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宇宙物理学在21世纪初的悖论

已有 3442 次阅读 2015-1-10 12:12 |个人分类:生活点滴|系统分类:科研笔记

 

      现代科学的一大特点是:基础科学理论的实验检验方法是应用学科的理论进展和观测验证。也就是说,对基础学科的实验检验是对应用了该基础理论的其它学科的科学性检验,是间接的,而不是直接的。

      而相对于应用了该基础理论的其它学科的科学性检验而言,其实验验证又依赖于对应用此学科理论而作出的再次级的理论的实践检验。一环套一环的,是一个逻辑性的“并”(乘法)推理过程。

      俄罗斯圣彼得堡大学的Yurij Baryshev的论文 Paradoxes of cosmological physicsin the beginning of the 21-st century (arXiv: 1501.01919) 展示了这样的一个特点。现摘译此类文主要论点如下。

        在宇宙物理学历史中,悖论是起了重要作用的。在现今宇宙学理论构架下,存在理论与实测、理论与理性的双重悖论。理性与理论的悖论主要是:宇宙学理论的Friedmann 方程与牛顿方程等价,不存在能量守恒局部系,大红移目标的退行速度异常。这是推动理论研究及实测的动力。

      1.理论现状:当前理论的基本假定是:在膨胀中的宇宙中,物质是均匀各向同性的(爱因斯坦宇宙学原理);以广义相对论为理论基础;我们的物理学可推广到整个膨胀中的宇宙;需要经由宇宙大爆炸来获得平坦性、各向同性、和形成各类星系的适当的初始条件。

      宇宙膨胀的理论基础是Robertson-Walker 的时空线元不变量形式。如果在此基础上引入均匀各向同性假设,就得到哈伯律。如果在Robertson-Walker 的时空线元不变量下求解广义相对论的引力场方程,就得到Friedmann引力方程,而其解就是宇宙膨胀的数学形式。

      现理论解释了很多的天体物理现象,例如:红移是宇宙膨胀的结果;宇宙辐射背景是宇宙膨胀中光子冷却的结果;星系结构,物质的化学成分,等等。理论还给出物质组成估算:70%为不可观测的暗能量物质,25%未知冷暗物质,5%常规物质。可见的宇宙星系少于0.5%

      2. 观测到的异常:但是,部分观测事实不支持现理论。这样的物质组成被批评为“荒唐”;观测到的宇宙常数与理论值差120个数量级;物质剖面密度实测值与理论值不符;在超大结构上的观测与理论不符。

      3. 理性上的悖论:原则上,如果引入时变的宇宙常数或是新的引力理论就不需要引入暗物质。当前理论的理性上的悖论是:广义相对论的引力场理论中没有重力场的能量-动量密度概念;宇宙膨胀将连续的产生真空,既违反能量守恒,也违反退行星系速度有限;引力红移不是多普勒效应,而是一个未经实验室测试的新物理学现象;理论哈伯常数是宇宙均匀性的结果,但在非常不均匀的结构内观测到它为常数。

      4. 结论:在宇宙学的历史中,悖论是起正面作用的。即便是对已知的现象也还是有多种解释,而每个解释都有不同的理论基础并能对关键的观测给出良好的解释。理论物理是不断发展的主观体,新的物理学可能会带来一系列新的在宇宙学中的应用。总而言之,无论是观测还是理论解释都有它们各自的局限性,因而,就算是现理论非常的令人信服,它也还是有其特有的局限性的。而要在各类可选的宇宙学方案中作出选择,安全的办法还是得借助于用关键性的观测来检验。

 




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