現代物理學基礎的思考之九-大爆炸理論的思考

現代物理學基礎的思考之九——---大爆炸理論的思考目錄第一章大爆炸理論1、經典力學框架下的宇宙觀2、宇宙背景輻射3、哈勃定律的提出4、大爆炸理論簡介5、大爆炸理論的實驗根據6、大爆炸理論的經典力學基礎7、大爆炸理論的廣義相對論基礎8、大爆炸理論與現代物理學基本原理之間的矛盾9、相對性原理和宇宙學原理的疑難10、大爆炸理論與廣義相對論的矛盾11、大爆炸理論的天文學困難12、局爆宇宙學及其實驗證據13、局爆宇宙學的困難14、宇宙自然選擇學說簡介第二章宇宙無限論1、宇宙論中時間箭頭的爭論2、量子力學與熱力學中的隨機性3、光度佯謬及其解釋4、引力佯謬及其解決5、宇宙無限論的實驗基礎6、宇宙無限論的理論基礎第一章大爆炸理論1、經典力學框架下的宇宙觀遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？圜則九重，孰營度之？翰維焉系？天極焉加？八柱何當？東南何虧？九天之際，安放何屬？隅隈多有，誰知其數？天何所沓？十二焉分？日月安屬？列星安陳？----屈原，《天問》物理學家弗里敦說過：“所有的物理學定律最終都是從宇宙中獲取信息的，從牛頓定律到量子力學的所有原理都可以用同一種方法推導出來.”亞里士多德認為時間既是事物運動的尺度也是事物靜止的尺度，實質上已得出了時間是物質持續(xù)性的量度，時間既不是運動，又不能脫離運動，它依賴于物質的運動而客觀存在著.時間是無限的，即時間在量上是無限的，又是無限可分的.宇宙既不生成，也不可能消滅，是單一的和永恒的，它的整個時期既無開端也無終結，在自身包含著無限的時間.【1】16世紀前，人們只能憑肉眼看到六、七千顆星體.1539年哥白尼提出日心說，人類對宇宙的認識進了一大步.波蘭天文學家哥白尼（NicholasCopernicus，1473-1543）1536年寫成《天體運行論》，1543年公開出版.認為太陽是宇宙中心，而地球只是一顆普通的行星，這樣恒星的東升西落，行星的打圓圈的視運動都能解釋了.他對宇宙分成若干天層；太陽靜止于中心，挨著是水星天、金星天、帶月亮的地球天、火星天、木星天、土星天和恒星天等.地球不是宇宙的中心而是圍繞太陽運行的普通行星,其自身又以地軸為中心自轉.哥白尼的日心說推翻了統(tǒng)治天文學1000多年的地心體系（即地球是宇宙中心的學說），引起了全世界的軒然大波，人們不得不重新審視自身在宇宙中所扮演的角色.在此之后，天文學上的發(fā)現不斷地突破人們所建構的關于宇宙中心的知識體系，地球不是中心，太陽也并非就是，銀河系也不是，隨著愛因斯坦廣義相對論的提出，人們才認識到宇宙根本沒有中心.17世紀，天文望遠鏡問世、開普勒三定律和牛頓萬有引力定律的建立，標志人類進入掌握行星層次天體運動規(guī)律的階段，為進入工業(yè)社會奠定了必要的科學基礎.開普勒在弟谷觀察的資料基礎上，于１６０９年發(fā)表了《新天文學》一書，敘述了行星運動的兩條定律.第一條定律提出所有行星分別在大小不同的橢圓軌道上運行，太陽位于橢圓的一個焦點上.第二條定律指出每一顆行星的向徑在相同時間里掃過的面積相等.后來又在《宇宙諧和論》中補充了第三定律，行星繞太陽公轉的恒星周期平方和行星軌道半長徑的立方成正比.為牛頓發(fā)現萬有引力定律鋪平了道路.牛頓從蘋果落地事實啟示聯(lián)想到一個人站在山崖上，把一塊石頭輕輕地放開，石頭會直落到地面，如果他用力把石頭拋向遠處，石頭就會向前跑一段再成一個弧形落到地上.如果他用力更大，落下更遠.若力足夠大時，這就不會再落到地面上，而圍繞地球公轉起來.地球沒有引力，該石頭就會朝著他拋出的方向照直飛去.引力就像一頭拿在小孩手中，一頭拴著小石頭的繩子一樣，從小孩手中牽引著小石頭轉圈.這樣只要證明地球對月球的吸引力確實就是月球繞地球運行所需的向心力.經過十幾年的努力，終于找到計算引力的公式，后來跟力學三定律一起發(fā)表于《自然哲學的數學原理》一書中.牛頓提出：物體的每個分子吸引其它分子，這個引力強度與其質量成正比和被吸引的分子之間的距離平方成反比.但牛頓無法解釋星體為何一開始就作如此運動.因此，就把上帝作為第一推動者.天體為什么會按哥白尼體系運動，笛卡爾曾提出過以太旋渦理論.后來為康德與拉普拉斯吸收了牛頓引力理論構成旋渦星云演變說.1900年美國的錢伯林提出星子說，認為有一顆恒星運行到太陽附近，在太陽的正面和背面掀起兩股巨大的潮，從太陽噴出的物質逐漸匯合成圍繞太陽的氣盤，并逐漸凝聚成行星和衛(wèi)星.1916年英國金斯提出“潮汐說”，認為一恒星接近太陽，從太陽表面引出潮汐隆出物，這雪茄煙形長條逐漸脫離太陽并形成行星.杰弗里認為恒星與太陽相撞，撞出物形成行星系.1944年蘇聯(lián)施密特認為太陽通過暗星云時俘獲物質，形成繞太陽旋轉的星云盤，逐漸形成行星和衛(wèi)星.同年德國魏扎克認為繞太陽旋轉的氣體塵埃盤中出現規(guī)則排列的旋渦，在次級旋渦中形成行星.穩(wěn)恒態(tài)宇學認為宇宙在時間和空間上都是無限的.它主張宇宙從未有過開始，或者更確切地說，宇宙乃是處于連續(xù)的創(chuàng)造過程之中.當宇宙膨脹之時，總密度減少，但密度存在一個下限值，宇宙不會在密度低于此值的情況下存在.當宇宙接近這個下限值時，便會創(chuàng)造出更多的物質來使密度再度升高.因此當宇宙不斷地膨脹時，新的物質便連續(xù)地在星體中創(chuàng)造出來以填補空隙.新形成的物質就是構成星系的氫.每個新星系團將隨著宇宙的不斷膨脹而逐漸衰老以致死亡，但又形成新的星系團.新星系形成，老星系死亡，但宇宙的總密度不變.并且總是存在有各種不同年齡的星系.因此，宇宙在任何時期檢驗都是一樣的.盡管個別星系團有所變化，但總體圖象是始終如一的.牛頓在《自然哲學之數學原理》的“總釋”里還寫道：“六個行星在圍繞太陽的同心圓上轉動,轉動方向相同,而且?guī)缀踉谕粋€平面上;鑒于慧星的行程沿著極為扁平的軌道跨越整個天空的所有部分,不能設想單純力學原因就能導致如此多的規(guī)則運動:因為它們以這種運動輕易的穿越了各行星的軌道,而且速度極大;在遠日點,它們運動最慢,滯留時間最長,相互距離也最遠,因而相互吸引造成的干涉也最小.這個最動人的太陽、行星和慧星體系，只能來自一個全能全智的上帝的設計和統(tǒng)治.如果恒星都是其他類似體系的中心，那么這些體系也必定完全從屬于上帝的統(tǒng)治”.牛頓的原文中僅有：“...我用重力解釋了天體運行和海洋的潮汐，但我還不能指出重力自身的原因...”.中世紀文藝復興以來,生氣勃勃的新興科學,以哥白尼為開端的日心說,向教會寫了宣戰(zhàn)書!以牛頓自己也表示：“我不知重力自身的原因...上帝設計一切和統(tǒng)治一切”這段話為終結，向教會高懸免戰(zhàn)牌！牛頓的星體引力場理論清楚地給出了萬有引力定律:在星體時空中,給出了物體由與星體間引力相互作用產生的運動規(guī)律.愛因斯坦廣義相對論也是星體的引力場理論，核心是:星球告訴周圍時-空如何彎曲;時空告訴其中的物體如何運動.由于后者考慮了時空參考系的相對性原理,從而比前者更苻合天文觀測的實際結果.這兩個引力場理論,對質點在星體引力場中運動的幾何軌跡,都給出了很好的描述，并且后者由于滿足時空相對性原理而更準確些.參考文獻：【1】《物理》第31卷第2期117頁.2、宇宙背景輻射(cosmicbackgroundradiation)定義：來自無明顯分立源天區(qū)的各向同性電磁輻射.在不同波段，輻射有不同的起源，并可具有非宇宙學起源.所屬學科：天文學（一級學科）；星系和宇宙（二級學科）百科名片:宇宙微波背景輻射（又稱3K背景輻射）是一種充滿整個宇宙的電磁輻射.特征和絕對溫標2.725K的黑體輻射相同.頻率屬于微波范圍.宇宙微波背景輻射產生于大爆炸后的三十萬年.大爆炸宇宙學說認為，當宇宙發(fā)生大爆炸時，開始時宇宙的溫度是極高的，之后慢慢降溫，剛到現在約150億年后大約還殘留著3K左右的熱輻射.

概念:宇宙背景輻射是來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射，也稱為微波背景輻射.二十世紀六十年代初，美國科學家彭齊亞斯和R.W.威爾遜為了改進衛(wèi)星通訊，建立了高靈敏度的號角式接收天線系統(tǒng).1964年，他們用它測量銀暈氣體射電強度.為了降低噪音，他們甚至清除了天線上的鳥糞，但依然有消除不掉的背景噪聲.他們認為，這些來自宇宙的波長為7.35厘米的微波噪聲相當于3.5K.1965年，他們又訂正為3K，并將這一發(fā)現公諸于世，為此獲1978年諾貝爾物理學獎金.

特征：微波背景輻射的最重要特征是具有黑體輻射譜，在0.3厘米－75厘米波段，可以在地面上直接測到；在大于100厘米的射電波段，銀河系本身的超高頻輻射掩蓋了來自河外空間的輻射，因而不能直接測到；在小于0.3厘米波段，由于地球大氣輻射的干擾，要依靠氣球、火箭或衛(wèi)星等空間探測手段才能測到.從0.054厘米直到數十厘米波段內的測量表明，背景輻射是溫度近于2.7K的黑體輻射，習慣稱為3K背景輻射.黑體譜現象表明，微波背景輻射是極大的時空范圍內的事件.因為只有通過輻射與物質之間的相互作用，才能形成黑體譜.由于現今宇宙空間的物質密度極低，輻射與物質的相互作用極小，所以，我們今天觀測到的黑體譜必定起源于很久以前.微波背景輻射應具有比遙遠星系和射電源所能提供的更為古老的信息.微波背景輻射的另一特征是具有極高度的各向同性.這有兩方面的含義：首先是小尺度上的各向同性.在小到幾十弧分的范圍內，輻射強度的起伏小于0.2－0.3％；其次是大尺度上的各向同性.沿天球各個不同方向，輻射強度的漲落小于0.3％.各向同性說明，在各個不同方向上，在各個相距非常遙遠的天區(qū)之間，應當存在過相互的聯(lián)系.

起因：1964年，美國貝爾電話實驗室的兩位工程師彭齊亞斯（Penzias，

A.

A

.）和威耳遜

（Wilson，R

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W

.）為了改進衛(wèi)星通訊，建立了高靈敏度的接收天線系統(tǒng).他們安裝了一架衛(wèi)星通訊用的喇叭形天線.這架天線有很強的方向性，即喇叭口對向天空中某方向時，地面及空中其它方向電磁波干擾都很微小.為了檢驗這臺天線的低噪聲性能，他們避開噪聲源而將天線指向天空進行測量，在波長7.35厘米處所作的測量已經表明，無論天線指向什么天區(qū)，總會接收到一定的微波噪聲.這種噪聲相當顯著，并且與方向無關.他們日復一日，月復一月地進行測量，結果都是一樣.它既沒有周日變化，也沒有季節(jié)變化.與地球的自轉和公轉運動也沒有明顯關系.起先，他們懷疑這種噪聲來自天線系統(tǒng)本身.1965年初，他們又對天線進行了徹底檢查.他們拆卸了天線的喉部，發(fā)現有個鴿子窩，他們又把鴿子窩清除掉.雖然做了種種努力，仍無法把噪聲降下來.從而排除了這種噪聲來自天線系統(tǒng)本身的可能性.就是說，這種噪聲應當是來自空間的一種輻射.這種輻射相當于絕對溫度在2.5－4.5K之間的黑體輻射，通常稱之為3K宇宙微波背景輻射.由于天頂方向和地平方向的大氣厚度明顯不同，彭齊亞斯和威爾遜測得的這種輻射與方向無關，排除了地球大氣層起源的可能性.由于銀河系物質分布不均勻，因而也排除了銀河系起源的可能性.微波背景輻射只可能來自廣闊的宇宙.更精確地說，微波背景輻射是高度各向同性的溫度約為2.7K的黑體輻射，這是一種充滿宇宙各處的均勻輻射.彭齊亞斯和威爾遜在進行這項重要工作時，只是為了測試他們的天線的性能.作為工程師，在完成這項工作后以《在4080兆赫上額外天線溫度的測量》為標題在《天體物理雜志》上發(fā)表他們的結果，意思是說，他們在頻率4080兆赫（即波長7.35厘米）處對天線噪聲測得的有效溫度比預期值高2.5－4.5度.1965年他們又將其修正為3K，并將這一發(fā)現公布，為此獲得了1978年的諾貝爾物理學獎.宇宙微波背景輻射是無處不在的3K熱(黑體)輻射，

因其峰值在微波區(qū)而得名.那問題就來了，這個背景輻射只是一個3K的低溫熱輻射而已，而我們周圍可是有一層厚厚的大氣，溫度在300K左右.根據黑體輻射公式，大氣的熱輻射在微波區(qū)要比3K的背景輻射強得多，我們怎么可能觀測得到這個背景輻射呢?

哪里才是解釋的關鍵呢?因為地球大氣的輻射95％以上的能量集中在3～120微米內，只要測量遠大于120微米波長的輻射，可以認為不受大氣輻射的影響.但波長大于1米，會受到銀河系高頻輻射的影響.從那以后，已經有許多人對微波背景輻射作了詳細的研究，在相當寬的波長范圍內得到了支持黑體輻射譜的結果.也證明了高度各向同性.1989年11月宇宙背景探索衛(wèi)星（COBE）升空，獲得了豐富的數據，證明實測的微波背景輻射譜非常精確地符合溫度為2.726±0.010K的黑體輻射譜，觀測數據與黑體輻射理論曲線的符合情況極好，衛(wèi)星同時證明，這種輻射具有高度各向同性.1965年初，彭齊斯和威爾遜與狄克小組進行了互訪，最后共同確認這個相當于3K的宇宙背景輻射就是“原始火球”的殘余輻射.這是對大爆炸理論的強有力支持，從此，大爆炸理論又獲得了新生.這一發(fā)現終于被狄克、皮伯斯、勞爾和威金森等人作為宇宙大爆炸理論的證據.也就是說，宇宙大爆炸后約200億年的今天，在宇宙間還殘留著3K左右的輻射.1948年,美國科學家阿爾弗(RalphAlpher)和赫爾曼(RobertHerman)預言，宇宙大爆炸產生的殘系輻射，由于宇宙的膨脹和冷卻，如今它所具有的溫度約為絕對零度以上5開，或者說5K(絕對零度等于攝氏零下273度，即-273℃).但是他們的預言并未引起人們的普遍重視.

發(fā)展：但是多年以后，即1965年，美國新澤西州貝爾實驗室的兩位無線電工程師阿爾諾·彭齊亞斯(ArnoPenzias)和羅伯特·威爾遜(RobertWilson)卻十分意外地發(fā)現了這種宇宙輻射場，當時他們正在為跟蹤一顆衛(wèi)星而校準一具很靈敏的無線電天線.與此同時，在附近的普林斯頓大學，由羅伯特·迪克(RobertDicke)領導的一個科學家小組已獨立地重新發(fā)現了阿爾弗和赫爾曼早先作過的預言，并著手設計一臺探測器以供搜索大爆炸的殘留輻射.他們聽說了貝爾實驗室這臺接收器中存在著無法闡明的噪聲，并立即將它解釋為源自大爆炸的殘余輻射.它相當于在電磁波譜的微波部分波長為7．35厘米的某種無線電波信號；如果假設它是熱輻射，那么它所具有的能量就相應于2.7K的溫度--這與阿爾弗和赫爾曼富于靈感的估計非常接近.它被稱為"宇宙微波背景輻射".宇宙微波背景輻射的存在，給大爆炸理論以有力的支持.恩格斯說“只有證明了由輻射而散失到空間的能量可以匯聚起來并重新參與活動，才能徹底證明唯物論成立.”據2010年11月25日出版的《科技日報》記者常麗君報道，2010年11月23日美國物理學家組織網公布，在宇宙微波背景輻射中發(fā)現了一種圓環(huán)結構；科學家解釋說，發(fā)現宇宙微波背景輻射中存在圓環(huán)結構并不是對大爆炸理論的否定，而是支持可能存在多次大爆炸.這是英國牛津大學物理學家羅杰·彭羅斯和亞美尼亞埃里溫物理研究院的瓦赫·3、哈勃定律的提出1929年哈勃在《美國國家科學院會議文集》上發(fā)表了"河外星云的距離與視向速度之間的關系"，在該文中，哈勃根據有關旋渦星云距離的定量數據，提出著名的哈勃定律：V=DH，其中V就是星云的視向速度，D是星云的距離，H是哈勃常數.這是一個簡明的線性關系，而且天文觀測的數據又吻合得極好，很快大家都接受哈勃的想法.4、BigBangCosmology的簡介20世紀最重要的宇宙學理論有5個：1.大爆炸模型理論；2.恒穩(wěn)態(tài)模型理論；3.準恒穩(wěn)態(tài)模型理論；4.馬赫原理模型理論；5.大數定律模型理論.它們都必須與宇宙學觀測實驗數據盡可能符合，都必須符合所謂宇宙學原理：宇宙大尺度是均勻的各向同性的加速膨脹的：小尺度有結團（星系，星系團，超星系團等等）；量子宇宙是封閉的沒有奇點的膨脹與收縮振蕩的.目前，21世紀主流科學認可的是大爆炸模型理論.實際上，宇宙大爆炸說真正的思想起源可以追溯到更遠的時期.對于大爆炸學說的思想起源，霍金在《時間簡史》中寫道：當然，宇宙開端的問題在這之前很久就被討論過.根據一些早先的宇宙論和猶太人／基督教／穆斯林傳統(tǒng)，宇宙開端于有限的、并且不是非常遠的過去的某一時刻.對這樣一個開端，有一種議論是感到必須有“第一原因”來解釋宇宙的存在.（見《時間簡史》第17頁）現代宇宙系中最有影響的一種學說，又稱BigBangCosmology宇宙學，與其他宇宙模型相比，它能說明較多的觀測事實.它的主要觀點是認為我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化史.在這個時期里，宇宙體系并不是靜止的，而是在不斷地膨脹，使物質密度從密到稀地演化.這一從熱到冷、從密到稀的過程如同一次規(guī)模巨大的爆發(fā).根據BigBangCosmology宇宙學的觀點，BigBangCosmology的整個過程是：在宇宙的早期，溫度極高，在100億度以上.物質密度也相當大，整個宇宙體系達到平衡.宇宙間只有中子、質子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態(tài)的物質.但是因為整個體系在不斷膨脹，結果溫度很快下降.當溫度降到10億度左右時，中子開始失去自由存在的條件，它要么發(fā)生衰變，要么與質子結合成重氫、氦等元素；化學元素就是從這一時期開始形成的.溫度進一步下降到100萬度后，早期形成化學元素的過程結束（見元素合成理論）.宇宙間的物質主要是質子、電子、光子和一些比較輕的原子核.當溫度降到幾千度時，輻射減退，宇宙間主要是氣態(tài)物質，氣體逐漸凝聚成氣云，再進一步形成各種各樣的恒星體系，成為我們今天看到的宇宙.“初始狀態(tài)可能對于宇宙特征有過根本的影響，也許甚至影響到基本粒子和力的性質.”【1】美國物理學會前會長和哲學學會前會長Weeler教授認為：我們的宇宙開始于所謂“普朗克量子”，而終止于“黑洞”-----“大千世界源自量子比特”！參考文獻：史蒂芬·霍金.果殼里的宇宙[M].湖南：湖南科學技術出版社，2005.1.5、大爆炸理論的實驗根據BigBangCosmology模型能統(tǒng)一地說明以下幾個觀測事實：BigBangCosmology理論主張所有恒星都是在溫度下降后產生的，因而任何天體的年齡都應比自溫度下降至今天這一段時間為短，即應小于200億年.各種天體年齡的測量證明了這一點.在各種不同天體上，氦豐度相當大，而且大都是30%.用恒星核反應機制不足以說明為什么有如此多的氦.而根據BigBangCosmology理論，早期溫度很高，產生氦的效率也很高，則可以說明這一事實.根據宇宙膨脹速度以及氦豐度等，可以具體計算宇宙每一歷史時期的溫度.BigBangCosmology理論的創(chuàng)始人之一伽莫夫曾預言，今天的宇宙已經很冷，只有絕對溫度幾度.1964年，美國貝爾實驗室的工程師阿諾·彭齊亞斯(Penzias)和羅伯特·威爾遜(Wilson)在一次檢測天線噪音性能的實驗中偶然發(fā)現了太空中存在波長為7.35cm的微波輻射，并且是一個各向同性的訊號.這個信號既沒有周日的變化也沒有季節(jié)的變化.這個額外的輻射就是宇宙微波背景輻射，對應到約為3K的宇宙空間黑體輻射.彭齊亞斯和威爾遜也因發(fā)現了宇宙微波背景輻射而獲得1978年的諾貝爾物理學獎.根據1989年11月升空的宇宙背景探測者（COBE，CosmicBackgroundExplorer）測量到的結果，宇宙微波背景輻射譜非常精確地符合溫度為2.726±0.010K的黑體輻射譜.繼COBE之后，比COBE角分辨率高近70倍的WMAP（WilkinsonMicrowaveAnisotropyProbeNASA）的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）于2001年進入太空，對宇宙微波背景輻射進行更精確的觀測，WMAP測量到的結果顯示宇宙微波背景輻射譜非常精確地符合溫度為2.725±0.002K的黑體輻射譜，因此WMAP的功勞在于清晰地確認了COBE的成果.BigBangCosmology理論認為宇宙最初的狀態(tài)并不均勻，所以才有現在的宇宙和現在星系和星團的產生.科學家們在分析了宇宙中一個遙遠的氣體云在數十億年前從一個類星體中吸收的光線后發(fā)現，其溫度確實比現在的溫度要高.澳門發(fā)現，背景溫度約為-263.89攝氏度，比現在測量的-273.89攝氏度的宇宙溫度要高.早在1912年，施里弗(Slipher)就得到了“星云”的光譜，結果表明許多光譜都具有多普勒(Doppler)紅移，這些“星云”在朝遠離我們的方向運動.如果運用多普勒效應來解釋，那么紅移就是宇宙膨脹的反映.隨后人們知道，這些“星云”實際上是類似銀河系一樣的星系.1929年哈勃(EdwinHubble)對河外星系的視向速度與距離的關系進行了研究.當時只有46個河外星系的視向速度可以利用，而其中僅有24個有推算出的距離，哈勃得出了視向速度與距離之間大致的線性正比關系.現代精確觀測已證實這種線性正比關系v=H0×d，其中v為退行速度，d為星系距離，H0為比例常數，稱為哈勃常數.這就是著名的哈勃定律.哈勃定律揭示出宇宙是在不斷膨脹的.這種膨脹是一種全空間的均勻膨脹.因此，在任何一點的觀測者都會看到完全一樣的膨脹，從任何一個星系來看，一切星系都以它為中心向四面散開，越遠的星系間彼此散開的速度越大.當觀測者或觀測器面對星空時，他（或它）就位于R=∫0TC（t）dt的球心位置，C（t）是星際空間的光速，T就是他（或它）觀測星空的時刻，以C（t）⊿t為半徑的球面處的景象是在T時刻前⊿t時發(fā)出的光帶來的景象映射，TC（t）為半徑的球面處的景象是在觀測前T時刻（也就是0時刻）發(fā)出的光帶來的景象映射，這些景象是在T時刻同時映射到他（或它）的觀測點的.可見在他（或它）的面前展現的是一幅時間間隔為0到T的宇宙景象的歷史畫面.離他（或它）越近的是時間越接近其觀測時刻的景象，離他（或它）越遠的是時間越遙遠時的景象.近期的景象信號越強又最接近，故細節(jié)觀測得越清楚；遙遠的信號傳輸的時間和距離越久遠，信號就最弱，越難分辨其面目.所以，任何觀測者在任何地點、任何時候面對星空時，他都感覺自己是處于宇宙的中心，離它觀測的時刻越久遠，它看到的宇宙的范圍就越寬廣；離它觀測的時刻越近，它看到的宇宙的范圍就越窄小，他永遠也看不到宇宙在他觀測時刻的實時全景！從而，不同的觀測者在任何地點、任何時候看到的宇宙景象，只有時間越久遠的，才看得越一致；時間越近的，各人看到的差別就越大.就全景而言，各人的觀察是不全相同的.一個人在平地上平視的視野不超過3公里，站在200米的高塔或山頂上，視野不超過30公里，這樣的范圍內他接受到的光信息時間差不足0.1毫秒，而通常人視覺的時間分辨率僅為10毫秒（如果一個人對距離一米處的圖象能分辨1毫米的細節(jié)，那他對一公里外的物體，三米大小內的景象就無法辨明了，只有靠望遠鏡來提高空間分辨率）.從而，人們都以為在他視野中看到的一切都是瞬間發(fā)生的，都是他在觀測的時刻發(fā)生的，是與他同時存在的事物.而以此經驗去觀測星空，他也以為離他多遠的星體只是距離問題，沒意識到時間上的差異.這也說明觀測實際上已包含著光的性質（光速），如果光速是無窮大的，就沒此問題；如果光速與聲速一樣，也只每秒數百米，那么信息傳輸的延遲現象就會非常明顯了.我們也就不會先見閃電后聞雷聲，或先見超音速飛機后聽到飛機的轟鳴了.在1998年,由美國加里福里亞大學的勞侖斯伯克萊國家實驗室的SaulPerlmutter教授和澳大利亞國立大學的BrainSchmidt所分別領導的兩個小組通過對Ia型超新星爆炸的觀測發(fā)現了我們宇宙的加速膨脹,他們指出那些遙遠的星系正在加速地離開我們.【1】有許多實驗的結果已與BigBangCosmology的預言相符，比如早在1948年，科學家預言BigBangCosmology后散落的殘余輻射因為宇宙的膨脹而冷卻，如今它的溫度應為絕對零度以上5度.而在1965年，美國兩位無線電工程師意外地發(fā)現了無線電接收器中無法闡明原因的噪聲，后來知道它就是宇宙微波背景輻射，它的溫度是絕對溫度以上2.7度，與1948年的預言差不多.兩位工程師因此獲得了諾貝爾物理獎.擬用超導超級對撞機“模擬宇宙BigBangCosmology的space-time和物質狀態(tài)”，為的是“驗證”由相對論衍生出來的宇宙爆炸理論.洛弗爾指出：“人們常認為BigBangCosmology理論中的單子是由宇宙一致性假說產生的數學難題.”標準的BigBangCosmology宇宙模型有極好的的數學對稱性，一些物理學家認為這就是以數學方程解析BigBangCosmology初始零點時會出現單子的原因.為了修正這個理論，有人就在模型中引入了和觀測到的宇宙類似的不規(guī)則性，希望這能使起始狀態(tài)有足夠的不規(guī)則性而不至于一切都縮致一個點.然而霍金和埃利斯指出，根據他們計算，在已觀測到的范圍內，物質分布具有不均勻性的BigBangCosmology理論在起點處仍會有單子.為了回避整個關于宇宙起源的問題，一些科學家提出了所謂達到“無限脈動宇宙模型”，即宇宙不斷膨脹，收縮至單子，再膨脹，再收縮至單子，永遠進行下去.然而物理學家溫伯格在《最初的三分鐘》里指出，隨著每一次連續(xù)脈動，宇宙必產生某種遞進的變化，因此必須有個起點，而不是可以無限回歸，物質世界一直存在著，仍然面對著宇宙起源問題.奇點物質是能級無限大的物質.根據相對論理論的宇宙能量方程V+U＝－K/2，當物質半徑R→0時，曲率K→∞，能量V+U→－∞，其中動能V→0，勢能U→－∞.R→0時的物質狀態(tài)就是沒有質點（沒有大?。┑钠纥c.據英國《星期日泰晤士報》

報道，霍金與其合作者、英國劍橋大學數學物理教授圖羅克最新提出的"開放暴脹"理論認為，宇宙最初的模樣像一個豌豆的物體，懸浮于一片沒有時間的真空，"豌豆"狀的宇宙存在的時間與"大爆炸"相隔一個極短瞬間.該理論認為，"豌豆"狀的宇宙在"大爆炸"前的瞬間內經歷了被稱為"暴脹"的極其快速的膨脹過程.宇宙在大爆炸后不到１秒的時間里膨脹了大約１０^３０倍，大約和橘子一般大小，然后開始以較穩(wěn)定的速率膨脹，直到現在，大約１５０億年，成為目前的樣子.另外，霍金和圖羅克還根據"開放暴脹"理論推斷，宇宙最終將無限地膨脹下去，而不是像一些天文學家所認為的，膨脹到一定程度后會在引力作用下收縮.在這個過程中，物質“疙瘩”逐步形成了星系、恒星以及生命.這個模型暴脹期的長短是個關鍵.若稍短，物質為充分散開，原生宇宙就有重新坍縮為起點；若稍長，原生宇宙的物質則過于分散，形不成星系和恒星，自然也就不會出現生命和人類.１９８７年霍金進一步提出了“嬰兒宇宙”模型，兩個大宇宙通過一個細“管子”連接起來，這個細管子稱為“蟲洞”，大宇宙為母宇宙，可能存在著從母宇宙分岔出去的另一端是自由的蟲洞，這樣的管子成為子宇宙、嬰兒宇宙.就是說除了我們生存的宇宙之外還可能存在著眾多的由蟲洞連接起來的其他宇宙.１９９２年，薩莫林在前人基礎上提出了宇宙自然選擇學說.母宇宙是空間閉合的，猶如一個黑洞，該黑洞在生存了一段時間后坍縮為一個奇點，奇點又會反彈爆炸膨脹為新的下一代宇宙.這個學說的要點是，子宇宙中的物理常數較之母宇宙的物理常數會有小的、或強或弱的隨機變異，新生的嬰兒宇宙在再次坍縮成奇點前能膨脹到幾倍普克郎長度大小，隨機變異的物理常數有可能允許小小的暴脹，子宇宙可變的較大，當它足夠大時，可分隔為兩個或更多的不同區(qū)域，每個區(qū)域又坍縮為一個新的奇點，新奇點又觸發(fā)下一代的子宇宙，如此時代相傳，有的小宇宙重又坍縮，有的具有某些基本常數值的宇宙能更有效的產生許多黑洞，從而較具有其他某些基本常數值的宇宙留下更多的后代，借用生物進化論的術語，它們是被“自然選擇”下來的，經“選擇”作用，產生越來越多的黑洞，也就形成了更多的宇宙.如果宇宙確是由以前的宇宙世代經過這種“自然選擇”而產生的話，那么應該預期我們生存在其中的宇宙會具有所觀測到的樣子并正好具有目前測知的基本常數值.這個學說的另一要點是關于恒星的存在.在許多情況下，恒星是黑洞的前身.在氣體和塵埃云中，恒星仍在形成.在碳塵埃微粒表面進行著的化學反應使氣體冷卻并促使氣云坍縮.但碳塵埃粒子是從那里來的呢？斯莫林指出，碳元素是由核聚變反應產生的這一情況只有在質子的質量稍大于中子的質量時才會發(fā)生，如果兩者質量之差比氦核的結合能大的多，則質子和中子不可能粘在一起形成氦核.沒有氦，聚變反應鏈在第一階段便終止了，根本形不成更重的元素，從而使恒星將少得多，自然也不會有多少黑洞，因此在任何一個宇宙中，若其中質子與中子的質量相差較大，將只能產生很少的宇宙，也就沒有什么“選擇”的余地了.下面是science上關于宇宙形狀的近期報道：

時空結構將宇宙微波背景（CMB）和宇宙的重要結構連在了一起.但是究竟時空結構是什么，而CMB的測量又能告訴我們什么呢？在愛因斯坦的廣義相對論中，空間和時間被連接在一個有彈性的“簇拓撲空間”——一個數學對象中，這個拓撲空間的每個小片粗看象一個四維的橡膠片.光線沿拓撲空間的輪廓前進，這個輪廓被叫做測地線.在一個平坦的平面上，從一個遠距離對象發(fā)出的平行光將保持和它們接近一個觀測者時同樣遠近的分隔.但是在一個有正曲率的表面，如一個球，接近的光線將移動更遠的間隔，使得遠處的物體看起來比正常物體更大.在一個有負曲率的表面，如一個馬鞍，平行光束將更緊密的結合在一起，使得物體看起來更小.因為彎曲的簇拓撲空間對光的扭曲不同于扁平的簇拓撲空間，所以彎曲的簇拓撲空間也應該產生不同種類的CMB.用微波探測器（叫做BOOMERANG）觀察到的1-degree-wide波正好是理論預言的扁平宇宙所應該有的，對于這個結論大部分物理學家至少希望用微波各向異性探針的（MAP'S）圖象證實.一些研究者希望MAP將給出關于宇宙大小和形狀的更多詳細而精確的信息.“當我們看微波背景的時候，我們基本上留意到了球的表面，”

普林斯頓大學的一個天體物理學家和MAP科學隊的一個成員David

Spergel解釋道.如果宇宙是無限的，那么“最后散射的表面”將不能給出關于它的形狀的線索.但是如果宇宙是有限的，那么時空和安置在時空當中的散射表面必需使它們自身向后彎.一個足夠巨大的球將會把自己相交貫穿至少形成一個圓周，正如一個圍繞著銷子搭接起來的圓盤一樣.

實際上，Spergel說，因為光能通過不止一個路徑穿過彎曲的時空，所以天文學家將看到一個交叉點不是一次而是兩次，與一對圓周在天空的不同部分描繪出冷點和熱點的方式相同.在美國的Spergel組和在巴黎天文臺由Jean-Pierre

Luminet領導的組正在研制一些運算法則以搜索在MAP數據中的這種信號.其間，數學家Jeff

Weeks，一個紐約州的自由記者已經寫了一個把一對圓周轉化為宇宙模式的計算機運算法則.Weeks說，對形象化最容易的是一個“曲面（toroidal）”宇宙比最后散射的表面小.他指出，在包圍著一個圓環(huán)面的兩維宇宙中，天文學家看起來將在假想出的空間的盒子的相對的兩個壁上看到同樣的點.相似的，在三維曲面（toroidal）宇宙中，天文學家將在相對的方向看到三對圓周.

toroidality僅僅是對扁平的有限宇宙來說10個不同toroidality之中最簡單的一個.如果宇宙被證實是彎曲的——這一點在當前還不是事實——那么對Weeks的運算法則來說將會有無限多的可能性去嘗試.“我們將開始盡可能快的關注任何可用的數據，”Weeks說.如果宇宙合作，他們可以不用等太長時間，Spergel說：“兩年后，我們就能知道我們住在一個有限的宇宙中.”

注解：CMB是從各個方向襲擊地球的持續(xù)的電磁聲波.這些遙遠的聲音是大爆炸之后的遺留輻射.CMB也叫做宇宙背景輻射和微波宇宙背景霍金和圖羅克的新理論在科學界引起了不同的反應."暴脹"理論權威之一、俄羅斯物理學家林德對霍金等的理論提出了批評.林德稱，宇宙自始至終存在，試圖發(fā)現一個起點和所謂的終點是沒有意義的.而英國的一些著名天文學家則出言謹慎.他們指出，霍金的新理論完全是按照物理學定律純理論推算的結果，它是否揭示了宇宙的本質還有待干實際觀測的考驗.據悉，美國將于兩年后發(fā)射一顆衛(wèi)星來測量宇宙大爆炸遺留的微波輻射，這很可能為霍金的理論提供檢驗.霍金曾經花了很長一段時間去研究宇宙大擠壓(反演)，愛因斯坦的宇宙學公式曾預言也許有這么一個演化階段存在.那是一個逆演著的時空過程，物理理論幾乎全部翻了過來，得出的結論也太荒謬.最后，霍金也不得不放棄他的這個研究.對于這個“宇宙學的黃金時代”，科學出版社出版的《10000個科學難題（物理學卷）》一書開篇，中科院理論物理研究所的李淼教授也把大爆炸之前宇宙是什么樣子回答清楚了.李淼教授說，大爆炸之前宇宙是什么樣子？現在流行的看法是，在物質產生之前，宇宙經過一個劇烈膨脹時期，叫暴漲時期.研究暴漲時期的“之前”有物理意義.因為，即使時間不復存在，我們可以問取代時間的概念是什么？近年來關于量子引力的研究結果建議我們用抽象的代數來取代幾何概念，就是說，不但時間不復存在，就是空間也不復存在了.這種抽象概念無法用尋常的圖像來解釋，就像溫度這個宏觀概念，用到極端如越來越小的體系時，溫度會不在適用，而更加正確的概念是分子原子的運動.不過，我們現在還不能肯定暴漲之前時間和空間肯定消失了，因為還存在一些其他理論.其次，一門學科成熟的標志是研究進入誤差很小的定量化階段，2006年諾貝爾物理學獎授予20世紀90年代初的一項實驗發(fā)現，授獎的一個重要原因是，這項發(fā)現再次證實了大爆炸理論，因為大爆炸理論預言了微波輻射的漲落.按照愛因斯坦的論述（1919年），理論有兩大類.一類他稱為“構建性理論”，氣體動理論就是這類理論的一個范例.另一類他稱為“原理性理論”，經典熱力學和相對論是這類理論的范例.筆者認為，大爆炸理論應當為“構建性理論.”附錄：1、“據美國《發(fā)現》雜志網站記者AdamFrank2001年6月25日報道，美國萊切斯特(Rochester)大學激光能量實驗室(LaboratoryforLaserEnergetics)“據該文報道，這個實驗室足足有一個足球場那么大，內有幾百噸重的玻璃、鋼和塑料，這些材料被混合在一起形成世界上最大的激光源，稱作Omega激光源.而且，為了驗證這一激光源的強大威力，每隔一小時，這一強大的能量庫就會通過一個超強的閃光燈發(fā)射出15000伏特的電流，同時產生60束分離的中子流，這些中子流呼嘯著穿過180英尺長的玻璃架，到達一個灼灼閃光的分隔為兩層的目標分隔實驗間內.在一個巨大的藍色球體的中心，60束激光聚焦在空間上的一點，精確度是千分之一英寸.緊接著，所有巨大的能量都釋放出來，在這一瞬間，科學家可以創(chuàng)造出只有在一個恒星內部才有的壓力和溫度.這時候，在只有針尖大小的一點上集中了60000億瓦特的電流，這簡直是不可思議的，比整個美國任何時候所需要的全部電流都要大.2、新華社電日本名古屋大學日前公布，由該校研究生院專家參與的一個研究小組在銀河系附近大小麥哲倫星云之間發(fā)現７個能演變?yōu)樾窍档姆肿釉?，為“星系仍在不斷誕生”的觀點提供了證據.

研究人員利用位于智利的南天射電望遠鏡觀察連接大小麥哲倫星云的氫原子氣體帶“麥哲倫橋”，并在其中距離地球約２０萬光年處發(fā)現了７個分子云.這７個分子云聚集在約６０００光年的范圍內.

通過計算這些分子云的質量和運動速度，研究人員推測，２０億至３０億年后這些分子云將演變?yōu)闅怏w和超過１００萬個恒星，從而形成小型星系.

大小麥哲倫星云是離銀河系最近的星系，而之前發(fā)現的“星系種子”都距離地球１０００萬光年以上.參與研究的名古屋大學天體物理學專家福井康雄說，此次是科學家首次在距地球如此近的地方發(fā)現分子云，為星系仍在不斷誕生的觀點提供了證據.同時，這也為近距離、詳細觀察分子云提供了可能，有助于早日解開星系形成之謎.3、新華網北京2006年10月3日電（記者顏亮）宇宙起源和命運的線索隱藏在它早期產生的微波背景輻射中.美國科學家約翰·馬瑟和喬治·斯穆特憑借他們在宇宙微波背景輻射研究領域取得的成果，將宇宙學帶入“精確研究”時代，并因此榮膺今年諾貝爾物理學獎.目前科學界普遍接受的宇宙起源理論認為，宇宙誕生于距今約137億年前的一次大爆炸.微波背景輻射作為大爆炸的“余燼”，均勻地分布于宇宙空間.測量宇宙中的微波背景輻射，可以“回望”宇宙的“嬰兒時代”場景，并了解宇宙中恒星和星系的形成過程.雖然人們在上世紀60年代就已知道微波背景輻射的存在，但針對這種大爆炸“余燼”的測量工作一開始都是在地面上展開，進展十分緩慢.大爆炸理論曾預測，微波背景輻射應該具有黑體輻射特性，但一直未能得到地面觀測結果的確認.借助1989年發(fā)射的ＣＯＢＥ衛(wèi)星，馬瑟和斯穆特領導的1000多人研究團隊首次完成了對宇宙微波背景輻射的太空觀測研究.他們對ＣＯＢＥ衛(wèi)星測量結果進行分析計算后發(fā)現，宇宙微波背景輻射與黑體輻射非常吻合，從而為大爆炸理論提供了進一步支持.另外，馬瑟和斯穆特等還借助ＣＯＢＥ衛(wèi)星的測量發(fā)現，宇宙微波背景輻射在不同方向上溫度有著極其微小的差異，也就是說存在所謂的各向異性.這種微小差異揭示了宇宙中的物質如何積聚成恒星和星系.諾貝爾獎評審委員會提供的材料介紹說，如果沒有這樣一種機制，那么今天的宇宙很可能完全不是現在這個樣子，其中的物質也許像淤泥一樣均勻分布.馬瑟和斯穆特等人實現了對微波背景輻射的精確測量，標志著宇宙學進入了“精確研究”時代.著名科學家霍金評論說，ＣＯＢＥ項目的研究成果堪稱20世紀最重要的科學成就.在ＣＯＢＥ項目的基礎上，耗資1．45億美元的美國“威爾金森微波各向異性探測器”2001年進入太空，對宇宙微波背景輻射進行了更精確的觀測.而歐洲“普朗克”衛(wèi)星不久也將發(fā)射升空，繼續(xù)提高研究的精確度.參考文獻：王義超:暗能量的幽靈.中國<財經>雜志,總176期,2007-01-08附錄1:70億光年外發(fā)現巨型星系團質量為太陽800萬億倍這張圖像是由斯必澤紅外空間望遠鏡和位于智利托洛洛山的泛美天文臺4米口徑望遠鏡獲取的數據合成的.圖中，老年星系成員被用黃色圈子圈出，而年輕成員則用藍色圈子圈出.最近天文學家觀測到一個距離地球達70億光年的巨型星系團.這個龐然大物的質量大約為800萬億個太陽質量，包含數百個星系，這使其成為在如此遙遠距離上發(fā)現過的質量最大的星系團.

盡管它的質量如此之大，但要不是注意到了它強大的引力對宇宙微波背景輻射效應造成的扭曲影響，科學家們還不會發(fā)現它.根據大爆炸理論，宇宙微波背景輻射(CMBR)是宇宙誕生時產生的輻射殘余.大爆炸發(fā)生之后，離子和電子形成了宇宙中第一批原子，并輻射出光子，這些光子在接下來的137億年中穿越廣袤的物質宇宙，最終抵達地球上的望遠鏡而被人看到.當光子穿越大質量星系團時，由于S-Z效應的作用，它將受到影響，從而改變性質.大質量星系團中大量的高能電子與宇宙微波背景輻射的光子碰撞，將其一部分能量傳遞給后者并使其成為高能光子，這一過程也被稱作“逆康普頓散射”.

利用這種效應，研究人員使用位于南極的南極望遠鏡(SPT)已經成功找到了幾個隱藏的星系團.但這次新發(fā)現的這個是其中質量最大的一個，它已經被命名為SPT-CLJ0546-5345.

因為這一大質量星系團極度遙遠，因此我們現在所看到的是它在70億年前的模樣，那時候宇宙年齡只有現在的一半，而我們的太陽系還沒有形成.但即便是這時，它的質量已經差不多和附近的后發(fā)座星系團相當，而這是我們已知密度最大的星系團之一.在那之后的漫長歲月中，天文學家估計其質量至少已經增長了4倍，這將使其成為宇宙中質量最大的星系團之一.關于這一星系團的研究細節(jié)將發(fā)表于《天體物理學快報》（AstrophysicalJournalLetters）.

但是這一星系團也表現出不尋常的一面.其內部充滿著已經看不到快速恒星孕育場面的星系，這表明這些星系都已經進入老年.這也說明這一星系團一定是在宇宙形成之后最初的20億年內便開始成型的.所配的這張圖像是由斯必澤紅外空間望遠鏡和位于智利托洛洛山的泛美天文臺4米口徑望遠鏡獲取的數據合成的.圖中，老年星系成員被用黃色圈子圈出，而年輕成員則用藍色圈子圈出.

對這樣遙遠距離上的大質量星系團的觀測數據可以幫助研究人員進一步理解暗物質和暗能量是如何影響宇宙結構的形成的.6、大爆炸理論的經典力學基礎事實上米恩在1943年就指出【1】，牛頓引力理論也能用來描述宇宙膨脹.除了不含宇宙常數項外，導出的動力學方程與弗里德曼宇宙學方程完全一樣（曲率常數等價于積分常數）.運動方程中不含任何相對論修正因子，這個結果也告訴我們，羅伯遜—沃克度規(guī)描述的實際上僅是牛頓力學意義上的時空結構.建立在羅伯遜—沃克度規(guī)基礎上的宇宙學理論在本質上是牛頓力學意義上的理論，它最多僅適用與宇宙膨脹速度大大小于光速情況下的宇宙過程.這也是在許多情況下，現有標準宇宙學理論能與實際天文觀察相一致的原因.但它不適合于描述高速膨脹情況下的宇宙過程，對于宇宙膨脹速度較大的情況，比如位于宇宙學距離上的超新星紅移問題，建立在羅伯遜—沃克度規(guī)基礎上的推論是靠不住的.參考文獻：【1】E.

A.

Milne,ANewtonianExpandingUniverse,GeneralRelativityandGravitation,Volume32,Number9,Publisher:

SpringerNetherlands,September(2000).7、大爆炸理論的廣義相對論基礎2006年6月19日，霍金在北京人民大會堂談到：“為了理解宇宙的起源，我們必須把廣義相對論和量子理論相結合.最重要的問題是理解宇宙為什么是這樣子，怎樣變成這個樣子？……宇宙起源于爆炸，時間終結于黑洞……”.研究廣義相對論，就不能不提到著名的奇點定理.在1965年至1970年之間，彭羅斯和霍金證明了廣義相對論的奇點定理，他們得出：在廣義相對論中奇點是不可避免的，即只要愛因斯坦的廣義相對論正確，并且因果性成立，那么任何有物質的時空，都至少存在一個奇點.【1】——【3】愛因斯坦宇宙模型的提出1917年，愛因斯坦發(fā)表《根據廣義相對論對宇宙所做的考查》，首次將廣義相對論應用于宇宙學.現代宇宙學由此開始.為了得到一個靜態(tài)宇宙模型，他在引力場方程中加上了一個宇宙項，得出Rμν－λgμν＝－k（Tμν－1/2gμνT）.由此愛因斯坦得出一個靜態(tài)的、有界、無邊的宇宙模型.1973年，霍金和埃利斯出版了《時空的大尺度結構》一書，這本書是霍金的一部代表作，書中的部分內容是基于霍金的Adams獎的獲獎論文.在這本書里，霍金對奇點定理做了總結，并在此基礎上，提出了關于宇宙的兩個預言：其一，大質量星體的最終歸宿是塌縮到事件視界背后的包含奇點的黑洞，即宇宙中存在黑洞.其二，我們的過去存在奇點，它構成了宇宙的開端.【4】由此可見，奇點定理為黑洞和大爆炸宇宙學提供了理論依據.毫無疑問，霍金對奇點定理的數學推導是正確的，但問題的關鍵是如何在物理上解釋這個定理.自從奇點定理提出后，一些廣義相對論的研究人員認為：既然愛因斯坦廣義相對論是正確的，根據奇點定理，奇點將不可避免，因此，物理學應該接納奇點，接納無窮大.這就是目前許多理論物理學家對奇點定理的理解.基于這種觀點，在過去的40多年里，與奇點相關的一些領域，例如黑洞和大爆炸宇宙理論得到了發(fā)展.在黑洞理論中，黑洞中心是一個奇點，在奇點處，物質的壓力無窮大，物質的密度也是無窮大，在黑洞的外面，還存在一個無限紅移面，為了避免裸奇點的出現，彭羅斯還提出了宇宙監(jiān)督假說.大爆炸宇宙學打破了“物質不滅﹑時間永恒”的觀念，提出了宇宙有開端，時間有起點的觀點.奇點定理實際上提出了一個問題，物理上究竟允許不允許出現無窮大，要回答這個問題，歷史上的經驗值得借鑒，在物理學的歷史上，只要物理理論中出現無窮大，這個理論多半就是錯誤的，或者是一件不可能發(fā)生的事情，例如：理想流體中會出現奇點，這說明理想流體理論所描述的運動，不是真實的流體運動，真實的流體有粘性.在黑體輻射公式中的紫外災難，表明Rayleigh-Jeans的公式有漏洞，因而普朗克建立了量子理論.而以光速運動的物體將具有無窮大的質量，讓愛因斯坦提出了物體運動不可能達到光速.由此可見，在物理學的其它分支，物理理論中是不允許有無窮大的結果出現.只要物理理論中出現無窮大，這個理論多半就是錯誤的.既然奇點定理得出在廣義相對論中奇點是不可避免的，那么，對奇點定理實際上還存在另一種解釋，即在愛因斯坦的廣義相對論中一定存在問題.找出廣義相對論存在的問題，找出奇點產生的根源，對愛因斯坦理論進行修正，這才是廣義相對論研究的正確方向.參考文獻【1】Penrose,R.,Phys.Rev.Lett.,1965,14p57.【2】Hawking,S.W.,Proc.Roy.Soc.Lond.1967,A300,p187.【3】Hawking,S.W.,Penrose,R.,Proc.Roy.Soc.Lond.1970,A314,p529.【4】HawkingSW,EllisGFR.Thelargescalestructureofspace-time.Cambridge:Cambridge8、大爆炸理論與現代物理學基本原理之間的矛盾現代物理學認為物質之間有四種相互作用，可是大爆炸理論沒有提及大爆炸是何種相互作用.能量守恒定律認為能量是不可創(chuàng)造，質量守恒定律認為質量是不可創(chuàng)造，電荷守恒定律認為電荷是不可創(chuàng)造,大爆炸理論認為能量、物質（質量）、電荷、空間、時間已經被一個無限小的點爆炸創(chuàng)造，并且是在四大皆空發(fā)生的，如何理解這些關系？大爆炸理論和動量守恒定律以及角動量守恒都是不相容的.從辯證唯物主義的觀點來看，宇宙大爆炸理論顯然是錯誤的，因為能量守恒和質量守恒定律是宇宙中的最基本定律，大爆炸只能使能量和質量改變形態(tài)，其數量在爆炸前后應相等，絕不可能從某個時刻開始無中生有.李新民先生提出了大爆炸理論的十個問題:1.炸出了時間的起點，產生了創(chuàng)世的哲學問題，支持了上帝創(chuàng)世的宗教學說.2.炸出了客觀規(guī)律，客觀規(guī)律的出現從創(chuàng)世的那天才有，并且在不同的爆炸階段表現不同.例如，任何物質都受大爆炸力的一個作用方向，那么任何物質都存在一個不同的慣性趨向，即物質的慣性各不同.3.炸出了絕對運動，物質粒子從靜止被炸開，從靜止開始運動，并且爆炸力驅動物質產生絕對運動.4.炸出了無窮大的能量，即提供爆炸力的能量是無窮大的.5.炸出了運動，和現有的科學理論發(fā)生沖突.即，運動不是絕對的和永恒的.6.炸出了宇宙是有限的，宇宙是從有限大小開始爆炸的.7.炸出了絕對空間.在以大爆炸為圓心的任一法線上，其物質運動矢量方向不同.8.炸出了真空空間.爆炸區(qū)域外是真空空間，宇宙正在向外面的真空空間膨脹.即空間分成兩部分，宇宙內是充滿物質和光子的空間，宇宙外是真空空間.9.宇宙暴漲，暴漲出了一個人擇的宇宙.我們的宇宙是平坦的，膨脹的，有規(guī)律可循的.而其他宇宙是驚濤駭浪，坑坑洼洼，并且和我們相鄰的宇宙，光信號無法傳達，無法聯(lián)系，不是各宇宙的光不一樣，就是各宇宙之間有一堵無法穿越的墻.10.宇宙暴漲，暴漲出宇宙有第二次點火的意志和第二次能量來源.設星系在△t內退離距離△D=V△t=HD△t；依據哈勃關系式△λ/λ=△D/D，△λ應隨時間線性增加，即該定律成立的必要條件是紅移譜線持續(xù)移動而不是紅移.取H=3×10-2m/s·光年，代入后可以得到：△λ/λ=△D/D=H△t=3×10-2m/s·光年·△t=10-10/年·△t,也就是說，任一星系的△λ/λ都將以每年10-10持續(xù)增加.60年代的觀測精度(△λ/λ～2.5×10-15)已達這個數據的4×104倍，要證明哈勃定律成立，就必須提供同一星系△λ/λ隨時間線性增加的觀測證據.近40年來，新理論與新技術的結合，相繼發(fā)現了一些不調和的紅移現象.海爾天文臺的阿普80年代末就宣稱：“我們已知有38個不調和紅移天體與24個星系相關聯(lián).這個數字之大，不允許我們將它一筆勾銷”.依據這些佐證，至少在某些情況下，關于紅移跟膨脹關聯(lián)是“唯一的”傳統(tǒng)解釋并不能成立.紅移跟運動的關聯(lián)確實并不具有唯一性：依據廣義相對論，具有強引力場的靜止物體發(fā)出的光，在引力勢較高處觀測也要紅移.60年代蘇聯(lián)專家利用穆斯堡爾效應在高度差H=22.5m的條件下，“極其精密地測得57Fe的一條γ譜線的紫移，波長相對變化僅有△λ/λ～gH/C2～2.5×10-15，與理論預告值在誤差范圍內符合”.引力頻移被精確地測量出來后，就不得不承認“引力是一種極其巨大的力量”.據此不難算出，在地球引力場中以光速通過22.5m，需時△t1=h/C=22.5m/（3×108ms-1）=7.5×10-8s.由哈勃關系△λ/λ=△D/D=H△t=10-10/年·△t；當△λ/λ～2.5×10-15時，△t2=2.5×10-15×3.15×107s/10-10=7.88×102s.即在相對頻移量相同的情況下，哈勃效應需要7.88×102s，而引力效應則只需要7.5×10-8s；故而可得引力效應/哈勃效應=7.88×102s/（7.5×10-8s）=1.5×1010.面對這樣的計算結果，由列梅特、伽莫夫等人依據哈勃定律發(fā)展而來的大爆炸-膨脹宇宙論，其基礎已經徹底崩塌而無疑.哈勃的觀測結果并沒有錯；但是這個結果只是“宇宙在膨脹”的充分條件，“宇宙在膨脹”的必要條件是紅移譜線“持續(xù)移動”而不是“紅移”.9、相對性原理和宇宙學原理的疑難在相對論體系中,一些基本原理之間的關系并不完全協(xié)調.相對性原理認為運動都是相對的，沒有什么東西能夠作為參考系來判斷宇宙是處在什么狀態(tài)之中，可是現代物理學從頻率紅移現象得出宇宙在膨脹，進一步發(fā)展為BigBangCosmology理論.愛因斯坦說：“我們也不知道，究竟是不是只有在有重物質的附近，它的結構才同洛倫茲以太的結構不大相同，以及宇宙范圍的空間幾何究竟是不是近乎歐幾里德的，但是我們根據相對論的引力方程卻可以斷言，只要宇宙中存在一個哪怕很小的正的物質平均密度，宇宙數量級的空間的性狀就必定存在著對歐幾里德幾何的偏離.在這種情況下，宇宙在空間上必定是封閉的和大小有限的，其大小則取決于（物質的）平均密度.”但是，物理學家講“就整個宇宙來說，空間的彎曲有多大呢？30多年來對此做了許多直接的測量和間接的測量，很遺憾沒有一致的結果.幾乎一半的結果支持宇宙空間是屬于三角形三內角和大于180°的類型，而另一半則認為它是屬于小于180°的類型.這種平分天下的現象使敏感的人意識到，真正的情況可能正是兩方的平均，即三內角和等于180度，宇宙空間不存在彎曲.的確，如果回到宇宙早期去考查，這種觀點就更加令人信服了.因為，即使用現代相當分散的數據，也都表明早期宇宙的空間不存在彎曲.這一結論的精度高達10-60，這可能是目前已知的一種最精確的‘不存在’.”“現代宇宙學正在努力尋求證明：我們生活的宇宙，在大尺度上必定（或非常近于）是歐氏空間.”在COBE和WMAP觀察到的‘微波背景輻射溫度譜’圖中，明顯存在有一個偶極矩.這個偶極矩被解釋為是由于銀河系中心的空間運動產生的多普勒效應.根據COBE的觀測結果，給出的數據是：銀河系中心的空間運動的速度是547km/s，運動的方向指向銀經266度，銀緯29度.然而根據標準宇宙學模型中的哈勃定律，銀河系中心是不應當存在這個空間運動.由此可見宇宙學原理從銀河系中心的這個空間運動的存在，也是不能成立的.銀河系中心的這個空間運動顯然可以理解為是相對于牛頓的‘絕對慣性參考系’的運動.關于用微波背景輻射定義的‘絕對慣性系’的物理意義，俞允強教授在他的‘熱大爆炸宇宙學’一書中有這樣的論述：‘考慮到宇宙介質和它占據的空間都在膨脹，全局性的參考系是不存在的.因為參考系須由一群相對靜止的物體組成.實際使用的參考系都只是局域的測量基準.上面講的靜止系也只是局域的.以觀測到的背景輻射為各向同性作準則，不同的地方有各自的靜止系.它們之間是隨著宇宙的膨脹而有相對運動.所以，這樣的靜止系與牛頓的絕對空間很不一樣’.英國著名學者邦迪早在1962年《物理學和宇宙學》的演說中明確提出，相對性原理要求慣性系之間沒有優(yōu)越的速度，河外星系紅移等卻具有優(yōu)越速度；滿足相對性原理的基本物理規(guī)律沒有時間方向，宇宙演化本身就給出時間方向“在宇宙學和通常的物理學之間，看來存在著明顯的沖突.”微波背景輻射發(fā)現后，問題更加突出.1971年，愛氏的學生和追隨者伯格曼在《宇宙學作為科學》一文中認為，“宇宙環(huán)境對于局部實驗的影響導致相對性原理的等效破壞.”但是，在相對論體系中分析宇觀效應的數據，仍然要用以相對性原理和龐加萊不變性為依據的基本物理量和有關物理規(guī)律.這就出現問題：在什么意義下可以利用閔氏時空和龐加萊不變性下的物理量和物理規(guī)律，來分析有關宇宙效應的數據?近似程度如何?在相對論體系中二者如何協(xié)調?通常認為，這些不協(xié)調是對于兩類不同的物理問題所引起的，不是本質的沖突.就像其他物理理論一樣，往往可以用來研究具有不同對稱性的物理系統(tǒng).然而，狹義相對論與宇宙學的關系卻并非如此：兩者都是關于時空的理論，宇宙學的基礎廣義相對論，是以狹義相對論為基礎建立起來的；而相對性原理卻又明顯與宇宙學觀測不相容.事實上一切實驗和觀測都是在我們的宇宙之中進行的，如果找不到我們的宇宙所近似滿足的寧宙學原理和相對性原理之間的關系，在宇觀尺度上，由相對論以及龐加萊不變性引申出來的觀念和理淪就會失去嚴格的基礎.何況，物理學的一個重要趨勢，是將宇觀尺度與微觀尺度的物理聯(lián)系起來，由相同的物理規(guī)律來描述.這就必須解決相對性原理與宇宙學間的不協(xié)調.然而在相對論體系中卻無法做到.其實，這種不協(xié)調甚至可以追溯到伽利略.在劃時代名著《關于托勒玫和哥白尼兩大世界體系的對話》(1632年)中，伽利略論述了在平靜水面上靜止或平穩(wěn)勻速航行的大船中，人們通過在船艙內的任何實驗和觀測，都無法發(fā)現大船是在靜止還是在航行.他以此來反駁托勒玫學派對于哥白尼學說的非難：如果地球在繞著太陽轉動，為什么我們絲毫沒有覺察?這就是后來稱之為伽利略相對性原理的著名論述.但是，伽利略要求“把你和你的朋友關在大船甲板下的主艙里面”.換句話說，實驗者不能向外觀望.顯然，如果向外觀望，就可以從大船與岸邊的相對運動，也可以通過天文觀測，來判斷大船的運動狀態(tài).如果存在“以太漂移”，即使在封閉的船艙內，也能夠判斷大船的運動.以伽利略相對性原理為基礎的牛頓體系包含著這些不協(xié)調：牛頓體系無法建立自洽的宇宙圖景，無法解決這些不協(xié)調.相對性原理要求存在慣性系,與引力無關的物理規(guī)律在慣性系之間的10個(空時平移4、推進3、空間轉動3)參數的彭加勒變換群ISO(3,1)下保持不變.對于這些慣性系而言,沒有自身優(yōu)越的速度、時間沒有方向性等等.對于我們的實驗室而言,只要不管引力和宇宙學效應,閔氏空時和彭加勒不變性就是相對論性物理學的理論和實驗分析的框架.所有實驗,都與此符合得非常好.空時測量、同時性的定義以及一些基本的物理量的定義,全都基于相對性原理和彭加勒不變性,特別是其中的空時平移不變性.在力學中,能量、動量和質量的定義和守恒,以及質能公式都與空時平移不變性密切相關.在場論中,相應的物理量和公式同樣如此;而且不同物理性質的場可以看作是彭加勒群的不可約表示,這些表示以彭加勒群的兩個卡希米算子的本征值來表征,分別是質量平方和質量和自旋的平方.第一個算子完全由平移群的生成元給出,第二個算子依賴于平移群和齊次洛倫茲群的生成元,它們共同構成彭加勒群的代數.然而,一旦這些實驗室要進行天文觀測,或者進行與宇宙背景有相互作用的實驗,而且恰恰就是要測量這些相互作用的效應,那么,這類實驗室中的觀測者就會發(fā)現:河外星系紅移表明具有優(yōu)越速度、暗示宇宙在膨脹,而宇宙膨脹給出了時間箭頭;微波背景輻射大體上可以代表宇宙背景空間的性質,不過要扣除我們的實驗室相對于微波背景輻射的“漂移”.對于這類與宇觀效應相關的實驗和觀測的結果的分析必定表明:相對性原理對于這類效應不再成立;時間反演和時間平移不變性不再存在;適當扣除我們實驗室的“漂移速度”,并忽略原初擾動、在一定近似下,宇宙背景空間是3維均勻各向同性的,具有6個參數的變換群;這樣,宇宙背景空時的度量是弗里德曼-羅伯孫-沃克度量,它依賴于標度因子和一個標記三維宇宙空間為開放的偽球、平直的歐氏空間還是閉合的球的參數k=-1,0,1,對應的對稱性分別是轉動群SO(3,1)歐幾里德群E(3)和轉動群SO(4);標度因子僅僅依賴于宇宙時和k的值,其形式由宇宙中物質分布的能量動量張量通過愛因斯坦場方程決定.在這樣的背景空時里,由于存在優(yōu)越速度和時間方向,相對性原理不再成立.這就是前面提到的邦迪和伯格曼等指出的疑難.但是,在相對論體系中分析這類宇觀效應時,又不得不用到以相對性原理和彭加勒不變性為依據的基本物理量的定義和有關的物理規(guī)律.因此,這就出現了問題:局部實驗室中的物理學和天文學家,在什么意義下可以利用閔氏空時和彭加勒不變性定義的物理量和物理規(guī)律,來分析從局部實驗室得到的有關宇宙效應的數據和信息呢?在相對論體系中如何將二者協(xié)調起來呢?通常認為,這些不協(xié)調,僅僅是對于兩類不同的物理問題所引起的,而非本質的沖突;就像其他物理理論一樣,往往可以用來研究具有不同對稱性的物理系統(tǒng).然而,應該強調的是,狹義相對論與現代宇宙學的關系并不那么簡單.首先,兩者都是關于空時認識的理論,現代宇宙學的基礎是廣義相對論,廣義相對論又是在狹義相對論的基礎上建立起來的;然而,狹義相對論的一些極為重要的性質又明顯與現代宇宙學的觀測不相容.由于我們的一切實驗和觀測都是在我們這個宇宙之中進行的,如果找不到我們的宇宙所近似滿足的宇宙學原理和相對性原理之間的關系,在宇觀尺度上,狹義相對論以及彭加勒不變的理論,就失去了嚴格的概念基礎.更重要的是,我們的宇宙是一個演化的系統(tǒng),這是相對論物理學在上個世紀對于自然科學的一個極其重要的貢獻;當今物理學的一個趨勢恰恰正是將宇觀尺度的物理與微觀尺度的物理聯(lián)系起來,由相同的物理規(guī)律來描述.這就必須解決上述狹義相對論與現代宇宙學之間的不協(xié)調.然而,在愛因斯坦相對論體系中卻很難做到.這種不協(xié)調卻值得反思.反映基本自然規(guī)律的基本原理之間應該是相互協(xié)調的.因此應該存在排除這種不協(xié)調的空間、時間和宇宙理論.這樣一來，宇宙學原理就應該成為作為相對性原理基礎的慣性運動的保障或者起源；同時，就會在滿足相對性原理的慣性系中“挑選”出一類相對“優(yōu)越的”慣性系.于是消除這兩個原理的不協(xié)調，有可能在給出慣性運動的宇宙學起源的同時，回到存在一類“優(yōu)越的”慣性系.當然，這并不意味著回到牛頓，因為牛頓體系根本不能建立自洽的宇宙圖景.其實，在馬赫對牛頓絕對空間的批判中就隱含著這一點.馬赫認為，質點不是相對于絕對空間，而是相對于整個宇宙作慣性運動：“如果我們說，物體保持其在空間的方向和速度不改變，我們的這一斷言只不過是相對于整個宇宙的簡述.”“我們怎么能夠確定這樣的參照系?只能參照宇宙中的其他物體”(《力學史評》)這就隱含著要求：相對性原理與宇宙圖景之間應該相互協(xié)調是否存在這種理論呢?愛因斯坦提出宇宙是'有限但沒有邊界'這個概念,把只在局部有限區(qū)域內成立的廣義相對論引力理論應用到宇宙學的研究中去.從數學考慮出發(fā)，宇宙是可以'有限但沒有邊界'，但是宇宙是'有限但沒有邊界'這個概念并沒有任何觀測依據.于是有些學者根據愛因斯坦'宇宙是有限但沒有邊界'這個概念提出：我們現在所處的宇宙只是個'小宇宙'，在'小宇宙'之外還存在有'大宇宙'這個概念.在所謂'大宇宙'中還存在有許多和我們所處的宇宙一樣的其它'小宇宙'.標準宇宙學模型只是描述我們所處的這個'小宇宙'的理論模型.后來的天文觀測證明，宇宙并不是如愛因斯坦假設的那樣'有限但沒有邊界'.現代天文觀測表明，即使根據標準宇宙學模型，許多理論物理學家也相信，宇宙物質的總密度應當等于1，即宇宙應當是平坦的.平坦的宇宙應當是無限的.這樣，廣義相對論引力理論'應用范圍應當是局部有限區(qū)域'的要求便無法得到滿足.如果承認宇宙是無限的，理論物理學家實際上是不留痕跡地把愛因斯坦所杜撰的密閉'死亡電梯'變成無限的宇宙.這顯然是不符合愛因斯坦當年杜撰密閉'死亡電梯'時的初衷.可是后來的天文學家和理論物理學家，在用廣義相對論進行宇宙學研究時，只注意了如何對廣義相對論引力方程從數學上進行求解，對在'無限的宇宙'中應用只在局部有限區(qū)域成立的廣義相對論引力理論是否合理似乎很少有學者加以考慮.人們把愛因斯坦在引進宇宙學原理后，從廣義相對論引力方程簡化得到的所謂宇宙學方程，認為是研究宇宙學不可動搖的基礎.Friedmann也只是去掉愛因斯坦后來又引進的宇宙學常數，從而得到了宇宙膨脹的數學解.如果在'無限的宇宙'中應用只在局部有限區(qū)域成立的廣義相對論引力理論是不合理的，顯然這樣得到的宇宙膨脹解也不可能是合理的.實際上在宇宙的不同層次結構中，可以應用俞允強教授的有心力場假設對天體運動用廣義相對論引力理論進行求解.這樣做才符合廣義相對論對適用范圍只能是局部區(qū)域這個限制要求.把只在局部有限區(qū)域成立的廣義相對論引力理論，加上宇宙學原理作為研究宇宙學的基本假設，實際上是偷偷地把只在一個局部的有限范圍內成立的廣義相對論引力理論的應用范圍，擴大到整個無限的宇宙.10、大爆炸理論與廣義相對論的矛盾《自然雜志》１９卷４期的

‘探索物理學難題的科學意義'的

９７個懸而未決的難題：６２．奧伯斯佯謬能否解決？廣義相對論認為一切參考系都等價，無法確定整個宇宙的運動狀態(tài)，可是大爆炸理論卻認為這個宇宙處于膨脹階段，如何理解這一關系？宇宙學觀測表明宇宙是膨脹著的，通過對微波背景輻射和宇宙大尺度結構等的觀測，宇宙的歷史可以追溯到極早期發(fā)生的大爆炸.我們所知的基本物理，比如廣義相對論和粒子物理標準模型，在那里都不適用.為理解宇宙起源，需要了解大爆炸時期的基本物理量，可是根據相對論時間不能倒流，如何了解大爆炸時期的基本物理量？宇宙空間是有限的還是無限的，這是古今中外思想家科學家都極為關心極為感興趣的一個問題.文獻【1】表達了一種普遍共識：相對論宇宙學“認為宇宙有限，這是對20世紀以前宇宙觀念的極大改觀.”【1】在相對論體系中，存在著一些帶有根本性的困惑.例如在彎曲時空中如何測量質量、能量、角動量和自旋等物理量？事實上，在廣義相對論中，這些物理量的測量和定義依賴于狹義相對論，特別是依賴于狹義相對論閔氏空時中的平移.然而在廣義相對論的局部閔氏空時中卻并不存在這種平移.當然，如果引力效應很弱，局部實驗室可以在一定的近似下忽略引力近似具有閔氏空時的平移.但是一個局部實驗室與宇宙尺度的現象有關的實驗和觀測，比如觀測星系紅移、測試與微波背景輻射的作用，那么局部實驗室得到的有關數據，就必然與狹義相對性原理沖突.狹義相對論的平移力不再嚴格成立.哈恩說："在宇宙大爆炸后應該有同等數量的物質和反物質.但是，今天只是物質主宰我們的地球，所以這可以解釋當我們相互握手時，為何我們不會消滅對方.如果中微子產生成自己的反粒子，這可能幫助我們了解更多關于上述不平衡現象."關于這個不平衡現象，哈恩繼續(xù)解釋說："這個實驗要問的關鍵問題是：為何我們在宇宙的一個角落中存在，只有物質而沒有反物質.宇宙學理論從超新星爆炸大紅移推得宇宙加速膨脹這一結論，使用的弗里德曼方程中用了羅伯遜-沃克度規(guī).已有人證明，該度規(guī)得出的是牛頓-伽利略速度相加規(guī)則，而不是狹義相對論的速度相加規(guī)則.英國物理學家米恩1943年甚至從牛頓力學理論導出弗里德曼方程.可見，弗里德曼方程并不適