起伏式宇宙模型和膨脹的逆轉(zhuǎn)

朱 臨

浙江鐵道學(xué)會 浙江 杭州 310007

0 引言

宇宙浩瀚而神秘。自從出現(xiàn)人類以來，我們的祖先就對宇宙發(fā)生了濃厚的興趣，進行了不間斷的觀察。為了解釋宇宙種種神秘的現(xiàn)象，人們從不同的角度，不同的想象，提出了種種的宇宙模型。雖然由于生產(chǎn)力水平和技術(shù)手段的限制，未能得出科學(xué)的結(jié)論，但為后人積累了寶貴的經(jīng)驗，顯現(xiàn)了應(yīng)有的教訓(xùn)。

近代以來，由于生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，宇宙研究有了多方面的進展，取得了諸如大爆炸宇宙模型等許多重大的成果。但由于宇宙的不可窮盡性，宇宙研究還有許多空白，現(xiàn)在得出的結(jié)論，也還存在許多尚需探討的問題。因此，需要繼續(xù)深入開展對宇宙的探測和研究工作。在前人工作的基礎(chǔ)上，本人提出了新的起伏式的宇宙模型。經(jīng)比較，這種模型應(yīng)當是一個可行的宇宙模型。

1 關(guān)于宇宙可能的結(jié)局

1917年，德國物理學(xué)家A·愛因斯坦發(fā)表了《根據(jù)廣義相對論對宇宙學(xué)所作的考察》，試圖根據(jù)廣義相對論方程推導(dǎo)出整個宇宙的模型。在此文中，提出了宇宙學(xué)原理——宇宙是均勻和各向同性的。1922年，俄羅斯物理學(xué)家A·弗里德曼認為，宇宙是動態(tài)的，并依據(jù)宇宙學(xué)原理，第一個求得了愛因斯坦方程的最全面和最真實的解。這個解只取決于3個參數(shù):一是哈勃常數(shù)Η，它是宇宙膨脹的速率。二是無量綱參數(shù)Ω，它是指宇宙中物質(zhì)平均密度和宇宙臨界物質(zhì)密度之比。三是宇宙常數(shù)Λ，它是和真空空間有關(guān)的能量或暗能量的值。弗里德曼指出，這3個參數(shù)之間的關(guān)系，確定了整個宇宙的演化，造成宇宙3種可能的結(jié)局。同時，物質(zhì)密度的大小Ω決定著時間—空間曲率Κ的正負。當Ω＞1，對應(yīng)的Κ＞0，宇宙像一個球面，時空是有限的。這時，宇宙的物質(zhì)充分，引力最終將使膨脹逆轉(zhuǎn)。宇宙收縮將引力能轉(zhuǎn)化為熱能，溫度開始上升，最終宇宙有可能重新出現(xiàn)大爆炸。當Ω＜1，對應(yīng)的Κ＜0，時空是馬鞍形的，無界的。宇宙中就沒有足夠的物質(zhì)逆轉(zhuǎn)大爆炸產(chǎn)生的加速膨脹，宇宙是開放的，時空是無限的，即宇宙永遠膨脹。如果溫度接近于絕對零度，最終宇宙將陷入大凍結(jié)的狀態(tài)。當Ω=1，對應(yīng)的Κ=0，時空是平直的，也是無界的。在這種情況下，宇宙將徘徊在兩個極端之間，但仍將繼續(xù)膨脹下去。物理學(xué)家依照弗里德曼的解，通過對宇宙的觀測，給出了三種經(jīng)典的假說:大擠壓、大凍結(jié)，以及兩者的臨界狀態(tài)。

①大擠壓。雖然最初的膨脹很迅速，但如果宇宙中的總物質(zhì)和能量達到一定的值，那么宇宙在膨脹到最大值后，會轉(zhuǎn)為收縮狀態(tài)，宇宙最終將會坍縮回去。這是使宇宙重生的最直接的辦法，新的循環(huán)宇宙有機會像我們的宇宙一樣演化。

②正定膨脹。宇宙中總的物質(zhì)和能量不足以逆轉(zhuǎn)膨脹。膨脹速率始終大于零。宇宙會永遠膨脹下去，最終以大凍結(jié)結(jié)尾。

③遞減膨脹。這就像是上面情況的臨界點。如果多了一個質(zhì)子，宇宙就會坍縮；少一個質(zhì)子，宇宙就會膨脹。在這樣的臨界狀態(tài)中，宇宙以最低的速率膨脹，膨脹速率逐漸趨近于零。

根據(jù)目前的測量結(jié)果，宇宙是由0.01%的輻射、0.1%的中微子、4.9%的普通物質(zhì)、27%的暗物質(zhì)和68%的暗能量所構(gòu)成。如果是暗能量主導(dǎo)宇宙的膨脹，這將影響宇宙的命運。除了先前給出的三種經(jīng)典假說，暗能量又給出了二種特別的假說。

④大撕裂。暗能量屬于空間自身的性質(zhì)，這說明，它的能量密度應(yīng)該是一個常數(shù)。但它也可能隨著時間而改變。一種可能是增強，這會導(dǎo)致宇宙膨脹速率隨著時間而加速。遙遠天體遠離的加速度也會越來越大。那些受萬有引力束縛在一起的星系團、獨立的星系、太陽系甚至原子等，都會因為暗能量的增強而在某一刻相分離。在宇宙的最后一刻，空間本身和亞原子粒子都會被撕裂。

⑤大毀滅。暗能量和真空的零點能相關(guān)，可能衰變。如果暗能量對應(yīng)的真空不是能量最低的穩(wěn)定的真正真空狀態(tài)，而是早期宇宙因?qū)ΨQ性破缺而進入的一個偽真空狀態(tài)，量子隧穿效應(yīng)會使現(xiàn)在的宇宙進入一個能量更低的狀態(tài)，而改變物理定律。在這種狀態(tài)下，無論衰變在哪里發(fā)生，都會從一點出發(fā)，以光速傳播，摧毀所經(jīng)之處的一切事物，隨之即刻摧毀現(xiàn)在的宇宙。這是宇宙所有可能結(jié)局中最具破壞性的一種。

據(jù)上，宇宙共有5種可能的結(jié)局，其中后4種皆為毀滅而不復(fù)存在，唯有前1種可以得到涅槃而重生[1]。

2 關(guān)于起伏式宇宙模型

②白洞。根據(jù)對稱性原理，有黑洞也必然存在著白洞。1964年，俄羅斯宇宙學(xué)家I·諾維科夫根據(jù)對史瓦西解的計算，提出了白洞的學(xué)說。物理學(xué)家們認為，在白洞這種神奇的天體中，也有一個封閉的邊界。和黑洞相反，白洞內(nèi)的物質(zhì)和輻射只能向外運動，而不允許物質(zhì)和輻射進入它的內(nèi)部。在白洞的中心，有一個聚集著各種基本粒子等的致密物質(zhì)團。當這個致密物質(zhì)團處于膨脹過程中時，各種基本粒子就會輻射出去。這些輻射粒子具有很高的速度。當和周圍的物質(zhì)發(fā)生碰撞時，由于其異常的劇烈，將會釋放出巨大的能量。有的物理學(xué)家認為，白洞是從黑洞轉(zhuǎn)變過來的，白洞釋放的大量物質(zhì)和能量，正是在黑洞形成時獲得的。黑洞的形成是在引力作用下發(fā)生坍縮的過程。白洞發(fā)生的過程正好和黑洞形成的過程相反。在這種過程中，白洞將會發(fā)生猛烈的爆發(fā)。

③熵量增加原理。1950年，德國物理學(xué)家R·克勞修斯提出了熵的概念。熵就是熱力學(xué)系統(tǒng)平衡態(tài)的狀態(tài)函數(shù)。熵量，則是量度粒子運動混亂、無規(guī)則、無序程度的物理量。R.克勞修斯提出熵的概念后，進而發(fā)現(xiàn)了熱力學(xué)第二定律，亦稱熵量增加原理[2]:

其中dS為初態(tài)和終態(tài)均為平衡態(tài)的某過程的熵變，dQ=-cdT，為系統(tǒng)中熱量的變化，c為熱容量，符號-表示系統(tǒng)具有負的熱容量，T為溫度，不等號＞表示不可逆過程，等號=表示可逆過程。事實上，對于某個熱力過程，不管初態(tài)、終態(tài)是否平衡，該式都成立。對于孤立系統(tǒng)，有dS＞0。可以看出，此式是在無約束的條件下得出的。在這種系統(tǒng)中，各物體是排斥性的，是一種熱力擴散性的結(jié)構(gòu)。

從式(3)可見，白洞具有的是正的能量，黑洞具有的是負的能量。在白洞、黑洞構(gòu)成循環(huán)過程的系統(tǒng)中，總的能量變化為0，能量是守恒的。同時可見，總的熵量變化也為0，熵量也是守恒的。

從式(4)可見，在局部區(qū)域，兩相鄰的白洞、黑洞并不一定兩兩構(gòu)成循環(huán)過程，但在總體上，白洞、黑洞是兩兩對應(yīng)的，因此，在整個宇宙系統(tǒng)中，能量是守恒的，熵量也是守恒的。這就是宇宙系統(tǒng)的熵量守恒定律。

從式(3)和式(4)可以看出，不但在白洞、黑洞構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)的特殊情況下，熵量是守恒的，而且在宇宙系統(tǒng)中相鄰的白洞、黑洞并不兩兩構(gòu)成循環(huán)過程的一般情況下，宇宙中的熵量也是守恒的。能量守恒定律經(jīng)過實驗的檢驗，是正確的。根據(jù)式(3)和式(4)，熵量和能量的自然對數(shù)成正比，因此，熵量守恒定律也是正確的。

⑥起伏式宇宙模型。根據(jù)式(4)的熵量守恒定律，我們可以推測到，在宇宙系統(tǒng)中，某一區(qū)域或某幾個區(qū)域有黑洞在爆炸。這種爆炸，產(chǎn)生了使某個或某幾個宇宙膨脹的物質(zhì)，包括質(zhì)量和能量。也就是說，黑洞塌縮到一定程度，將逆向轉(zhuǎn)變?yōu)榘锥础Ｍ?時，根據(jù)白洞、黑洞對稱的原理，在宇宙的另一區(qū)域或某幾個區(qū)域，也必定會有黑洞在形成。也就是說，白洞膨脹到一定程度，也將逆向收縮轉(zhuǎn)變?yōu)楹诙础?jù)此，最終將導(dǎo)致在整個宇宙中，某些目前我們不能觀測的部分，處于收縮的過程中。因此，在整個宇宙中，黑洞、白洞的形成是交錯發(fā)生，此起彼伏，此伏彼起的。這種此起彼伏的白洞、黑洞過程，不但決定了某個宇宙過去的歷程，也將影響某個宇宙的現(xiàn)在和將來。據(jù)上可以得出，我們的宇宙模型是一種起伏式的宇宙模型[4]。這個模型描述了，整個宇宙是由一個個的小宇宙組成的。正是一個個的小宇宙，構(gòu)成了整個的大宇宙。我們生活在其中的這個宇宙，就是整個宇宙中的一個小宇宙。

3 關(guān)于永遠膨脹宇宙模型的不可能存在

據(jù)此，在物質(zhì)勢能作用下，膨脹宇宙將會逆轉(zhuǎn)，開始收縮。因此，宇宙無限的膨脹是不可能的。對于多元宇宙的問題，也存在類似的情況。

4 結(jié)論

從上可見，依據(jù)起伏式宇宙模型，在宇宙5種可能的結(jié)局中，毀滅而不復(fù)存在的后4種是不可能發(fā)生的，只有前1種可以涅槃重生的大擠壓是能夠存在的。這也說明，起伏式宇宙模型是一個可行的宇宙模型。