宇宙大爆炸理論全錯了嗎？

馬克·安德森 姜德杰 宋玲

漢斯約爾格·法赫爾就是想有人出來證明他的觀點不對。作為德國波恩大學(xué)的天體物理學(xué)教授，他冒宇宙學(xué)界之大不韙，聲稱人們普遍相信的、覆蓋天空的微波背景輻射的亮光是宇宙大爆炸（宇宙灼熱期的產(chǎn)物）遙遠(yuǎn)反射的觀點是錯的。因此，宇宙學(xué)界一直認(rèn)為的，可以通過微波背景中的細(xì)微溫度漲落了解早期宇宙的觀點也是錯誤的。普通宇宙學(xué)家似乎都在做心理測驗，而不是做研究。

可想而知，他的觀點備受質(zhì)疑。凱斯西儲大學(xué)的物理學(xué)和天文學(xué)教授格倫·斯塔克曼指出：“如果你想用另一種理論替代一種成功的理論，就必須證明你的替代理論有同樣全面的解釋能力。在這個任務(wù)中，法赫爾及其同事沒有下應(yīng)該下的功夫。”法赫爾的觀點立足于已在其他系統(tǒng)中得到證明的物理學(xué)理論，而且他們也做了一些能被檢驗的預(yù)測。盡管捍衛(wèi)這一備受爭議的觀點壓力巨大，但這位非傳統(tǒng)的理論家仍然堅持他的立場。而無論他是否愿意承認(rèn)，法赫爾已然成為宇宙學(xué)領(lǐng)域的叛逆者。

但事情并非一開始就是這樣。法赫爾說，在20世紀(jì)七八十年代，他剛進行宇宙物理學(xué)研究時，是完全支持傳統(tǒng)宇宙大爆炸模型的。那時，他致力太陽風(fēng)（太陽釋出的電子和質(zhì)子流）及太陽系遠(yuǎn)端（太陽風(fēng)撞擊星際塵埃的地方）研究，在這些領(lǐng)域做出了重要貢獻。他將這個邊界區(qū)命名為“太陽風(fēng)層頂”，這正是“旅行者”號行星際探測器正在探索的區(qū)域。2005年，法赫爾65歲，他的同事為此組織了一個研討會，主題為太陽風(fēng)領(lǐng)域的未解問題。一位在波恩大學(xué)的同事稱他為“我們領(lǐng)域最聰明的人之一”。

在太陽風(fēng)領(lǐng)域取得成功的同時，法赫爾還在進行一系列有悖于傳統(tǒng)的探究。20世紀(jì)90年代，他開始意識到，宇宙微波背景的標(biāo)準(zhǔn)解釋中存在奇怪的缺漏。宇宙是塊狀的，其間有許多巨大空隙，空隙中夾雜著狹窄的、絲狀的星系和星系團。然而微波背景的溫度非常穩(wěn)定，其變化在1‰內(nèi)。宇宙學(xué)家通常認(rèn)為，微波背景的同質(zhì)性反映了誕生于大爆炸后的宇宙的同質(zhì)性。一開始，宇宙學(xué)家認(rèn)為宇宙物質(zhì)是均勻分布的，而現(xiàn)在，對宇宙的認(rèn)知告訴我們宇宙充滿空隙和絲狀物。雖然其存在還未被證實，但神秘的暗物質(zhì)粒子很可能在其中起到凝聚劑的作用。

沒人試圖通過紅外線觀察宇宙微波背景輻射，某種程度上是因為這非常困難。

法赫爾認(rèn)為這僅僅是用一種未知來解釋另一種未知，其實應(yīng)該有一種更簡單的解決方案。他說：“如果你真的認(rèn)為有一個結(jié)構(gòu)化的宇宙，就需要有與主流宇宙學(xué)不同的模型。你需要注意宇宙有孔結(jié)構(gòu)和墻結(jié)構(gòu)這一事實。孔結(jié)構(gòu)的擴展不同于墻結(jié)構(gòu)的擴展。所有這些使得宇宙比我們想象的要復(fù)雜得多。”

在這種思想的指導(dǎo)下，法赫爾開始尋找一種能順理成章地解釋宇宙何以像未熄滅的余燼那樣在空間中四散出柔和的微波。他找到了。法赫爾談到他的宇宙微波背景模型時說：“沒有不可重組的事情。我認(rèn)為微波背景輻射僅是一種宇宙本來的熵特征。”

在解釋宇宙微波背景的辯論中，法赫爾與許多杰出的非傳統(tǒng)天體物理學(xué)家為伍，他們包括著名天文學(xué)家霍爾頓·阿爾普、弗雷德·霍伊爾以及諾貝爾獎獲得者漢尼斯·阿爾文。這些懷疑論者將微波背景輻射歸因于遍布星系及其周圍太空的氣、塵和帶電粒子的發(fā)光云。就像地球大氣層散射陽光形成白天的藍(lán)色天空一樣，上述分子將宇宙中的星光轉(zhuǎn)化成了柔和而暗淡的微波光。

這里的問題是，宇宙微波背景不像氣、塵以及帶電粒子那樣零碎分散，而是渾然一體。很難想象上述物質(zhì)及等離子體怎能融入這平滑的全方向微波光中。

2009年，法赫爾在《物理年鑒》雜志發(fā)表了一篇飽受爭議的文章。在文中，他利用自己在太陽風(fēng)方面的淵博知識對上述問題做出了回答。過去50年里，穿越太陽系的空間探測器已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)太陽風(fēng)路過行星飛往星際空間時，其中有意想不到的熱、冷點。這是光子與光子湍性交互的結(jié)果。這種交互通常不可能發(fā)生，但是太陽風(fēng)內(nèi)的帶電粒子使其成為可能。

從2009年開始，法赫爾認(rèn)識到太空真空與等離子體有某種遠(yuǎn)親關(guān)系。現(xiàn)代物理學(xué)將此真空描述為多泡空間，里面的虛電荷像氣泡一樣不斷生滅。這些虛粒子一般為電子和正電子。因此，法赫爾想：如果真空是一個正負(fù)電子對等離子體，那么為什么不能在太陽風(fēng)中產(chǎn)生同樣的光子一光子相互作用呢？

如果真是這樣，那么真空就成了微波背景輻射的源泉。數(shù)十億年來流動于太空的星光光子相互作用，逐漸形成一種熱平衡，并將星光熱點源轉(zhuǎn)化為全天輝光。法赫爾說：“這個過程非常緩慢。然而，假如你有足夠時間，你就可以看到星光發(fā)射到背景的漫射。”

法赫爾說這種效應(yīng)在實驗室應(yīng)該能觀測到。如果單波長激光在真空中來回彈動超過半年，它的顏色應(yīng)該開始變化，有的光子的波長會變得略長，有的會變得略短。法赫爾說：“我估計，長遠(yuǎn)來看，光子并非相互獨立的，而會相互作用并將其能量重新分配給其他能量和波長。這就像一個仿真自由空間——像光子穿越太空。”

法赫爾還提出了另一種實驗測試，稱該測試可以判定微波背景的標(biāo)準(zhǔn)解釋和替代解釋孰是孰非。傳統(tǒng)的宇宙學(xué)認(rèn)為，微波背景輻射出現(xiàn)于大爆炸后大約30萬年，宇宙冷卻到透光的程度。在宇宙“復(fù)合”期前，宇宙是一個高密度不透明的等離子體，光線不能透過。等離子體復(fù)合時產(chǎn)生一束光，其波長呈現(xiàn)氫原子能級特征。這就是研究天文學(xué)等離子體行為的人都熟知的光譜線——賴曼線系。但是，在測量微波背景時還沒有觀測到賴曼線系存在的證據(jù)。

但這并不意味著這類線系不存在。經(jīng)歷了137億年，宇宙中任何賴曼光譜線都會發(fā)生強烈的多普勒頻移，且在紅外光譜區(qū)域最為強烈。沒有人曾試圖通過紅外線觀察宇宙微波背景輻射，因為這是非常困難的。銀河系在紅外狀況下比在微波背景輻射下更嘈雜，從混雜的前景銀河噪聲中梳理出宇宙信號更加困難。2014年的宇宙微波背景大發(fā)現(xiàn)在這方面引起巨大反響，當(dāng)時他們聲稱發(fā)現(xiàn)了宇宙起源時產(chǎn)生的引力波的證據(jù)，但最后被否定了。

然而，如果科學(xué)家沒能在紅外區(qū)域找到賴曼光譜，這就是對當(dāng)代宇宙學(xué)的又一記重拳。

我無法忍受怪人和自命不凡的傻子。當(dāng)然，法赫爾絕不是這種人。

巴塞羅那大學(xué)的宇宙學(xué)家瓊·索拉認(rèn)為法赫爾的理論很有創(chuàng)新性，但同時提出質(zhì)疑，說：“他的數(shù)字游戲玩得很有趣，但是不能提供一個內(nèi)部一致的、可以自圓其說的完整故事。”例如，法赫爾的理論中有一個論證說，該理論能解釋可觀測的宇宙中光子對實物粒子的比例（100000000：1）。但是索拉指出，法赫爾在其計算中用的一個數(shù)字（宇宙中的氫氦之比）直接取自標(biāo)準(zhǔn)大爆炸理論，這使得他的論證本身前后矛盾。

法赫爾回應(yīng)道，盡管大爆炸理論正確預(yù)測了氦氫比，但是一些新近的研究發(fā)現(xiàn)，宇宙中的氦比大爆炸理論預(yù)測的少得多，一些非大爆炸模型做出了更好的擬合。通過質(zhì)疑早期宇宙核聚變產(chǎn)生的成分比以及對微波背景輻射的解釋，法赫爾攻擊了支撐標(biāo)準(zhǔn)大爆炸理論的三個證據(jù)中的兩個。其第三個證據(jù)基于一個觀測結(jié)果，即星系離得越遠(yuǎn)，紅移就越大，這表明我們的宇宙在擴張。在其2009年的文章中，法赫爾引用1993年的一個研究，論證了非擴張宇宙中的距離一紅移關(guān)系。非擴張宇宙即意味著沒有發(fā)生過大爆炸。

索拉認(rèn)為，對標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型隨便提出質(zhì)疑很容易演變?yōu)榀傋涌茖W(xué)。但她并不認(rèn)為法赫爾是瘋子，她說：“我無法忍受怪人和自命不凡的傻子。當(dāng)然，法赫爾絕不是這種人……他是位真正的科學(xué)家，而且是很優(yōu)秀的一位。然而，承認(rèn)他是位好科學(xué)家是一回事，接受他的所有觀點是另一回事。”盡管她對法赫爾的非傳統(tǒng)宇宙學(xué)持懷疑態(tài)度，但是她認(rèn)為爭論本身很有價值，“只有不斷挑戰(zhàn)傳統(tǒng)觀點，科學(xué)才能進步發(fā)展。所以，繼續(xù)挑戰(zhàn)絕對是件好事”。

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由于廣義相對論并未完全被證實，已成為科學(xué)界主流認(rèn)識的宇宙大爆炸理論，與其說是建立在嚴(yán)密的物理學(xué)理論基礎(chǔ)上，不如說是建立在常識的基礎(chǔ)上，這些常識就是“熱”、“爆炸”、“膨脹”。因此，有不少人認(rèn)為，這只是一個沒有科學(xué)實驗為基礎(chǔ)的猜想，是一個僅僅靠著對幾個天文現(xiàn)象（哈勃紅移、宇宙背景輻射、氫氦豐度）牽強附會的解釋發(fā)展起來的理論。

宇宙大爆炸理論對一些天文觀測的解釋并非完美。首先，天文觀測到的宇宙中存在的普通物質(zhì)比用宇宙大爆炸模型計算出來的多得多。其次，相對論認(rèn)為，引力對光的影響很大，引力可以將光彎曲已經(jīng)被觀測證實。這就有一個問題：光速在不同的引力空間都一樣嗎？這個問題的答案將直接影響對哈勃紅移的解釋。還有，即使一定要將宇宙微波背景輻射解釋為大爆炸的余燼，它一定就是整個宇宙大爆炸的余燼嗎？會不會是140億年前終結(jié)無序世界的動態(tài)黑洞爆炸留下的？氫氦豐度最有意思，宇宙大爆炸理論是根據(jù)現(xiàn)有的物理理論結(jié)合化學(xué)提出的，它當(dāng)然可能準(zhǔn)確無誤地預(yù)測現(xiàn)有星云的氫氦豐度，但140億年過去了，一切都沒有改變過嗎？