纪念马克思诞辰200周年――论作之一

前沿科学要有先进哲学思想指导－拭目看“现代宇宙学的紊乱”

池顺良

序：

读者看到文章标题一定会问，一名从事形变观测的地球科学工作者，有什么资格对宇宙学说三道四？资格是：1978年，我曾发文论述“宇宙膨胀”必定是加速而非减速，演化曲线沿时间回溯可不与时间轴相交，不会得出宇宙从无限小奇点中产生。而当时宇宙学家们认为“宇宙膨胀”是减速的，沿时间回溯，演化曲线必定与时间轴相交于奇点。20年后观测到“宇宙膨胀”不是减速而是加速的。证明我当年在唯物辩证法指导下建立的宇宙模型具有某种科学预见性。（http://blog.sciencenet.cn/blog-51667-351380.html）

1.     前言

5月5日是马克思诞辰200周年。马克思主义是无产阶级的科学世界观和方法论，是关于自然、社会和思维发展普遍规律的学说。熟悉和运用马克思主义哲学对于探索自然奥秘的自然科学工作者同样十分重要。

“可是因为直到现在，学会用辩证法去思维的自然科学家，还是屈指可数，所以已得的科学成果和根深蒂固的形而上学的思维方法之间的矛盾，充分说明着现在统治于理论自然科学上的那种无限的紊乱，这种紊乱使教员和学生，著作者和读者，都同样陷于绝望的地步。”^[1]（恩格斯，吴黎平译，反杜林论，北京：人民出版社，1961，p.21.）

现代宇宙学就是“现在统治于理论自然科学上的那种无限紊乱”的理论。

这个宇宙模型存在宇宙从奇点中爆炸产生，初始时刻其能量密度无穷大。物理上无法接受奇点和无穷大，不少人对这一图景很难接受，甚至持强烈反对态度。

2004年34位知名科学家和工程师在英国《新科学家》杂志上联名批评“大爆炸宇宙学”。批评这个理论“越来越多地以一些假设，一些从未被实证观察的东西作为自己的论据：暴胀、暗物质和暗能量等就是其中最令人震惊的例子。……不断求助于新的假设来填补理论与实际之间鸿沟的做法，在物理学任何其他领域中都是不可能被接受的。……离开了暴胀之类的假设它就无法解释宇宙中相距遥远的各部分何以会有着相同的温度并发出同量的微波辐射。……而离开了暗能量，根据大爆炸理论计算出来的宇宙年龄就只有80亿年……该理论不断地在增补可调整的参数，就像托勒玫的地心说总是需要借助本轮和均轮来自圆其说一样”。公开信贴到网络上后，又得到400多位科学家的签名支持，表达了希望“宇宙学”能够修正和克服诸多缺憾的期望。

物理上无法接受奇点和无穷大，这个模型和理论一定在哪个环节，甚至在基本前提上出了纰漏。

2. 只以吸引为基础的物质理论是错误的、片面的、不充分的

从牛顿发现“万有引力”到爱氏提出 “时空引力”，在宇宙演化探索中，引力一直被当作主导力量。牛顿和爱氏理论都是单纯的引力理论。“但是，吸引和排斥像正和负一样是不可分离的，因此我们根据辩证法本身就可以预言说：真正的物质理论应当给予排斥和吸引同样重要的地位；只以吸引为基础的物质理论是错误的、片面的、不充分的。”（恩格斯，自然辩证法[M]，北京：人民出版社，1961，p203.） 

宇宙加速膨胀的发现，让只有引力而无“与之相当”斥力宇宙理论的片面性充分暴露出来。斥力来自何方？宇宙学家用“宇宙学常数”，这种没有物质载体的所谓“暗能量”来充当。

复旦大学理论物理教研室主任倪光炯教授是这样评价“暗能量”的：“理论上把这种加速膨胀归之于某种‘暗能量’的说法，我既不懂也不相信。后来知道实际上没有人懂。”

一个只有引力却没有斥力的宇宙理论，陷入困境之中也属必然。

3. 只有物质没有反物质不对称的宇宙同样是不全面的

在粒子物理中，正粒子与反粒子是完全对称的。然而，天文观测已确定，在我们周围10Mpc（Mpc百万秒差距）范围内没有反物质星系。“按粒子物理已经知道的相互作用，正反物质没有可能作大尺度的分离。基于这个道理，10Mpc范围内没有反物质星系，几乎等于肯定了全宇宙没有反物质星系。”（俞允强，热大爆炸宇宙学[M]，北京：北京大学出版社，2001，99～111，19～21.）（须重明、吴雪君，广义相对论与现代宇宙学[M]，南京：南京师范大学出版社，1999，529～534，547～562.）

既然正反粒子是完全对称的，为什么我们周围没有反物质构成的天体？

这是原初宇宙中重子比反重子多1亿分之几的结果？但这微小的差异是怎么产生的？理论家一直在努力寻找对称性可能遭到破坏的理论根据而无果。然而，正反重子湮灭转化成的辐射，之后仍要产生反重子。用原初宇宙中重子比反重子多亿分之几的假设并不能真正解决为什么没有反物质之谜。

4. 宇宙中反物质星系位置的线索

近年来Broadhurst等几个小组开展了对遥远星系的红移巡天。巡天通常选取若干方向上很小天区内（～1°×1°）的星系作为样本，而巡天都达到前所未有的深度。（邓祖淦、夏晓阳，星系形成和宇宙的大尺度结构－观测对现有理论提出严重挑战[J]，物理，21(1)：88～95.）（T.J.Broadhurst et al., The Large Scale Distribution of Galaxies at the Galactic Poles,Nature, 343 (1990), 726）

这些观测发现，星系表现出在空间上很强的成团性。星系密集的峰的存在规律性，或者说星系密集区间的距离是周期性的。观测的396个样本星系中任意一对星系与我们距离之差的分布，在128Mpc（约4.2亿光年）整数倍处呈现明显的峰。

这种星系红移分布的规则性是目前任何模型或理论无法解释的。加州大学伯克利分校的著名天体物理学家Davis说：“如果星系分布的确是周期性的，我们对早期宇宙的了解可以说比零还少。”

将每个星系密集区视为一个超星系团中心，星系密度从中心向外逐渐减小，在两个超星系团交界区星系密度达到最小；星系分布位置的周期性表明这些超星系团中心之间保持128Mpc倍数的间距。

设想这些超星系团有的是正物质集聚组成，有的由反物质集聚组成。设想正、反物质间“同性相吸异性相斥”的相互作用使它们之间保持一定间距，形成如晶体中正负离子那样相间分布。Broadhurst的观测结果以及现代宇宙学存在的“加速膨胀的斥力来自何处、宇宙整体上为何超视界均匀、反物质星系在何处”三大疑难有可能同时找到答案。

5.反氢原子引力实验及反物质探测在积极进行中

正反物质间究竟是吸引还是排斥，最终得由实验判定。

欧州核子中心反氢激光物理装置（ALPHA）项目的科学家们在对反氢原子的特性展开研究。他们正在建造一台ALPHA-g的新设备，利用它来观测冷反氢原子在地球重力场中运动受到的力是引力还是斥力，ALPHA-g预计将于2017年底之前建成，2018年投入使用，有望得到正反物质间吸引还是排斥的实验结果。

在这项实验中，若冷反氢原子在地球重力场中下落，表明“牛顿万有引力定律”和“爱氏时空引力理论”适用于同时含有大量正反物质的宇宙系统，所有物质之间均互相吸引，“万有引力定律”无须更名；上升，表明正反物质之间互相排斥，“万有引力定律”将被“同性相吸异性相斥”物质相互作用定律替代。此时，等效原理不再成立。如果在观测可及范围，发现反物质星系，对于正反星系共存的宇宙，“广义相对论”就不再适用。“现代宇宙学”绝大部分研究成果都是以“广义相对论”为基础。宇宙学研究将翻开新的一页。

从上世纪90年代开始，诺贝尔物理奖获得者丁肇中主持的阿尔发磁谱仪（AMS）项目，一直在寻找反物质。经过20多年探测，有900 亿个粒子飞进了AMS 探测器磁铁通道。这些粒子中是否有反氦之类的反物质？谨慎的丁肇中至今没有宣布实验探测结果。

ALPHA-g的实验和寻找反物质的结果有可能导致目前标准宇宙模型的基本观念发生重大变化。

6.结语

天文学是观测科学。宇宙学在一系列重大观测发现基础上不断修正发展：观测到“星系退行”，静态模型发展为膨胀模型；观测到膨胀并非减速而是出乎意料在加速，宇宙学家意识到只有引力的片面，必须引入斥力；“微波背景辐射”证实宇宙整体上超视界的均匀性和空间大尺度的平直性，宇宙学家用猜测性的暴涨理论解释超视界均匀性，却难以证实暴涨确实发生过。

遥远星系密度分布在128Mpc整数倍处呈现明显峰值的现象，目前任何模型或理论无法解释。此项观测结果对现有理论提出了严重挑战。关于星系的这种可能的周期分布国际上已有人开始从理论上提出模型来加以解释，如果这种周期性的确存在，目前标准宇宙学模型的基本观念必然会再次发生重大变化。

在前沿科学探索中，先进哲学思想的指导作用不应被忽视。但科学的进展仍依赖关键的实验、观测和理论总结的完成。

我们等待今年ALPHA-g和AMS项目的观测结果。

                                                  2018-05-06