现实宇宙学的诞生-----标准大爆炸模型批判

现实宇宙学的诞生-----标准大爆炸模型批判 The Criticism to Big Bang Theory of Universe 何玉华 摘要:本文是一篇捍卫辩证唯物主义宇宙观的自然科学～用现代科学理论和观测 事实从不同的角度和不同的方面较详细地批驳了唯心主义的有限时空观～揭露了 宇宙大爆炸学说的根本性错误～为科学的健康发展扫除认识上的障碍。论述了宇 宙的膨胀和收缩循环往复～交替进行～大爆炸奇点不存在～同时阐述一种与膨胀 着的无限时空相联系的新的稳恒宇宙演化模型～给出了以物质连续生成为基础的 星系和天体的形成机制～较合理地解释了宇宙微波背景辐射。 Abstract: this paper defends Marxism's world outlook, and in detail criticizes idealism's finite spacetime, and reveals the absurdity of big bang theory, and removes the biggest obstacle for development of natural science. Besides, a new model of evolution of universe, which belongs to steady state and corresponds with expanding infinite spacetime, is recommended, and some problems and natural phenomena which can not be treated by big bang theory have legitimately solved，and meanwhile sets up a new theory of galaxy formation on the besis of matter’s continuous product. 关键词:宇宙大爆炸理论;微波背景辐射;广义相对论 Key words: big bang theory of universe: microwave background radiation; general theory of relativity. 基金项目:国家重点基础研究发展(973计划)编码:A030101，A030102 中图分类号:04-0，P-14， P-15 文献标识码:A 1、大爆炸理论的奇异性 大爆炸理论是说宇宙开始于密度无限大，温度无限大的状态，即开始于所谓的奇点状态。 稍加就可看出其荒谬。事实上，如果某区域的密度是无限大，那么无论它如何稀释，其 密度仍是无限大, 因为，不能形成当今的宇宙，这里是任意大的数;同理，如果A,,,,A 某区域的温度为无限，那么无论它如何降温其温度仍然是无限大 ，也不能形成当今的宇大 宙。奇点往往是由数学公式的外延不当引起的，不是自然界的真实属性，比如库仑定律，当 两电荷间的距离为零时作用力无限大，但这只明此时定律不成立，丝毫不表明两电荷间的 作用力确实是无限大的。承认奇点为客观实在的物理学理论只有大爆炸宇宙学，在物理学的 其它分枝是不被容许的，由此看出大爆炸理论是一个非常规性的理论。 2、大爆炸理论不能解释星系的形成 首先，大爆炸理论不能解释原子的形成。按照大爆炸理论，宇宙中的所有物质即能量产 生于大爆炸的瞬间，此后不生不灭，随着时空的膨胀，物质散开，温度下降，元素，原子， 分子依次形成，今天看到的星系是由大爆炸后的高度均匀高度热平衡的不结团物质在自引力 的作用下不断地绝热压缩而成的结团物质。这就是说，尽管空间在膨胀，但组成星系的物质 散开后又重新被绝热压缩，物质的温度也必然随之回升。按照大爆炸理论的计算，大爆炸后 [1],73一年时宇宙介质的温度为100电子伏特，而密度为，远小于今天的天体即压10/千克米 缩后的物质的密度，这意味着今天宇宙里物质的温度不低于100电子伏特，在这样的温度下，别说原子就是普通的元素也不能存在，所谓大爆炸后宇宙温度下降原子形成的机制实际上是不能成立的。 其次，大爆炸理论给出的星系形成图景违背热力学第二定律。按照大爆炸理论，各种粒子从大爆炸后的高度无序即高度均匀高度热平衡状态，逐渐结合，最终成为有共动速度的天体和星系，显然这是一个从无序的热运动到有序的机悈运动的演化过程，因而是一个熵减过程，这样的过程是热力学第二定律所禁止的，自然界里不会真实发生。 其三，大爆炸理论对宇宙里氢氦丰度的预言不能成立。按照大爆炸理论，在核形成时，宇宙里的质子、中子、电子、中微子等粒子在弱作用下频繁地发生核反应，热平衡时满足玻耳茨曼统计律，按照当时的温度，算出此时的中子数和质子数密度之比为7:1，由此预言了宇宙里的氢氦丰度，与今天的观测吻合，但问题是在同样的条件下同样地利用玻耳茨曼统计律算出的当时的电子数密度要比质子数密度大的多，因为电子质量比质子小得多，而今天观测显示宇宙里的物质呈中性，即质子数与电子数大致相等，理论计算与观测明显不合，物理定律又不可选择性地运用，这表明所谓的质子中子电子中微子之间的热平衡反应过程在宇宙里根本就不曾真正发生，不过是想当然而已，大爆炸理论对宇宙里氢氦丰度的预言牵强附会，二者没有必然联系。 其四，大爆炸理论没有解决宇宙的起源问题。因为它没有说清大爆炸奇点是从何而来的，而奇点就是最初的宇宙。至于电子、中子及质子等基本实物粒子是如何产生的，大爆炸理论只是含糊地说这些粒子在大爆炸后不久开始出现的，却不能给出它们形成的具体细节。如果说这些粒子与其反粒子同时在大爆炸后成对产生的-----当然也会成对湮灭，那么现实中的反粒子为何如此之少呢，大爆炸理论无法解释。 3、宇宙微波背景辐射不是大爆炸的产物 宇宙微波背景辐射的特征是黑体谱，大爆炸理论并不能说明辐射源是如何具备黑体特征的。无论说早期宇宙高度均匀也好，高度热平衡也好，都不表明它一定具有黑体性能，处于热平衡状态的物体不见得有黑体谱，热平衡状态只是辐射源具备黑体谱的必要条件而非充分条件，如太阳处于热平衡状态，但太阳光谱不具有黑体谱。 [1]大爆炸理论认为微波背景光子是由所谓的最后散射面上的物质散射出来的，这就是说说背景光子携带的信息反映的只能是这个球面上(我们在球心)的物质的存在状态和分布情况，不同频率的背景光子密度各向起伏应该是一样的，但是背景光子的另一个重要的观测特[2]征是，频率愈低的背景光子其密度各向起伏愈小，即频率愈低的背景光子密度随方向改变愈不明显, 这表明我们测到的背景光子不是来自于同一个球面，大爆炸理论给出的微波背景辐射机制不能成立。 事实上，我们今天测到的背景辐射不过是极远的、距离我们不同的、不可分辨距离的各种星体发出的光子红移后在我们的仪器上的综合效应而已。极远的星体组成无限深的稀薄气体，相当于一空腔，射进去的任何光子都不将出来，因此具有黑体特征，从其发出的光子自然呈黑体谱。频率愈低的背景光子，红移愈高，其发射源愈远，发出的时间愈早，体现的正是宇宙愈早愈均匀的事实。顺便提一下，这里所谓的极远星系相对于无限宇宙来说也是很近的，也就是说包括背景辐射在内我们看到的也仅仅是周围的一小片空间，更远处的光是看不到了，因为从地球上任何一个方向看过去都会有一个天体把其后面的光线挡住或吸收掉。用仪器看到的背景辐射，与站在草原用肉眼往地平线望去看到的情况类似，四周一色的灰朦朦，好像看到了天边，其实也不过几十里。今天测到的背景光子的温度为3K，是光子在长期旅行过程中红移的结果，决不表明宇宙今天的温度就是3K，宇宙今天的温度肯定比这高得多。宇宙的温度是宇宙里所有物质的温度的平均，背景光子只是其中一小部分。宇宙温度 与密度一样原则上是可测量的。如，太阳表面的温度是6000K，内部的温度更高，地心的温度达几千度，远远高于地表的温度，地球今天的平均温度恐怕也有上千度，包括行星在内的整个太阳系今天的温度估计也有几千度。说宇宙今天的温度为3K，是不顾眼前的事实的胡言乱语。 大爆炸论者把微波背景辐射解释作大爆炸的产物，从不谈论极远处的星体发出的光哪去了，瞎说微波背景辐射让我们听到了大爆炸的声音，其实大爆炸发生的时间要比光子开始 [1]脱藕的时间即最后散射面出现的时间至少早十万年，这还能说是爆炸的声音吗,大爆炸论者最爱说的一句话就是越来越多的观测结果与大爆炸理论的预言一致，深究一下就知道没有任何一项观测结果与大爆炸理论之间有真正的联系。 4、视界疑难表明大爆炸理论的根本性错误 微波背景辐射表明早期的物质分布是高度均匀的，其均匀的范围超过大爆炸理论框架下宇宙的视界，也就是说在没有时间取得作用的区域物质分布高度均匀高度热平衡，这是大爆 [1][3]炸理论所不能说明的，即所谓的视界疑难。为了自圆其说，大爆炸论者提出暴胀机制，即要求甚早期宇宙有个急剧的加速膨胀过程，把一均匀的小范围快速放大，以此缓解观测范围内的高度均匀性与大爆炸结果之间的明显冲突。由于暴胀过程并不使物质从浓度高的区域流入浓度低的区域，而是宇宙里的均匀区域和不均匀区域的同时且同比例的放大，暴胀显然没有解决全宇宙物质高度均匀问题，而微波背景辐射暗示的均匀性却是全局性的，而且愈早愈均匀。暴胀虽然暂时抹去了观测上的矛盾，然而其自身的合理性却是更大的问题，因为没有合理的暴胀机制。所谓的真空相变有着不可克服的矛盾，既然认为真空的能量均匀地分布，且不随时间变化，那么就得承认真空与物质没有相互作用(否则随物质分布的变化真空能分布就得有所改变)，根本不会出现随物质温度降低真空发生相变的情况。其次，真空为啥随物质温度的变化发生相变，为啥恰好在那样的温度下发生相变而在别的温度下如今天不发生相变呢，又为啥持续的时间不长不短，恰好符合我们的要求呢，这些基本问题都没有合理的回答。总之，视界疑难是时间有起点的必然结果，在大爆炸理论的框架里不可能真正消除，而暴胀更象是强加给自然界的人工艺术。 5、大爆炸不是广义相对论的结论 宇宙大爆炸源于宇宙膨胀的观测事实和物质守恒的假定，认为随着时间的倒推，所有天体相互靠拢，最终被绝热压缩成为一个密度无限大因而温度也无限大的奇点(注意，物质绝热压缩，温度上升是大爆炸理论的基本假定，去掉这一假定就不存在温度无限大的说法)，现实的宇宙就是从这样的奇点开始演化的，这显然不是广义相对论的结果。广义相对论只是对宇宙的膨胀过程作些定量的描述，在大爆炸的瞬间广义相对论恰恰是失效的。温度这一概念在大爆炸理论中占有极其重要的地位，而广义相对论是不处理温度问题的。广义相对论的一个基本观念就是物质和时空的不可分离性，时空是物质存在的场所，物质决定时空的结构，脱离物质谈时空与脱离时空谈物质同样是没有意义的。而大爆炸理论只承认时空的连续膨胀, 不承认物质的连续生成，这实际上就是把物质和时空分离开来, 所坚持的观念仍然是牛顿绝对时空观，而不是相对论的时空观。大爆炸理论在应用广义相对论处理宇宙膨胀时也出现一个明显的错误，那就是先验的认为今天的宇宙压强为零。事实上，由于天体内部的压强不为零，与外部压强(为零)取统计平均后就不为零。一些宇宙学家为了给大爆炸理论找理论依据，把大爆炸说成是广义相对论的结论，这是一个大的误导，有扯虎皮拉大旗之嫌。 大爆炸理论给出的是一个有限时空，认为宇宙有大小，时间有起点，与辩证唯物主义无限时空观尖锐矛盾,不可等闲视之，因为有限时空必然导致上帝论，为唯心主义侵入自然科学提供跳板，更为严重的是大爆炸理论正在严重地阻碍人们对物质世界的进一步的更深层次的认识，在大爆炸理论比较盛行的今天，给予揭露和批判是科学家和哲学家的良知。 6、热力学定律所容许的星系形成过程是什么样的 热力学的主要原理和概念可用完全宏观的来处理，而不必涉及物质的微观结构和细节，这是热力学定律具有强大力量和普遍性之所在。星系的形成和演化也不例外，一定受热力学定律的支配，大爆炸理论的星系形成过程违背热力学定律，因此这样的过程是自然界禁忌的，不会真正发生，即星系不是由原来高度均匀高度热平衡状态的物质在自引力下逐步聚集形成的，那么星系到底是怎样形成的呢,只剩下一种来源途径，那就是:星系是由小到大逐渐增长形成的，物质在星系内连续生成。容易证明这过程是热力学定律容许的等熵过程。事实上，把任一星系当作一个热力学体系，由于星系演化是缓变的，所以过程是准静态的，亦即是可逆的，根据热力学定律有 TdS=dE+PdV 2T是体系的温度，S是体系的熵，E=Mc是体系的内能，P是体系内的压强，V是体系的体积。由于星系之间处于热平衡状态，无热交换，所以TdS=dQ=0, 即是等熵的，因此dE+PdV=0，易看出只要P取负值，就能保证E是逐步增加的，所以只需要求星系内的压强取负值就能保证星系体积增大的同时质量也随着变大, 且过程等熵。在作者的另一篇文章即文献[4]中已证明星系内的压强确实为负值。这里所给出的星系形成机制完全适合于天体的形成过程。 热力学定律虽肯定了星系是逐步增大的，但增大的速度及与宇宙膨胀的关系又如何呢,系统地处理这些问题就是下面所说的新的稳恒宇宙演化模型。 7、一个以广义相对论场方程负压强解为基础的新的稳恒宇宙模型 以往人们先验地认为场方程只存在正压强解，其实还有负压强解，这种负压强解常常被人们忽视掉了，从方程论的角度来看方程的所有解都是平权的，随便忽略哪一种解都有可能造成严重的失误。狄拉克当年没有把量子力学方程里的负能解随便忽视，所以预言了反粒子的存在，促进了粒子物理学的发展。压强取负值，物理意义是明确的，与正压强表征的物质体系具有的扩散趋势相比，负压强代表的正是物质体系具有的会聚趋势。组成天体的物质没有分散开去，表明其具有会聚趋势，因此天体内的压强取负值是理所当然的。与外部压强(为零)取统计平均，宇宙的压强即大范围时空的压强也应为负值。以往人们把负压强说成非物理的，从而排挤出物理学之外，这是一个大的错误，就像历史上不承认负数存在从而阻碍数学进程二千年一样，不承认负压强也会对物理学的发展造成阻碍，自然界的对称性无处不在。 把引力场方程的这种负压强解用于膨胀的时空，宇宙学中的问题立即豁然开朗，暗物质暗能量等现代版的以太立即成为多余，即被负压强所取代，重要的是能够通过求解场方程来决定这种负压强的空间分布。利用场方程的负压强解，时空显然是无限的，不再依赖于所谓的临界密度，而且膨胀和收缩循环进行，随着宇宙的膨胀;不仅星系或天体周围的空间在增大，星系或天体本身也按同样的比例增大，物质在天体内连续生成，宇宙的平均密度和压强始终保持不变;今天的物质分布在大范围内表现出来的均匀性，正是过去物质分布在小范围内的均匀性的体现;星系形成的过程是缓慢的、渐进的、古今一致的，是永远进行着的，星系的过去，能够通过现今正在起作用的规律来认识，现在是认识过去的钥匙。关于数学上的处理细节见文献[4] [5]. t 早期 晚期 今天 图1，星系大小和分布随时间变化示意图。 Fig.1 sketch of size and distribution of galaxies at different time 在空间任选一平面(当然是无限大的)，图1是该平面所截星系在不同时期的大小和分布示意图图，三个等正方形表示所取范围相等，图1表明星系在散开的同时逐渐变大，时间越早星系越小，物质分布越均匀。这里所说的早期是指最近一轮膨胀开始不久的时期，膨胀开始时星系质量为零。我们把宇宙完成一个从膨胀到收缩的循环叫一轮，膨胀的开始时刻就是上一轮收缩的结束时刻。 认识地球是认识宇宙的开始，如果一种宇宙模型不能解释发生在地球上的地质现象，或者不能用发生在地球上的过程作为检验，这种模型必需抛弃，因为地球的演化过 [5]程与宇宙的演化是分不开的，宇宙学模型必须反映地球的进化。否则就是一堆无用的符号。如果一种宇宙模型必需借助现在不在起作用的规则来解释宇宙的过去，这种宇宙模型也必须被抛弃，因为它不可证伪。以负压强解为基础的宇宙模型能够很好的解释地球的形成和演化，能够把发生在我们身边的事与发生在在宇宙里的事给出统一的系统的理解。 霍伊尔稳恒宇宙模型的最大亮点就是承认物质的连续产生，但这种产生不是以场方程的负压强解为基础，而是人为的引入的，所以不是数学上的结论，逻辑上是孤立的。霍伊尔假定随着宇宙的膨胀，物质在空间各处同时产生，新物质组成新的星系，星系数在增加，星系数密度不变，但观测显示早期的星系数密度远大于今天的星系数密度，因而霍伊尔宇宙模型被否定。以场方程的负压强解为基础的物质生成机制在天体或星系内进行，所以星系和天体在增大，星系数则不变，随着宇宙的膨胀星系数密度在变小，与观测无矛盾。 8、物质连续生成的观测证据 宇宙在膨胀，任何点都可看作是膨胀的中心，物质若不是连续地生成，中心处的物质早已膨胀出去，我们所在的地方就会是一片空白，不会是现在这个样子。 以太阳为例，观测显示，它的光度至今没有丝毫减弱的迹象，其体积也没见有变小的趋势，燃烧了几十亿年其元素丰度与原初相比也没有明显的变化，如果得不到及时的连续的补充，是不可能持续到今天的，其温度和元素的组份也不可能长期地保持稳定。地热的存在也是物质连续生成的表现，如果地球得不到连续的能量即物质的补充，地球内部各种反应早已进行完毕，地热是不能长期维持且保持稳定的。再，氘、锂同位素是极易遭到破坏的物质，而它在宇宙中的许多地方都有着非常高的含量，这事实清晰地表明，观测到的氘、锂同位素只能是近期生成的。 地球在增大。陆地象一块块补丁漂浮在海洋中，值得注意的是这些补丁能够拼合成一块几乎没有缝隙的球，这只能用地球的不断膨胀来解释，用板块漂移学说是无法说通的。研究发现六千万年前有很多巨大的动物，不仅恐龙巨大，蜻蜓像老鹰那么大～这表明过去地表的重力加速度比今天的小，地球的体积在增大的同时，质量也增大了。我们知道地震的一大特征就是断裂，这正是地球增大的表象，而非什么板块的撞击。把地震说成是板块的撞击纯属想当然，地球作为一个整体，几十亿年的演化结果使各部分之间彼此保持相互平衡状态，根本不会存在结二连三的似乎一此比一此更大的撞击，那种把地震建立在板块学说之上的理论，永远弄不清地震是怎么回事。 宇宙射线是高速质子流和其它少量粒子流，没有特定方向，强度不随时间变化，表明宇宙射线不是从某个天体发出的，而是就在宇宙空间产生的，由于宇宙物质是中性的，所以刚出现的粒子也一定是中性的，中子生成后很快衰变成了质子和电子，所以射线中没有中子。如果宇宙射线来自天体，不可能偶而只来一个粒子，其能量之高也不是天体上的核反应所实现了的，丁肇中搞多年观察，找不到宇宙射线的来源，于是就说宇宙射线来自暗物质，与这里所说的在宇宙空间里产生本质上是一样的。 9、时空无限性对宇宙膨胀所给予的限制 宇宙的膨胀和收缩循环交替进行是时空无限性的必然要求，只膨胀或只收缩的宇宙不能存在于无限时空中，因为对于无限的时空来说不缺少做任何事情的时间，它已经历了无限长的时间。在无限时空，只膨胀或只收缩的宇宙早已膨胀或收缩到了极端，宇宙不是今天这个样子的，这就是说，如果宇宙膨胀的最终结果是分崩离析的，那么在无限时空中这种结果早已出现，不需要等到今天或以后出现。膨胀和收缩交替进行要求膨胀过程是减速的，收缩过程是加速的。因此加速膨胀的宇宙也不能存在于无限的时空中。目前一些人说宇宙正在作加速膨胀，显然是理论计算的错误。为了使人相信宇宙是加速膨胀的，他们说成是观测的结果，这是误导。其实能直接观测的只是天体的距离和红移，宇宙正在加速膨胀的结论是把观测到的距离和红移等数据代入宇宙学方程推算出来的，即推算出宇宙膨胀因子为负值，宇宙膨胀 [6]的加速度目前还不能直接测量，能测量到的距离和红移也是同一时刻的，不能用来决定同一星体在不同时刻的速度。2011年诺贝尔物理奖授予三位天体物理学家，获奖原因写到“通过观察遥远超新星发现宇宙加速膨胀”，其实他们工作的真正价值在于测量到了大量星体的距离和红移等数据，而不是发现宇宙加速膨胀，宇宙加速膨胀只是这些数据代入现有标准模型推算的结果，方程有误，结论出错就是必然的了，把同样的数据代入修正后的宇宙学方程仍得出宇宙是减速膨胀的结论，见文献[4]。有些人根本不知道宇宙加速膨胀是怎么回事，人云也云，跟着炒作宇宙是加速膨胀的，只能起到以讹传讹的作用，于科学无益。 10、推广到微观和宇观能量不再严格守恒 任何物理定律都是在一定条件下成立的，都有一定的适用范围，能量守恒定律即质量守恒定律也不例外。能量守恒定律是人们总结宏观物理现象得出来的规律，适用于宏观物理现象是无疑的，但推广到微观和宇观就不再严格成立了。先看微观领域，粒子的运动不再适用轨道描述，粒子的瞬间行为呈现某种不确定形，代之以几率描述也即统计描述，波函数描述的正是粒子运动的长时间的统计行为，这意味着牛顿运动定律在微观领域不再严格成立-----否则轨道描述必然适用，因此建立在此基础之上的动能定律即粒子动能的改变等于外界对粒子所作的功也不再严格成立，换句话说就是一粒子动能的增加未必同时等于另一体系能量的减少，能量守恒定律在微观领域已不再严格成立，正因如此才有了量子力学的诞生。事实上，时间能量测不准关系本身已告诉我们既使处于同一状态的粒子其能量也有一个可能的分布范围，而不是取唯一值，这就是能量不守恒现象。所谓定态即能量取确定值的状态只是一种理想化，自然界不会真正存在，因为现实中没有永远不变的状态。应注意的是，普通量子力学扩大了守恒的概念，把平均值不变的量称作守恒量，而不强调时时刻刻都保持不变，这一修改虽使能量守恒定律继续，但人们应清醒量子意义下的守恒与经典意义下的守恒是有很大不同的。 从统计的角度来看单粒子体系与多粒子体系没有本质区别-----这是量子场论存在的前提----波函数满足的方程可看作相应粒子的场方程。所谓的波粒二象性，粒子性则指粒子的瞬间行为，波动性则是粒子长时间的统计行为，二者并无矛盾，那种把粒子既当作波又当作粒子的看法在概念上是混乱的，坚持这种观点永远理解不了量子力学。 再看宇观领域，从哈博定律可知星系都在远离，星系的动能在变化，从大范围来看宇宙是各象同性的，星系不在哪个特定的方向受力，星系速度的变化不是受外力加速的结果，在外界对星系不做功的情况下星系的动能仍有变化，这意味动能定律在宇观领域也不成立，进而可知能量守恒在宇观范围也不是严格成立的。文献[4]证明随着宇宙的膨胀星系的质量也在增加，这是能量不守恒的另一形式，总之，能量的不守恒是绝对的而守恒则是相对的有条件的亦即是短时间小范围内的近似。 参考文献: [1] 俞允强. 《热大爆炸宇宙学 》[M]. 北京: 北京大学出版, 2000 164-166 [2] 刘辽，赵峥.《广义相对论》[ M ], 第二版. 北京: 高等教育出版社, 2004 461-464 [3] 张礼.《近代物理学进展》[M]. 北京: 清华大学出版社, 1997 316-327 [4] 杨见亮. 基于场方程修改的新稳恒宇宙论[J]. 河南科学，2013,(06)736-752 [5] 杨见亮. 考虑时空膨胀的有心运动[J]. 河南科学，2015,(01)13-18 [6] 罗先汉. 《天体演化》[M]. 太原: 山西科学技术出版社, 95