门科学,要求不能凭想象,必须能在理论物理学的基础上给予科学的说明;必须尊重观测到的客观事实。热大爆炸理论是在广义相对论、量子场论等基础上发展起来的。它已有三大佐证:哈勃定律表明宇宙正在膨胀;微波背景辐射被看成是大爆炸的余辉;元素氢和氦丰度的理论推测与天文观测基本相符。
不过,现代宇宙学中,仍然存在着许多令人困惑的问题。例如,它的发展过程存在着用新的困难掩盖旧问题的现象;暗物质和暗能量是现代宇宙学的关键要素,但它们是什么,还是一无所知。因此,大爆炸宇宙学还远远不是一个成熟的理论。正如俞允强教授所说:“总体说来,宇宙学的发展还处于它的未成年期,尚不能回答的问题远比已有答案的问题多,已回答的问题中,答案的牢靠程度也各各不同,这才是今天宇宙学的真实面貌。”[5]它是否能够逐渐成熟和完善,或者是否存在需要另起炉灶的根本性缺陷?让我们进行一些分析和讨论。

2、现代宇宙学的困惑和根源

纵观热大爆炸宇宙学的发展过程,不难发现,其往往是以新的疑难来掩盖旧的疑难。

1922年,苏联数学家弗里德曼在解爱因斯坦引力场方程时发现:宇宙在大尺度上的物质分布和物理性质是随时间在变化的。不久,又发现了哈勃定律,于是二者结合,宇宙源自一次奇点的大爆炸理论就出台了。但以此来探讨初始宇宙,存在着四大疑难:一是奇点疑难,奇点是物质密度无限大,一切物理定律都无效的点,以它作为宇宙之源,不可思议。二是视界疑难,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。三是平直性疑难,这样的大爆炸难以形成我们看到的平直宇宙。四是磁单极疑难,宇宙大爆炸后,在不同视界的相交处将会产生磁单极,它们数量多,质量大,早就应该被发现了,但实际上却至今没有发现一个。

为了消除这些疑难,上世纪80 年代,出现了 “暴胀”理论,它的基本假设是: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。这样一来,除了奇点疑难,另外三个疑难就迎刃而解了: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,宇宙的曲率半径瞬间变大,所以,无论初始宇宙如何弯曲,暴胀后,它都将是平直的。但是,所谓的暴胀是个怎样的图景呢?那是仅持续了10的负33次方秒,而尺度却扩张了10的30次方倍。这样的描述连神话都构思不出来,可能吗?这是一个更无法解答的大疑难。另外,这样的暴胀速度将是光速的1030倍以上,这是在根本上与相对论过不去。有人说:宇宙的膨胀是时空的膨胀,这不同于物质的膨胀,因此可以超光速。这是个诡辩,真正的时空无所谓形状大小,能弯曲,能膨胀吗?暴胀理论预言密度参数为1,而重子物质的产生速度远远跟不上时空的暴胀速度,因此,重子物质的密度远小于1,于是,暗物质、暗能量被宇宙学捧为上宾。热大爆炸宇宙学宣称:宇宙中的95%以上的物质是人们还未认识到过的非重子物质。它们究竟是何物,至今一无所知,这又成了一个大疑难。
如果我们的宇宙是一个原始视界的暴胀结果,那么其他原始视界是否也会暴胀呢?这当然也有可能。于是,这样的宇宙论实际上降格成了局部宇宙论。而平行宇宙是否真的存在,这又成了一个天大的疑难!

以新的疑难来取代旧的疑难,只是一种权宜之计。连续出现这种局面的一个可能是:现代宇宙学一开始就存在问题,或者说,它的基础有问题。

现代宇宙学的理论基于二条基本假设,一是宇宙学原理;二是认为广义相对论是研究宇宙动力学的出发点。
关于宇宙学原理有人已证明宇宙是高度各向同性的[]。不过,各向同性只表明如图1所示的宇宙的纵向均匀。宇宙学原理还应该包括如图2所示的环向同性。

广义相对论是一种引力论,将它作为宇宙学的理论基础,就是认为引力场是一种能够支配整个宇宙物质运动的“宇宙场”。一般说来,任何物理学理论都会有一定的适用范围,广义相对论也不会例外。实际上,作为相互作用的力场有明显的区间作用性:在原子核内部,作为强相互作用的色场起着主要作用;在原子世界,电磁场占着主导地位;引力场的作用在微观世界是微不足道的,到了太阳系世界,它才成了支配天体运动的主宰。既然引力场不能在微观世界发挥明显的作用,怎能认为它能独霸宇宙呢?微观、宏观、宇观是人为规定的,设想在电子上有一种特殊的有智慧的生物,它们可以将原子世界称作“宏观”,而将我们的宏观当作是它们的“宇观”。如果我们的宇观场就是宏观中的引力场,那么,它们的“宏观场”(电场),也可等同于它们的“宇观场”(引力场),但这是不成立的。可见,引力场不会是宇宙场,而只是一种宏观场。它的作用范围也是有限的,在比宏观更大的宇观空间里,还会存在着不同于引力场的宇观场。这种说法有事实依据吗?有!在星系、星系团的宇观世界里,存在着“质量缺失”现象,它表示星系的可见物质的引力,只有该星系外围物质运动所需引力的十分之一左右。对此,现在的主流解释是存在着大量未知的“暗物质”,但经过了上天、入地的长期探索,至今一无所获。我们认为,“质量缺失”现象应该是存在着宇观场作用的表现,而不是存在着什么“暗物质”。引力相互作用在宇观世界仍然存在,但已失去了主导地位,正如引力相互作用存在于微观世界,但只能当配角一样。

关于宇宙学红移,大爆炸论把它视为光的多普勒效应,从而得出了宇宙在膨胀的结论。而且,把宇宙学红移视为光的多普勒效应也是存在暗能量的前提,因为人们是根据Ia型超新星的红移量来确定它们退行速度的。所以,如果否定了宇宙学红移是多普勒效应,那么,宇宙在膨胀和存在暗能量都不成立了。

如果宇宙学红移不是多普勒效应,它会是什么效应呢?不少学者认为是光子在超长距离传播过程中的能量耗散效应[2][3],这是有一定可能性的。比如,宇宙背景辐射可能与光有一定的作用,这种作用虽然非常微弱,但在光的宇观传播过程里会显示出来。另外,我们则提出:宇观场对光子有一定的作用,这是造成宇宙学红移的原因之一。

至于宇宙微波背景辐射,它的特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同。而黑体辐射是一种理想物体的热辐射,是一种热平衡状态的辐射,把它看成是宇宙大爆炸的产物,是很值得怀疑的。任何天体都在不停地辐射、反射、折射、吸收着电磁波。在太空中,这些电磁波经历了无限长时期的捣腾,形成了宇宙背景辐射是很自然的。它可看成是太空中的宏观的真空起伏,是以太海洋里“无风三尺浪”的表现,是太空的整体温度。它本来如此,以后也会如此。把它当作“大爆炸”的余尘,倒象是种神话。

现代宇宙学,建立在一个不可靠的理论基础之上;所谓的观察证据,有牵强附会之嫌。在我们看来,现在的理论物理学具有很大的局限性,远不足以描述整个宇宙。希望能在现有理论物理学的基础上给宇宙一个科学的说明是不切实际的。现在的天文观测、测量手段也有很大的局限性,容易引起错觉

宇宙是难以穷尽的,只能逐步进行大体上的描述。下面,我们提出一个“多阶等级式宇宙模型”

早在18 世纪,德国物理学家朗伯特( Jo hann Heinrich Lambert)就提出过天体逐级成团分布的思想。他把太阳系叫作第一级,第二级是比太阳系大得多的所谓星团,第三级是银河系。1908 年,瑞典天文学家沙利叶(Carl wilhelm Ludwig charlier)正式提出了等级式宇宙模型[4],他指出,这模型可以消除光度徉谬及引力徉谬;后又得到法国天文学家沃库勒(Gérard de Vaucouleurs)等的发展[5],说明用该模型可解释天体年龄,并得到至少到星系团级的明显成团性的证明。但因为等级式宇宙模型不能如大爆炸宇宙学那样“在现有理论物理学的基础上给宇宙一个科学的说明”而被打入了冷宫。其实,这样的描述是比较实在的,它显示了宇宙团集性的实物结构。我们进一步称实物的分割阶层为“一阶等级式宇宙模型”,其表现为:轻子夸克-原子核-原子-分子-物体-星球-太阳系-星团-银河系-星系团-超星系团。它应该还可以向大、小两个方面延伸。

一阶等级式宇宙模型的局限性是显而易见的:它没涉及物质之间的相互作用。人们早就认识到:物质的基本存在形式不止实物一种。一般认为,场是不同于实物的另一种物质基本存在形式,它能够在真空里传递相互作用。

真空不空,我们称物理真空为以太,建立了可压缩性以太论[1]。它认为,场只是一种物质的连续分布的形态,用数学上的梯度、散度、旋度等等来描述。有的场以实物为基础,比如水的密度场、大气压力场等等;有的场以真空态的以太为基础,比如引力场、电磁场等真空场。因此,场只是物质的某种分布形态,不同于实物的另一种物质基本存在形式是以太,不是场。是以太造就了真空力场。
上面已经指出,力场的作用范围都有着明显的区间性。如果宇宙是无限的,那么,我们认为:宇宙中存在着一系列区间场,它们分别在一定的空间尺度范围(某场区间)中占主导地位,而且场作用的区间性意味着存在不同的区间场以太。这就是说,以太不只一种,各区间场由各自的区间场以太所造就。

区间场以太观把各种区间场在物质性上平列起来了。但实际上,在我们的认识范围里,引力场有着特殊的地位。比如,作为引力荷的质量代表了实物量的多少;无论引起物体加速运动的是电力、磁力或其他什么力,在与加速物体相对静止的坐标系上,总是表现为存在着

引力场。这是怎么回事呢?情况是这样的:生活在地球上的古人,因为不了解其他星球的真面貌,于是,把地球看成是宇宙的主体,太阳、月亮、星星只是宇宙的装饰物;同样,由于人类生活在引力场区间中,还未意识到其他区间场的存在,无意中就把引力场以太当作了唯一的区间场以太了。将某一区间场以太当作是唯一的区间场以太的看法,本文称之为“某场以太性”。即人类现在所持的是引力场以太性的物质观,人们所能认识到的一切物质现象,都可看成是引力场以太的种种表现。色场、电场和本文所说的宇观场,它们都不是真正的区间场,而是引力场以太受相应的区间场的作用而表现出来的现象。
有一个问题曾使人疑惑:为什么在人类生活的宏观世界里,物质现象是那么的清晰、直观,而在微观世界和宇观世界中,情况却不是这样,那里存在着难以直观理解的二象性、不确定性原理、宇宙学红移、类星体等等奇特现象,难道这是大自然对人类的青睐?现在,对此有了答案:微观和宇观世界的特殊现象是由于人们用引力场以太性来描述相邻场区间中的物质现象的缘故,是区间场之间的相互作用造成的。显然,这种描述离开本场区间越远,物质被“扭曲”的程度就越厉害,最终必有一个极限。这从引力场以太性中的定量描述的实质来看也很显然:我们的认识都是引力场以太性的,这使引力场以太拥有特殊地位,在真空中,由引力场以太传播的光的波速被当作了极限速度,它是不变的,并以此为基础形成了引力场以太性的定量描述的时空观——相对论性时空观。我们用引力场以太性的眼光来观察“最小”的轻子及夸克等,就只能认为它们是“点”粒子了。如果能够用微观区间场以太性的“眼光”去观察,那些实物将不是点粒子,它们会有有内部结构,是可分的。因此,如果突破引力场区间性的局限,把所有场以太性中的“实物”串联起来,这种广义的实物系列将是无限的。

物理学家D.博姆,关于“显析序”和“隐缠序”的思想[6],在这里可以获得明确和拓展:在微观世界,我们熟悉的各种实物粒子和电磁场、色场等等构成了显析序;它们时时刻刻地受到微观区间场的作用,这种作用我们难以直接感知,它们作为隐缠序,以虚数波的形式对微观粒子进行导引,从而产生了二象性、量子性等微观世界的特性。同样,在宇观世界,作为显析序的天体,必定也会受到由宇观区间场所造成的隐缠序的作用。河外星系的普遍性红移,类星体现象等等就可看作是这方面的一些表现。
相对论性时空观是引力场以太性的定量描述的时空观。当人们用引力场以太性来描述微观世界时,由微观世界的隐缠序引起的特殊关系,要用量子力学来处理,量子力学与相对论相配合能够很好地描述微观的物质现象。同样,在宇观世界,宇观的隐缠序也会造成一些难以直观理解的定量关系。因此,本文认为:在引力场以太性中,正如要用量子力学来配合相对论对微观世界作定量描述一样,应该建立一种“宇观力学”的特殊体系,来定量地配合相对论去揭示宇观世界之谜。

现在,我们可以对有关的区间作如下命名:引力场区间为“宏观”,它包含实物系列中的分子-物体-星球-太阳系-星团;比宏观大,但能用引力场以太性加以描述的区间为“宇观”,它是已知的实物系列中的大于星团部分;小于宏观,但能用引力场以太性加以描述的区间为“微观”; 它是已知实物系列中的小于分子部分;大于宇观的叫“超宇观”,小于微观的叫“超微观”。超宇观和超微观是人类目前无法认识的。

示意图: 实物分割阶层与场以太区间阶层之间的关系示意图

事物的矛盾普遍性,也决定了物质存在形式的无限多样性。本文认为,不但实物、区间场以太的存在形式是无限的,物质的基本存在形式也是无限的。区间场以太是比实物高一阶的物质基本存在形式,在区间场以太之上,还会有更高一阶、高二阶等等的物质基本存在形式存在。这样的设想,使我们对整个宇宙的物质构架有了一个大概的轮廓:广义的实物是无限可分的;区间场以太把广义实物分割的无穷系列,划分成了具有区间场以太之间性质差异的一个个场区间;在这无限的场以太系列中,又可进一步划分成比区间场以太更高一阶的物质基本存在形式的物质阶层;如此等等。对于这样的宇宙物质构架,我们就称之为“无穷阶等级式宇宙模型”。
实际上,在局部的物质界里,也存在着“多阶等级式”现象。拿植物界来说,植物在长期的进化过程中,形成了成千上万个物种,在种之上可分成属;在属之又上可分为科;而在科之上还可以依次地分出目、纲、门等等,这些“种”、“属”、“科”、“目”、“纲”、“门”等等就代表了植物的一些基本特性。局部的物质界是有限的,宇宙是无限的,整个宇宙的物质构架应当是无限延伸的“多阶等级式”的。
现代宇宙学的理论基础和观察证据都有一定的不可靠性。这令人沮丧和难以接受,但并不奇怪,因为科学是无止境的。物理学理论都会有一定的适用范围,观察手段也都会有一定的局限性。宇宙,作为一切存在的总体,在时间、空间和物质的表现形式上都会具有无限性。我们只能逐步认识、不断逼近宇宙的真相,而不可能穷尽它。
以往的主流宇宙说,总是把某种物质形式放到宇宙的中心地位,从而都可归结为“中心宇宙说”:亚里士多德的宇宙观是地球中心说;哥白尼的宇宙观是太阳中心说;等级式宇宙学是实物中心说;牛顿和以广义相对论为基础的宇宙论是引力场中心说等等。它们都是十分片面的。每个局部的物质界都会生生不息地运动、演化,但包罗万象的宇宙不可能整体创生或毁灭。

参考文献
1、胡昌伟. 可压缩性以太论[J]. 现代物理, 2017, 7(4): 112-133. https://doi.org/10.12677/mp.2017.74013
2、T. Chang, D. G. Torr, A Tentative Explanation of Cosmological red Shift[J]. Paired and Interacting Galaxies, NASA, Conference Publication 1990, 3098: 491.
3、余本立,宇宙到底是有限的还是无限的?香港天马出版有限公司,2004.
4、C. V. L. Charlier, Ark. Mat. Astron. Fys., Vol. 4, p. 1,(1908).
5、G. de Vaucouleurs, The Case of a Hierarchical Cosmology, Science , 167 (3922), pp.1203-1213 (1970).
6、戴维. 玻姆,整体性与隐缠序,洪定国等译,上海科技教育出版社,P159-193。

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