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宇宙学批判与质疑:由宇宙学四大疑难探寻更完善的宇宙学理论和模型
科学的发展是一个不断发生错误、纠错之后又发展的过程。
“无论是宇宙学家还是粒子物理学家都从未认为目前的宇宙学模型是完美无缺的。例如,无论是热大爆炸学说还是暴涨学说,都不可避免的存在一个假设就是我们的宇宙来自于一个时空的奇点,而这一奇点的物理性质到底如何,是否存在正确的数学描述,这些都是尚未得知的物理难题。因此,对宇宙学的研究还远远没有到宣称收获的时候,恰恰相反,这应该还只是一个更为成功理论的初章”。([6]蔡一夫、朴云松、张新民,现代宇宙学简史,现代物理知识,2015,27(5):26-30.)
蔡、朴、张三位教授的这段文字指出,爆炸和暴涨说的根子来自宇宙演化曲线回溯与时间轴交于奇点。原因可能在于“目前的宇宙学模型并非完美无缺”。
宇宙学理论和模型的缺陷,导致宇宙学中存在“膨胀加速,斥力来自何方?”、“反物质在哪里?”、“用暴涨解释超视界均匀性,用什么证实暴涨确实发生过?”等,“更深邃的未决疑难”。([7]俞允强,宇宙学这80年,物理,2009,38(8):531-535)
上述这些未决疑难,表明“现代宇宙学”理论和模型存在基本性质的缺陷,导致出现诸多难以摆脱的矛盾和疑难。
第一个疑难是“年龄矛盾”。
实质是一个单纯由引力控制的物质系统的演化,避免不了出现“宇宙来自于一个时空奇点”的悖论。宇宙有有限年龄只是随悖论陷入的窘境。
第二个疑难是“反物质在哪里?”
粒子物理学中,正反粒子是对称的。对称性要求宇宙中的正反物质数量相同。“由光学观测正、反物质天体是看不出差别的…能让我们判断是否有反物质天体的重要根据是正反粒子相碰湮没释放出特征性的伽码射线…这种观测已从太阳系、银河系延伸到本星系群之外。天文学家已肯定,在我们周围10Mpc范围内没有反物质星系…在理论家看来,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。如果宇宙中正反物质是等量的,按粒子物理已经知道的相互作用,它们是没有可能作大尺度的分离的”。([8]俞允强. 物理宇宙学讲义,北京:北京大学出版社,2002,195-208,89-112,77)
但若正反物质之间相斥,正反物质就有大尺度分离的可能。宇宙中的反物质星系可能存在于离正物质星系距离超过10Mpc的地方。
第三个疑难是“斥力来自何方?”。
观测发现膨胀加速,斥力来自何方成为必须回答的问题。
牛顿发现“万有引力”后,物质间相互作用普遍被理解成只有吸引没有排斥。这种不具有均衡性的相互作用,必然引起矛盾。当年,牧师本特利写信给牛顿:“万物相互吸引,星星们最终将会相撞聚合成一个燃烧的超级星球;无限大的引力是否将使整个世界产生爆炸或撕裂?”牛顿回信无奈的说:“星球运动不仅由于自然的原因,而是来自于全能主宰的推动。”
现代宇宙学研究以广义相对论为理论基础。但广义相对论仍然是一个“只有引力没有与之相当斥力”的理论。
第四个疑难是“超视界均匀性和空间的平坦性”
微波背景辐射观测到了超视界的均匀性和时空的平坦性。超视界意味着任何物理原因不可能解释它。于是寄希望于猜测性的暴涨理论。
广义相对论宇宙,时空是弯曲而非平坦的。只有宇宙物质密度和临界密度之比Ω等于1时,宇宙才是平坦的。宇宙中Ω=1,就是个小概率事件。根据膨胀模型,Ω和1的差值随着宇宙年龄增加而增加。空间的不平坦性会被时间很快地“放大”。至今宇宙竟然还是非常平坦,实在是概率小得出奇的事件-除非如牛顿那样承认宇宙是造物主的精心安排。
将前三个疑难联系起来分析,我们可找到更完善的宇宙学理论和模型。
自然界四种相互作用中,强、弱相互作用属短程作用;电磁和质量相互作用属长程作用。电相互作用的特性是;“异性相吸,同性相斥”;质量相互作用的特性是:“同性相吸”,异性之间“相吸”还是“相斥”目前尚无实验结果。据悉,欧洲核子中心正在策划做正反物质间吸引还是排斥的实验,不久有望得到结果。
“本特利悖论”提醒我们,质量相互作用只有“同性相吸,异性相斥”,才是合理的。
我们建立一个新的宇宙学理论和模型:宇宙中正反物质地位对称数量相同;正反物质间“同性相吸、异性相斥”。简称C宇宙模型。
按Gamow的说法,早期宇宙是一团“粒子气”,衰变出等量正反粒子。“同性相吸、异性相斥”相互作用,令正反物质各自聚集成越来越大的物质团(星系团)。正反物质团间的斥力,令宇宙(更合理的称呼是总星系)整体开始膨胀并加速,膨胀演化曲线如上篇中图1里的虚线,沿时间回溯不会与时间轴交于奇点,也就没有爆炸、暴涨和宇宙年龄之说。
这团粒子气的尺度并非Gamow认为的
= 0,可能达到若干光年。不管这团粒子气的原始形状如何,体积各向同性地膨胀了万倍后,总星系的形状应是圆球形,其密度分布虽整体均匀,但边缘的密度比中心部分低。
同类物质构成的星系团中,相互间吸引作用令物质分布具有成团性而非均匀性,尺度为8Mpc时=1;尺度为15Mpc时
=0.18。在包含众多正反超星系团的更大尺度上(尺度大于150Mpc),
值接近于零([3]12-14)。物质分布表现为超视界均匀性是宇宙中有等量正反物质,正反物质相斥和G值在总星系中的一致性所致。空间自然是平坦的。
1990年,T.J.Broadhurst等对遥远星系的红移巡天发现:在相距128Mpc整数倍处,星系密度呈现明显峰值。这种星系红移分布中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。”([9]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,物理,1992,21(2):88-95)
图3是星系数目-红移分布图。图中星系密度在相距128 h-1Mpc整数倍处呈现明显峰值现象。(为简单起见,设h-1≈1)
图3. 星系密度在相距128 h-1Mpc整数倍处呈现明显峰值的现象。
光学观测不能区分正反物质,只能根据星系团中星系密度有规律的疏、密等间距分布现象作出合理的分析:这些超星系团是相间分布的正物质超星系团和反物质超星系团,因“同性相吸,异性相斥”,出现中心区密集、交界区物质密度稀疏现象。除此种解释之外,这种星系密度分布中的规则性是其它任何模型或理论无法解释的。
正、反物质超星系团的边界离开我们的距离远大于10Mpc,加之正、反物质相斥,我们难以观测到交界区大质量正反物质湮灭发出的伽玛射线。
这些超星系团由正反物质分离、集结形成。正反星系团相间分布,“同性相吸,异性相斥”相互作用下,宇宙必然膨胀并且膨胀是加速的。
原始“粒子气团”中,正、反粒子密度相同,“同性相吸,异性相斥”相互作用使集聚形成的正反星系团的尺度和密度也相同,相互之间保持一定间距,形成如晶体中正负离子那样相间分布。
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、空间平坦,反物质星系在何处,宇宙年龄小于恒星年龄”等疑难就能同时解除。
对于同时包含正反物质,物质间“同性相吸,异性相斥”的宇宙,引力质量与惯性质量相等的等当性原理不再成立。宇宙不再是广义相对论适用的物质系统,广义相对论只在同类物质组成的超星系团内部适用。
总星系的膨胀运动和演化过程,可用经典力学和带有正负号的牛顿万有引力定律作一级近似的探索和演化过程模拟。
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