宇宙大爆炸思想的历史来源及一个遗留问题_殷业

2013年8月吉林师范大学学报(自然科学版)?．3第3期Journal of Jilin Normal University(Natural Science Edition)Aug．2013

宇宙大爆炸思想的历史来源及一个遗留问题

殷业1，崔晓静1，杨文熊2

(1．上海师范大学信息与机电工程学院，上海200234;

2．上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240)

摘要：1923年哈勃通过对星云距离的测量最终确认了河外星系的存在，后来又发现了普遍的星系红移，推测宇宙在膨胀，自然宇宙的过去比现在小，最小为零，这样宇宙大爆炸理论就渐渐地形成了．可是有一个问题一直存在：宇宙大爆炸产生的物质是宇宙的全部还是部分？可以发现当年宇宙学家们毫不犹豫地选择了前者，但现有的证据无法证明：宇宙大爆炸一定产生了宇宙的全部物质，这仅仅是个假设，标准宇宙模型是以这个假设为前提的，本文尝试从另一个思路，重新对宇宙进行考察．

关键词：宇宙学；宇宙大爆炸；宇宙模型；总星系；多宇宙理论

中图分类号：P159文献标识码：A文章编号：1674-3873-（2013）03-0040-05

0引言

1923年哈勃通过对星云的距离测量证实了河外星系的存在［1］，可想象宇宙的大小在人们的思想中从银河系扩大成了总星系．后来又发现了普遍的星系红移，如果红移是星系退行的多普勒效应产生的，那么现在的宇宙就在膨胀，自然地想到宇宙的过去应比现在小，最小为零，这样宇宙来源于一个奇点的大爆炸理论就诞生了［2］．可是在1965年彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙背景辐射前［3］，科学界真正相信宇宙来源于一次大爆炸的人并不多，更多的是把它看成茶余饭后的谈资，据说有一位科学家在一次学术会议上，告诉大家宇宙来源于一次大爆炸，结果引起哄堂大笑．但自从宇宙背景辐射发现后，绝大多数科学家相信了宇宙大爆炸理论．当人们开始认真对待宇宙大爆炸理论时它已经有近四十年的历史了，理论已经基本定型［4-6］，但有一个问题存在：宇宙大爆炸产生的物质是宇宙的全部还是部分？我们发现当年宇宙学家们毫不犹豫地选择了前者，甚至现在都无法考证，是谁第一个假设：“宇宙大爆炸产生了宇宙的全部物质”，但如果把两个假设同时给出：（1）宇宙大爆炸产生了宇宙的全部物质；（2）宇宙大爆炸产生了宇宙的部分物质．并试图用我们今天的知识和证据去证明哪一个正确时，却发现无法证明．现在的标准宇宙模型是以第一个假设为前提的［7-8］．我们完全可以以第二个假设为前提来推演宇宙，这并不会和任何现有的事实相矛盾．本文就是从这样的思想出发，对宇宙进行了新的考察．

1宇宙大爆炸思想的历史来源

根据历史，宇宙大爆炸思想主要有三个来源：（1）天文观测，如：星系红移［9］；（2）广义相对论宇宙理论［10-11］；（3）Gamow等的量子力学核合成原理［12-13］．

当哈勃发现星系存在普遍红移时，宇宙大爆炸思想就产生了，因为宇宙在膨胀，所以过去一定比现在小，它是一个简单而自然的逻辑推理，人人都有能力作出这样的判断，所以宇宙大爆炸思想并不能简单地归结为某人的发现或发明．但将大爆炸理论内容具体化和科学化却是少数科学家的功劳，最值得提到的是Gamow的αβγ论文［14］，Gamow第一个想到如果宇宙的过去比现在小，那么根据人类的热力学和统计物理学知识，物质体积缩小温度会升高，所以宇宙的过去会比现在温度高，并且1948年人类已经有足够的知识知道，核反应是有条件的，温度是主要条件，只有在一定温度条件下，某些核反应才能进行，所以根据量子

收稿日期：2013-05-13基金项目：国家自然科学基金项目（60971004），上海师范大学创新性和前瞻性项目（DYL201007）

第一作者简介：殷业（1961-），男，江苏省无锡市人，现为上海师范大学信息与机电工程学院副教授，博士．研究方向：信息理论与编码、语音信号处理、太赫兹波、物理学基础理论等．

力学的核合成原理［3］，我们可以精确地计算出在什么温度区间，某些核反应会发生，并产生什么样的元素．基于这样的思想，Gamow在他的开创性论文中，计算出了两个可以用观测实验验证的预言：（1）在宇宙大爆炸初期，约30万年左右的时间，温度条件使光子不再参与宇宙核反应，也就是说那时候的光子可以一直保留到现在．这种现象称为光子退耦，因为宇宙在膨胀，所以退耦后的光子随着宇宙的膨胀，温度下降，波长会变长，到今天，根据计算相当于2．7K的黑体辐射（Gamow当时的数据为5K左右），这就是宇宙背景辐射，宇宙背景辐射（或退耦光子）有可能被今天的仪器测量到．（2）根据原子核合成原理计算，原初核合成后，氢占76%，氦占23%，其余为极少量锂和铍，其它重元素不能在原初核合成中产生（宇宙中全部重元素只占1%左右）．所以今天我们应能测量到的氦丰度在23%左右［8］．

上述两个预言，后来都被实验证实了．1965年彭齐亚斯和威尔逊，两位来自贝尔实验室的年轻人，偶然发现他们想改做射电天文研究的通信卫星回波接收器的20英尺号角状天线上有4080MHz的额外噪声无法消除，而且是全天空各向同性的，显然它不来之于任何天体或固定信源［6］，最后确认他们发现的就是宇宙背景辐射．他们也因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖．那一年Gamow已经不在了，最可怜的是普林斯顿是迪克，他和他的小组一直在研究宇宙背景辐射，并且做了好几套设备来探测它［14］，但还是被两个无心插柳的人抢先一步，与诺贝尔奖失之交臂．1989年美国发射了COBE探测卫星，证明了在2．7K黑体辐射的全波段上，理论和实验符合，从而进一步证明了宇宙背景辐射的存在和正确．并探测到了背景辐射有微小的各向异性，这说明宇宙初期就存在非对称性，两位研究者约翰·马瑟和乔治·斯穆特因此获得了2006年的诺贝尔物理学奖［15］．同一个课题两次获奖在诺贝尔奖的历史上是唯一的，足以说明宇宙背景辐射问题的重要性．

1984年Yang等人［3］尝试实测氦丰度，以检验宇宙大爆炸理论的正确性，到1991年他们得到的实测结果是：氦丰度=23．9%?0．3，理论和结果完全一致．

广义相对论提供的是宇宙的大尺度结构理论［16-17］，这个理论从爱因斯坦1917年第一篇关于宇宙学的论文“广义相对论中的宇宙学考察”发表后就开始发展了［18-20］．主要的科学家有：爱因斯坦、弗里德曼、德西特、勒梅特、爱丁顿、罗伯逊、沃克等［21-23］，这里要特别提到勒梅特，一位比利时宇宙学家，1927年发表了一篇文章，用广义相对论给出了一个膨胀的宇宙模型，提出了宇宙来源于一个“原初原子”的爆炸理论，勒梅特的论文1931被爱丁顿发现后，翻译成英文，全世界才知道了这个理论，Gamow是1948年才发表αβγ论文，所以要找“大爆炸理论”的源头的话，应该从勒梅特开始［24-25］．

到这里可以给出“宇宙大爆炸理论”发展历史的一条时间链：1905年爱因斯坦发表了第一篇关于相对论的论文“论动体的电动力学”；1916年爱因斯坦发表了广义相对论的成熟理论“广义相对论基础”；1917年爱因斯坦发表了第一篇关于宇宙学的论文“广义相对论中的宇宙学考察”；1927年勒梅特发表了关于“原初原子”宇宙模型的论文；1929年哈勃证实了星系红移现象；1948年Gamow发表了关于“热大爆炸宇宙理论”的αβγ论文；1965年彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙背景辐射；1984年Yang等人尝试实测氦丰度，证明了理论和实验吻合；1989年美国发射COBE探测卫星，证明了在2．7K黑体辐射的全波段上，宇宙背景辐射理论和实验符合；2006年约翰·马瑟和乔治·斯穆特因分析COBE卫星数据，获得诺贝尔物理学奖，整100年，使“宇宙大爆炸理论”成为人类的主流宇宙观．

2两种可能的假设

宇宙学家们对宇宙结构和演化的种种理论猜测，在1965年宇宙背景辐射被发现之前，并没有引起科学界的广泛认可．40年代Gamow发表的“热大爆炸宇宙理论”甚至被认为是“伪科学”［3］．连“大爆炸”这个词也是霍伊尔（稳恒态宇宙模型的提出者）为了说明Gamow理论的荒唐而取的带贬义的词，宇宙学家们自己对自己的理论也信心不足，Gamow最后放弃了对“宇宙大爆炸学说”的研究，转去研究分子生物学了．在这样的情况下，不会有人在乎，理论中的一些瑕疵或不严谨．所以等到大家认真对待“宇宙大爆炸学说”时，理论已经基本定型了，几乎没有人认真思考过：为什么要把“宇宙大爆炸产生的物质看成是宇宙的全部”这个问题，可能认为是理所当然的，也可能是另一个原因：“思维惯性”，人类总是把能观察到和想到的全部当成是整个宇宙．历史上这种情况出现过很多次［9］：托勒密时代，人类将地球看成是宇宙的中心，人类能够想象的宇宙大小就是人类用肉眼能看到的地球、太阳、月亮、行星和星星，人类根本没想到外面的世界比我们眼前看到的世界大的多［24］；哥白尼时代，因为望远镜的发明情况有所改善［26］，但关于宇

宙有多大的思想并没有彻底的改观；二十世纪初人类又认为银河系可能是宇宙的全部，为此沙普利和柯蒂斯争论不休，结果事实是银河系只不过是总星系中一颗普通的星系［25］．所以从历史的角度看，人类有将现在看到的全部和能够想象到的全部当成宇宙的全部的思维习惯．由此也就不难理解，为什么几乎所有的宇宙学家都假设：“宇宙大爆炸产生了全部的宇宙物质”．然而“宇宙大爆炸理论”发展到今天，我们有必要认真地重新审视这个先验假设的合理性．摆在面前的有两个可能的选择：（1）宇宙大爆炸产生了宇宙的全部物质；（2）宇宙大爆炸产生了宇宙的部分物质．只可能有一个是正确的，那么有没有证据可以说明哪个正确？除了我们有“思维惯性”外，我们没有任何证据可以帮助我们作出选择．

尽管没有证据可以证明两种假设哪个更正确，但有一个分析方法可用，那就是“类比”［27］．卢瑟福曾用太阳系行星模型类比原子结构模型，获得了成功．我们知道宇宙中有超新星爆炸，可以进行这样的思想实验：假设我们是某巨大超新星爆炸的一部分，我们知道了我们来之于一次大爆炸，但我们的探测能力还不能远至超新星爆炸物之外，那么是否可以认为产生我们的超新星大爆炸产生了宇宙的所有物质呢？显然不能．所以虽然现在的望远镜能力有限，但我们并不能断定，宇宙大爆炸产生了宇宙的全部物质．一些科学家也提出了许多多宇宙理论，如：著名的宇宙学家霍金提出的“虫洞连接的多宇宙理论”［17］，另一些科学家提出的“平行多宇宙理论”等，但他们提出的多宇宙模型有一个共同特点“是望远镜不可观测的”，这是和本文提出的“总星系局爆宇宙理论”完全不同的地方．图1是“虫洞连接的多宇宙模型”［25］，可以看到宇宙的边缘是硬边界，在一个宇宙中的望远镜是看不到其它宇宙的，本文假设我们的宇宙是软边界，就像大气和真空的分界一样，所以是“望远镜可观测的”．

图1虫洞连接的多宇宙模型

3康德和拉普拉斯的推理

1923年哈勃证实了河外星系的存在，在这之前人类可以想象的宇宙大小就是银河系，但康德在1755年［6］、拉普拉斯在1796年［28］就预言了一百多年后才证实的河外星系的存在（图2）．今天我们面临着同样的问题，大爆炸外面存不存在外宇宙，所以有必要对康德［29］、拉普拉斯思考问题所使用的方法进行分析，得到他们超越常人的思想，并用这种思想来考察我们需要解决的问题．

图2康德的宇宙模型

康德和拉普拉斯能推知存在河外星系，其实应用的是“不完全归纳推理”．

对宇宙模型，使用不完全归纳推理如下：（1）托勒密时代，人类将地球看成是宇宙的中心，是独一无二的，结果发现地球只不过是一颗绕太阳运行的普通行星；（2）哥白尼时代，人类相信太阳是宇宙的中心，太阳是独一无二的，结果发现太阳只不过是银河系中无数恒星中的普通一员；（3）二十世纪初人类又认为银河系是宇宙的全部，是独一无二的，结果发现银河系只不过是总星系中一颗普通的星系．有一个规律：“宇宙总比人们想象的大”，很自然地推理：“宇宙大爆炸产生的总星系是宇宙的全部”是否正确？

4总星系局爆宇宙理论

如果宇宙不是一成不变的，有演化过程，就要讨论如何演化的问题？局爆是指宇宙中的局部宇宙物质的爆炸，宇宙演化与局爆相关．现代宇宙观测已经证明，恒星会爆炸．如果没有恒星的局爆，也就没有你我，因为碳元素等高原子量的原子核是在恒星局爆中产生的．有三个层次的局爆可以讨论：（1）恒星局爆；（2）星系局爆；（3）总星系局爆．第一层次的恒星局爆已是观测事实；第二层次的星系局爆可能性不大，因为如果星系来源于局爆，那么应该看到组成星系的恒星的飞散，目前的观测事实是：星系有各种形状，主要的形状是漩涡型，漩涡型显然不能用爆炸说解释，所以总星系中的星系不是由局爆演化而来的．第三层次，大爆炸宇宙学及相关的观测事实已证明，我们目前的可观测宇宙（总星系）来源于一次大爆炸．但大爆炸宇宙学认为：大爆炸炸出了宇宙中的所有物质，而总星系局爆理论认为：大爆炸只是无数总星系局爆中的普通一次［26，29］．

总星系局爆理论和宇宙大爆炸理论在本宇宙的演化描述上是相同的，不同点是：局爆理论认为我们的总星系不是宇宙中独一无二的，之所以目前我们认为是独一无二的，是因为我们的观测能力的有限，如果将来人类的观测能力增强了，一定会看到外宇宙（外总星系）．如何从望远镜中发现外宇宙，文献［30］中介绍了一种方法，其要点是：大爆炸后约50 100万年左右，光可以在本宇宙中自由穿行，本宇宙开始变得透明，如果正好在这个时候有外宇宙的光进入本宇宙，就可以在本宇宙中穿行，直到被我们的望远镜看见．但看见了外宇宙的光，并不能马上判断它一定是外宇宙，因为我们并不知道它们来自外宇宙，它们和本宇宙中的光没有区别，所以必须要有识别它们的方法．一种方法是判断我们所观测到的天体是否参与宇宙大爆炸？有一个观测窗口，即在大爆炸后的最初几亿年，恒星和星系还未彻底形成，而外宇宙是不变的天体，所以如果我们能在大爆炸后最初的几亿年中观测到不参与大爆炸后星系演化的天体，那么这个天体就可能是外宇宙．最有可能的候选天体是：某些类星体（QUASAＲ）和蓝星体（BSO）．

5结语

历史的经验告诉我们，宇宙总比人们想象的大，“宇宙大爆炸产生了宇宙所有物质”的假设是人类“思维惯性”的结果，并不能用既有事实给予严格的证明，所以外宇宙的存在是有可能的．霍金、加来道雄等提出的多宇宙模型可能是正确的，如果二十一世纪可以观测到外宇宙，那将会深刻影响物理学和宇宙学甚至整个人类．

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Historical Origin of the Thinking on Big Bang Theory

and an Unsolved Problem

YIN Ye1，CUI Xiao-jing1，YANG Wen-xiong2

（1．College of Information，Mechanical and Electrical Engineering，Shanghai Normal University，Shanghai200234，China；

2．School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China）

Abstract：E．Hubble confirmed the existence of Galaxies outside the Milky Way based on the measurement of the distance to some nebulae in1923．Later he discovered Galaxy red shift，speculated that the universe is in expansion，henceforth the Big Bang theory was created．However，there remains a problem unsolved that is whether the Big Bang created the matter of the universe in whole or in part？Cosmologists of that time choose the former without hesitation，but if the two assumptions are given at the same time，one is the Big Bang created the whole universe and the other is the Big Bang created part of the universe，it is hard to figure out which one is correct based on the proof available so far．Standard Model of Universe is generated by the first assumption．We can also examine the universe with the second assumption，which will not contradict any existing facts．Based on this idea the paper carries out a new study of the universe with the second assumption as prospect．

Key words：Cosmology；Big Bang Theory；cosmological model；metagalaxy；other universe

(责任编辑:郎集会)