關(guān)于大爆炸宇宙學(xué)的28問

■ 解中寧

在2300年前，中國偉大的詩人屈原在他的有名詩篇《天問》中就曾經(jīng)提出過“上下未形，何由考之”、“惟茲何功，孰初作之”的深邃設(shè)問。意思是說，宇宙在天地尚未形成之前，它又是從哪里得以產(chǎn)生？對于宇宙這樣一個如此規(guī)模的巨大工程，到底是誰最先來建造它的呢？從那時以來，人們就始終沒有間斷地上下求索，以探究宇宙的本源，試圖盡量準(zhǔn)確地回答“宇宙是如何產(chǎn)生的”這一世界性難題。

迄今為止，回答這一難題的答案成百上千，但是人們真的得到了終極答案嗎？雖然有人宣稱他們提出的有關(guān)于宇宙誕生理論的正確性已經(jīng)無可撼動，但是，在現(xiàn)有的諸多理論中，甚至是在宇宙誕生理論研究中占有統(tǒng)治地位的大爆炸宇宙學(xué)，似乎仍然沒有把宇宙誕生過程中許多關(guān)鍵的問題交代清楚。筆者也正是懷著與先人對宇宙同樣的敬畏和探索的心情，提出自己想弄明白的問題，以期得到研究宇宙學(xué)的前輩和權(quán)威們的真正解惑。

1.經(jīng)典的大爆炸理論認(rèn)為，在宇宙誕生之前沒有時間、沒有空間，也沒有物質(zhì)或能量。大約在距今137億年前，就在這真正的一切皆無的“虛無”之中，發(fā)生了一次偶然的量子漲落，形成了一個體積無限小的所謂“原始原子”。正是由這個“原始原子”的大爆炸才產(chǎn)生了今天的宇宙。但是，既然在大爆炸發(fā)生的那一刻之前，空間、時間和物質(zhì)都不存在，那么量子是如何產(chǎn)生的？又是在哪里發(fā)生的漲落？真的是無中生有嗎？

2.有人說，根據(jù)海森伯不確定性原理，可以從“虛無”中借取少許能量，而能量隨后又會自動消失，這樣就不會違反能量守恒定律。但大爆炸的結(jié)果是，那時借取的能量不僅極其巨大而且沒有隨后消失并一直存在至今。那么，又怎么解釋從“虛無”中借取能量不違反能量守恒定律呢？

3.有人認(rèn)為，宇宙誕生最初的普朗克時期及大統(tǒng)一時期僅充滿了巨大的純能量而沒有“物質(zhì)”。那么，其間1032K及1028K的極高溫是如何由純能量得到的？也有人說，這兩個時期有物質(zhì)，比如說就至少分別存在著磁單級及X玻色子。但比原子核還小得多的“原始原子”中其實連一個磁單級或X玻色子都容納不下，又如何獲得那樣極高的溫度？

4.物質(zhì)能是一種正能量，而物質(zhì)本身的引力能是一種負(fù)能量。據(jù)說二者剛好抵消，所以“宇宙的總能量準(zhǔn)確為零”（《時間簡史》）。但物質(zhì)能是一種與其質(zhì)量成正比的標(biāo)量，而引力能則是一種與物質(zhì)質(zhì)量的平方成正比而與物質(zhì)塊半徑成反比的矢量。這二者又如何剛好抵消？此外，宇宙中至少還存在著另外一種所謂的暗能量。那宇宙的總能量又怎么能準(zhǔn)確為零呢？

5.有人說，物質(zhì)是由大統(tǒng)一時期的正負(fù)X玻色子衰變后生成的夸克構(gòu)成的。但據(jù)說每一個正X玻色子衰變成109＋1個正夸克，而每一個負(fù)X玻色子衰變成109個負(fù)夸克。當(dāng)109對正負(fù)夸克湮滅之后，僅剩下1個正夸克，這就是今天宇宙物質(zhì)的來源。但問題是，這湮滅后所產(chǎn)生的能量（相當(dāng)于2×109倍物質(zhì)所具有的能量） 又到哪里去了呢？即使加上所謂的暗能量和暗物質(zhì)，現(xiàn)今宇宙中全部的能量還遠遠不及當(dāng)時正負(fù)夸克湮滅產(chǎn)生能量的一個零頭。

6.有獨立存在于物質(zhì)之外的所謂純能量嗎？有人說光子就是一種由純能量構(gòu)成的能量包，那么構(gòu)成光子能量包的能量又是一種什么能量？

7.暴脹時，所謂“正能量產(chǎn)生物質(zhì)”，而自旋為零的能量場被分工用來驅(qū)使空間暴脹。那么這兩種能量是如何產(chǎn)生的？自旋為零的能量場又是如何驅(qū)使空間暴脹的？

8.說“正能量產(chǎn)生物質(zhì)”的同一位科學(xué)家又說：“那么能量又是從何而來以創(chuàng)生物質(zhì)的呢？其答案是，它是從宇宙的引力能中借來的。”（《黑洞、嬰兒宇宙及其他》。） 誰都知道，只有物質(zhì)的存在才能產(chǎn)生引力能，那么到底是先有物質(zhì)而同時產(chǎn)生引力能還是先有引力能而后才產(chǎn)生物質(zhì)？此外，引力能被看做是一種負(fù)能量，那么又是如何由負(fù)引力能借到正能量的呢？可以合理地設(shè)想，正能量被借得愈多，負(fù)引力能反而會被愈借愈多。

9.有人認(rèn)為，“星系之間的空間本身像橡皮布一樣伸展，空間（或者更準(zhǔn)確地說是時空）在膨脹，星系騎在上面被攜帶著跑開”（《大爆炸探秘》）。那么宇宙空間的膨脹到底是如何攜帶星系運動，或者說星系是如何“騎在”膨脹的空間上運動的？

10.據(jù)說宇宙正常的膨脹過程是因為一種不同于自旋為零的能量場的暗能量斥力促使的。那么，暗能量斥力又是怎樣促使宇宙空間膨脹的？或者說，空間是怎樣像橡皮布一樣伸展的？又因為大爆炸是一種所謂的“各個地方同時發(fā)生的爆炸”（《宇宙最初三分鐘》），而按照大爆炸理論，暗能量只有在空間達到宇宙尺度的范圍時（約幾十億光年） 才能與物質(zhì)引力抗衡。那么，為什么它卻能在宇宙空間的“各個地方同時”促使空間發(fā)生“爆炸”，使“每個物質(zhì)粒子都與其他粒子分離開來”？

11.暴脹以后，現(xiàn)今存在的明物質(zhì)據(jù)說已經(jīng)由暴脹那頓免費午餐提供了（不知暗物質(zhì)是否也已產(chǎn)生？）。那時物質(zhì)密度極大，引力也極強。物質(zhì)的引力半徑要比宇宙當(dāng)時的尺度大上何止幾億倍。而當(dāng)時量子漲落的“余威”又早已減弱甚至已經(jīng)消失，促使宇宙暴脹的能量也逐漸消失了，暗能量的斥力至少還極其微弱。那又是什么力量驅(qū)動宇宙空間能夠抗拒形成黑洞的超強引力而繼續(xù)高速膨脹呢？即便是在宇宙溫度已經(jīng)降到3000K時，明、暗物質(zhì)的引力半徑仍是當(dāng)時宇宙半徑的幾十倍。為什么這個超強的引力系統(tǒng)——宇宙，同樣不會重新塌縮成“原始原子”或成為一個黑洞？

12.也有人認(rèn)為，星系鑲嵌在空間當(dāng)中，只不過是在星系間不斷地制造越來越多的空間，因此才有“任何兩個星系間的距離持續(xù)增加”（《比光速還快》）。如果真是如此，那么是“誰”在制造空間？這些空間又是如何被制造出來的？

13.如果宇宙空間以超光速膨脹，而被攜帶的物質(zhì)又不能以超光速運動，那么暴脹又怎么能解決宇宙物質(zhì)（不是僅指光子） 分布的均勻性問題呢？物質(zhì)團塊被比喻成畫在膨脹氣球膠膜上的墨點，那么隨著氣球的膨脹（即使膨脹速度再快），墨點除了會淡化外，又怎么可能在整個氣球的膠膜上被均勻化呢？

14.認(rèn)為宇宙空間的膨脹速度可以例外地不受光速的限制，這有什么理論或?qū)嶒灥母鶕?jù)嗎？或者僅是大爆炸理論的需要？

15.按照大爆炸理論，暗能量驅(qū)使空間膨脹，而膨脹的空間又將能量反過來注入暗能量，進一步增強了暗能量的所謂張力，進而保持了暗能量的能量密度不變。這種說法符合能量守恒定律和物質(zhì)不滅定律嗎？更何況暗能量的稀釋程度是一個標(biāo)量，與膨脹空間半徑的立方成反比；而暗能量張力則是一個矢量，與空間半徑成正比。那么，這兩個量是怎樣互相轉(zhuǎn)換和傳遞的？

16.光波波長真的可以被膨脹的宇宙空間拉長嗎？膨脹的空間又是如何將光波拉長的呢？有人試圖將宇宙空間和光波分別比作一塊橡皮膜和畫在橡皮膜上的波形。空間的性質(zhì)真的像一塊橡皮膜嗎？也有人試圖對宇宙空間膨脹能夠拉長光波這一命題做出純數(shù)學(xué)的證明（《宇宙最初三分鐘》），但該證明也只有在宇宙空間膨脹是勻速的條件下才能成立。事實上，大爆炸理論現(xiàn)在一直在強調(diào)，宇宙空間在六七十億年前就已經(jīng)在加速膨脹了。

17.在空間和時間尺度均為無窮的宇宙中，只要觀測設(shè)備的觀測能力足夠，我們就可以觀測到遙遠的星系。但在大爆炸的宇宙中，人們真能觀測到宇宙初期誕生星系的最原始狀態(tài)嗎？

18.有人十分詳細地描述了在宇宙誕生之初，占宇宙物質(zhì)總量4%的明物質(zhì)是如何生成的。但占宇宙物質(zhì)總量96%的暗物質(zhì)和暗能量是如何生成的？又是在何時生成的？在明物質(zhì)生成的過程中，似乎沒有給暗物質(zhì)等的生成留有任何余地。

19.有人斷言，因為暗物質(zhì)是由不同于普通物質(zhì)（如質(zhì)子、中子、電子）的粒子構(gòu)成的，所以它們與光子不會發(fā)生作用。既然明物質(zhì)引力對物質(zhì)、對光子都能產(chǎn)生作用，而暗物質(zhì)引力也能對物質(zhì)產(chǎn)生作用，那么為什么卻斷言暗物質(zhì)不能對光子產(chǎn)生作用？同樣，暗能量的斥力能對物質(zhì)產(chǎn)生斥力作用，那么暗能量是否也理應(yīng)能對光子產(chǎn)生斥力作用？

20.銀河系誕生之際也正是宇宙中星系誕生的高峰期，可是當(dāng)時宇宙空間的尺度僅有十幾億光年，該尺度中也只能容納下不多幾個超星系團的原始物質(zhì)團塊（因為原始物質(zhì)團塊要比最后生成的超星系團的尺度大得多）。那么，現(xiàn)在已經(jīng)觀測到的至少數(shù)萬個超星系團的原始物質(zhì)團塊（哪怕僅是其中的一小部分），當(dāng)時的宇宙空間又是如何容納下的呢？

21.以銀河系為例。從銀河系誕生到現(xiàn)在的100余億年來，有近30%的氫燃燒生成了氦。但時至今日，為什么銀河系中氫、氦的比例卻仍然保持著與其誕生之初的氫、氦比例基本不變？

22.宇宙誕生之初生成的氫與氦之比約為72∶28，誕生之初的星系及恒星中氫與氦之比也約為72∶28。但為什么星際及星系際氫與氦之比卻均約為 90∶10？

23.物質(zhì)引力造成宇宙時空的正曲率彎曲，而暗能量斥力又造成宇宙時空的負(fù)曲率彎曲。試問，在二者共同的作用下，宇宙時空曲率又將做什么樣的變化呢？按照大爆炸理論，宇宙空間就是在物質(zhì)引力的作用下被拉回到自身，形成所謂三維的超球面。那么，在暗能量斥力強于引力的條件下（這種情況已經(jīng)持續(xù)了六七十億年了），宇宙空間又將會演變成什么樣的空間呢？

24.宇宙空間對于輻射透明時（也就是產(chǎn)生所謂宇宙背景輻射時）其溫度大約是3000K。一，當(dāng)時應(yīng)該只能存在氫、氦等少數(shù)幾種元素的譜線。二，由當(dāng)時的熱力學(xué)溫度可以知道，其時的黑體輻射的峰值波長也只在1.2微米左右。這些輻射在被宇宙空間膨脹拉長1000余倍后，其黑體輻射的峰值波長也不超過1.5厘米。因此，上述輻射根本不能覆蓋我們現(xiàn)今探測到的黑體輻射譜（一般認(rèn)為其波長范圍為0.1厘米～100厘米）。那么，有什么理由可以認(rèn)定，我們測得的黑體輻射譜就是從最遙遠的宇宙邊際發(fā)射過來的所謂的宇宙背景輻射呢？

25.即使真的存在宇宙背景輻射，但因為產(chǎn)生宇宙背景輻射時的宇宙空間尺度相對于現(xiàn)今的宇宙空間尺度來說只是一個很小的點，或者說只相當(dāng)于一個很小的點輻射源。因此，和我們能否看到宇宙初期誕生星系的原始狀態(tài)的問題一樣，我們真能夠觀測到這個原始的點輻射源嗎？此外，既然是點輻射源，那么現(xiàn)在又怎么可能會被我們從全天域都觀測到呢？

26.如果人們都承認(rèn)星系的飛離確能引起速度紅移，而且離我們距離愈遠的星系飛離的速度也愈快，引起的速度紅移也愈大。根據(jù)愛因斯坦狹義相對論，飛離的非慣性系統(tǒng)又必然存在時間延緩效應(yīng)，因此也必然因時間延緩效應(yīng)而引起相應(yīng)的時間延緩紅移。此外，如果暗能量能夠產(chǎn)生斥力紅移，而大爆炸宇宙學(xué)又認(rèn)為由于空間膨脹又會產(chǎn)生所謂宇宙學(xué)紅移。那么速度紅移、時間延緩紅移、暗能量的斥力紅移及宇宙學(xué)紅移之間是什么關(guān)系？我們現(xiàn)在實際測到的光譜線的紅移，和上述紅移間又有著什么樣的關(guān)系？

27.大爆炸宇宙學(xué)認(rèn)為，我們這個宇宙沒有一個真實的膨脹中心。但該宇宙中的任意一點又都可以將自己看成是膨脹的中心（比如我們的地球），其他星系相對自己都在飛離，而且飛離的速度與該星系同自己的距離成嚴(yán)格的正比關(guān)系。我們姑且將這種現(xiàn)象稱為宇宙的特殊膨脹效應(yīng)（即哈勃定律及其推論）。那么，如果并不真的認(rèn)為我們的宇宙是一個吹脹氣球的表面（盡管是所謂三維的）的話，一個沒有真實膨脹中心（或者說一個沒有球心）的膨脹球體有可能獲得上述特殊的膨脹效應(yīng)嗎？

28.如果宇宙空間的加速膨脹真的存在，并且如果并不真的認(rèn)為我們的宇宙是一個吹脹氣球的表面的話，那么，大爆炸宇宙空間中物質(zhì)的分布由于宇宙空間各處膨脹速度的巨大差別（從零到接近光速），其密度應(yīng)該是沿著膨脹方向逐漸變化的。比如，距被看做中心的地球足夠遠的某點A，其密度應(yīng)該較地球所在空間為低。但事實上這種情況并不存在。反之，如果從點A看，地球所在空間的物質(zhì)密度則應(yīng)該比A點所在空間的物質(zhì)密度低。這相互矛盾的推論，是否就應(yīng)該表明宇宙的加速膨脹其實并不存在？

上面只是列舉了大爆炸宇宙學(xué)理論中存在的一小部分問題。如果該理論的信奉者們，特別是認(rèn)為該理論的地位已經(jīng)無可撼動的人們，能夠哪怕僅是從中選擇一兩個問題給予賜教，作者也將不勝感激。