关于大爆炸宇宙学的28问

■ 解中宁

在2300年前，中国伟大的诗人屈原在他的有名诗篇《天问》中就曾经提出过“上下未形，何由考之”、“惟兹何功，孰初作之”的深邃设问。意思是说，宇宙在天地尚未形成之前，它又是从哪里得以产生？对于宇宙这样一个如此规模的巨大工程，到底是谁最先来建造它的呢？从那时以来，人们就始终没有间断地上下求索，以探究宇宙的本源，试图尽量准确地回答“宇宙是如何产生的”这一世界性难题。

迄今为止，回答这一难题的答案成百上千，但是人们真的得到了终极答案吗？虽然有人宣称他们提出的有关于宇宙诞生理论的正确性已经无可撼动，但是，在现有的诸多理论中，甚至是在宇宙诞生理论研究中占有统治地位的大爆炸宇宙学，似乎仍然没有把宇宙诞生过程中许多关键的问题交代清楚。笔者也正是怀着与先人对宇宙同样的敬畏和探索的心情，提出自己想弄明白的问题，以期得到研究宇宙学的前辈和权威们的真正解惑。

1.经典的大爆炸理论认为，在宇宙诞生之前没有时间、没有空间，也没有物质或能量。大约在距今137亿年前，就在这真正的一切皆无的“虚无”之中，发生了一次偶然的量子涨落，形成了一个体积无限小的所谓“原始原子”。正是由这个“原始原子”的大爆炸才产生了今天的宇宙。但是，既然在大爆炸发生的那一刻之前，空间、时间和物质都不存在，那么量子是如何产生的？又是在哪里发生的涨落？真的是无中生有吗？

2.有人说，根据海森伯不确定性原理，可以从“虚无”中借取少许能量，而能量随后又会自动消失，这样就不会违反能量守恒定律。但大爆炸的结果是，那时借取的能量不仅极其巨大而且没有随后消失并一直存在至今。那么，又怎么解释从“虚无”中借取能量不违反能量守恒定律呢？

3.有人认为，宇宙诞生最初的普朗克时期及大统一时期仅充满了巨大的纯能量而没有“物质”。那么，其间1032K及1028K的极高温是如何由纯能量得到的？也有人说，这两个时期有物质，比如说就至少分别存在着磁单级及X玻色子。但比原子核还小得多的“原始原子”中其实连一个磁单级或X玻色子都容纳不下，又如何获得那样极高的温度？

4.物质能是一种正能量，而物质本身的引力能是一种负能量。据说二者刚好抵消，所以“宇宙的总能量准确为零”（《时间简史》）。但物质能是一种与其质量成正比的标量，而引力能则是一种与物质质量的平方成正比而与物质块半径成反比的矢量。这二者又如何刚好抵消？此外，宇宙中至少还存在着另外一种所谓的暗能量。那宇宙的总能量又怎么能准确为零呢？

5.有人说，物质是由大统一时期的正负X玻色子衰变后生成的夸克构成的。但据说每一个正X玻色子衰变成109＋1个正夸克，而每一个负X玻色子衰变成109个负夸克。当109对正负夸克湮灭之后，仅剩下1个正夸克，这就是今天宇宙物质的来源。但问题是，这湮灭后所产生的能量（相当于2×109倍物质所具有的能量） 又到哪里去了呢？即使加上所谓的暗能量和暗物质，现今宇宙中全部的能量还远远不及当时正负夸克湮灭产生能量的一个零头。

6.有独立存在于物质之外的所谓纯能量吗？有人说光子就是一种由纯能量构成的能量包，那么构成光子能量包的能量又是一种什么能量？

7.暴胀时，所谓“正能量产生物质”，而自旋为零的能量场被分工用来驱使空间暴胀。那么这两种能量是如何产生的？自旋为零的能量场又是如何驱使空间暴胀的？

8.说“正能量产生物质”的同一位科学家又说：“那么能量又是从何而来以创生物质的呢？其答案是，它是从宇宙的引力能中借来的。”（《黑洞、婴儿宇宙及其他》。） 谁都知道，只有物质的存在才能产生引力能，那么到底是先有物质而同时产生引力能还是先有引力能而后才产生物质？此外，引力能被看做是一种负能量，那么又是如何由负引力能借到正能量的呢？可以合理地设想，正能量被借得愈多，负引力能反而会被愈借愈多。

9.有人认为，“星系之间的空间本身像橡皮布一样伸展，空间（或者更准确地说是时空）在膨胀，星系骑在上面被携带着跑开”（《大爆炸探秘》）。那么宇宙空间的膨胀到底是如何携带星系运动，或者说星系是如何“骑在”膨胀的空间上运动的？

10.据说宇宙正常的膨胀过程是因为一种不同于自旋为零的能量场的暗能量斥力促使的。那么，暗能量斥力又是怎样促使宇宙空间膨胀的？或者说，空间是怎样像橡皮布一样伸展的？又因为大爆炸是一种所谓的“各个地方同时发生的爆炸”（《宇宙最初三分钟》），而按照大爆炸理论，暗能量只有在空间达到宇宙尺度的范围时（约几十亿光年） 才能与物质引力抗衡。那么，为什么它却能在宇宙空间的“各个地方同时”促使空间发生“爆炸”，使“每个物质粒子都与其他粒子分离开来”？

11.暴胀以后，现今存在的明物质据说已经由暴胀那顿免费午餐提供了（不知暗物质是否也已产生？）。那时物质密度极大，引力也极强。物质的引力半径要比宇宙当时的尺度大上何止几亿倍。而当时量子涨落的“余威”又早已减弱甚至已经消失，促使宇宙暴胀的能量也逐渐消失了，暗能量的斥力至少还极其微弱。那又是什么力量驱动宇宙空间能够抗拒形成黑洞的超强引力而继续高速膨胀呢？即便是在宇宙温度已经降到3000K时，明、暗物质的引力半径仍是当时宇宙半径的几十倍。为什么这个超强的引力系统——宇宙，同样不会重新塌缩成“原始原子”或成为一个黑洞？

12.也有人认为，星系镶嵌在空间当中，只不过是在星系间不断地制造越来越多的空间，因此才有“任何两个星系间的距离持续增加”（《比光速还快》）。如果真是如此，那么是“谁”在制造空间？这些空间又是如何被制造出来的？

13.如果宇宙空间以超光速膨胀，而被携带的物质又不能以超光速运动，那么暴胀又怎么能解决宇宙物质（不是仅指光子） 分布的均匀性问题呢？物质团块被比喻成画在膨胀气球胶膜上的墨点，那么随着气球的膨胀（即使膨胀速度再快），墨点除了会淡化外，又怎么可能在整个气球的胶膜上被均匀化呢？

14.认为宇宙空间的膨胀速度可以例外地不受光速的限制，这有什么理论或实验的根据吗？或者仅是大爆炸理论的需要？

15.按照大爆炸理论，暗能量驱使空间膨胀，而膨胀的空间又将能量反过来注入暗能量，进一步增强了暗能量的所谓张力，进而保持了暗能量的能量密度不变。这种说法符合能量守恒定律和物质不灭定律吗？更何况暗能量的稀释程度是一个标量，与膨胀空间半径的立方成反比；而暗能量张力则是一个矢量，与空间半径成正比。那么，这两个量是怎样互相转换和传递的？

16.光波波长真的可以被膨胀的宇宙空间拉长吗？膨胀的空间又是如何将光波拉长的呢？有人试图将宇宙空间和光波分别比作一块橡皮膜和画在橡皮膜上的波形。空间的性质真的像一块橡皮膜吗？也有人试图对宇宙空间膨胀能够拉长光波这一命题做出纯数学的证明（《宇宙最初三分钟》），但该证明也只有在宇宙空间膨胀是匀速的条件下才能成立。事实上，大爆炸理论现在一直在强调，宇宙空间在六七十亿年前就已经在加速膨胀了。

17.在空间和时间尺度均为无穷的宇宙中，只要观测设备的观测能力足够，我们就可以观测到遥远的星系。但在大爆炸的宇宙中，人们真能观测到宇宙初期诞生星系的最原始状态吗？

18.有人十分详细地描述了在宇宙诞生之初，占宇宙物质总量4%的明物质是如何生成的。但占宇宙物质总量96%的暗物质和暗能量是如何生成的？又是在何时生成的？在明物质生成的过程中，似乎没有给暗物质等的生成留有任何余地。

19.有人断言，因为暗物质是由不同于普通物质（如质子、中子、电子）的粒子构成的，所以它们与光子不会发生作用。既然明物质引力对物质、对光子都能产生作用，而暗物质引力也能对物质产生作用，那么为什么却断言暗物质不能对光子产生作用？同样，暗能量的斥力能对物质产生斥力作用，那么暗能量是否也理应能对光子产生斥力作用？

20.银河系诞生之际也正是宇宙中星系诞生的高峰期，可是当时宇宙空间的尺度仅有十几亿光年，该尺度中也只能容纳下不多几个超星系团的原始物质团块（因为原始物质团块要比最后生成的超星系团的尺度大得多）。那么，现在已经观测到的至少数万个超星系团的原始物质团块（哪怕仅是其中的一小部分），当时的宇宙空间又是如何容纳下的呢？

21.以银河系为例。从银河系诞生到现在的100余亿年来，有近30%的氢燃烧生成了氦。但时至今日，为什么银河系中氢、氦的比例却仍然保持着与其诞生之初的氢、氦比例基本不变？

22.宇宙诞生之初生成的氢与氦之比约为72∶28，诞生之初的星系及恒星中氢与氦之比也约为72∶28。但为什么星际及星系际氢与氦之比却均约为 90∶10？

23.物质引力造成宇宙时空的正曲率弯曲，而暗能量斥力又造成宇宙时空的负曲率弯曲。试问，在二者共同的作用下，宇宙时空曲率又将做什么样的变化呢？按照大爆炸理论，宇宙空间就是在物质引力的作用下被拉回到自身，形成所谓三维的超球面。那么，在暗能量斥力强于引力的条件下（这种情况已经持续了六七十亿年了），宇宙空间又将会演变成什么样的空间呢？

24.宇宙空间对于辐射透明时（也就是产生所谓宇宙背景辐射时）其温度大约是3000K。一，当时应该只能存在氢、氦等少数几种元素的谱线。二，由当时的热力学温度可以知道，其时的黑体辐射的峰值波长也只在1.2微米左右。这些辐射在被宇宙空间膨胀拉长1000余倍后，其黑体辐射的峰值波长也不超过1.5厘米。因此，上述辐射根本不能覆盖我们现今探测到的黑体辐射谱（一般认为其波长范围为0.1厘米～100厘米）。那么，有什么理由可以认定，我们测得的黑体辐射谱就是从最遥远的宇宙边际发射过来的所谓的宇宙背景辐射呢？

25.即使真的存在宇宙背景辐射，但因为产生宇宙背景辐射时的宇宙空间尺度相对于现今的宇宙空间尺度来说只是一个很小的点，或者说只相当于一个很小的点辐射源。因此，和我们能否看到宇宙初期诞生星系的原始状态的问题一样，我们真能够观测到这个原始的点辐射源吗？此外，既然是点辐射源，那么现在又怎么可能会被我们从全天域都观测到呢？

26.如果人们都承认星系的飞离确能引起速度红移，而且离我们距离愈远的星系飞离的速度也愈快，引起的速度红移也愈大。根据爱因斯坦狭义相对论，飞离的非惯性系统又必然存在时间延缓效应，因此也必然因时间延缓效应而引起相应的时间延缓红移。此外，如果暗能量能够产生斥力红移，而大爆炸宇宙学又认为由于空间膨胀又会产生所谓宇宙学红移。那么速度红移、时间延缓红移、暗能量的斥力红移及宇宙学红移之间是什么关系？我们现在实际测到的光谱线的红移，和上述红移间又有着什么样的关系？

27.大爆炸宇宙学认为，我们这个宇宙没有一个真实的膨胀中心。但该宇宙中的任意一点又都可以将自己看成是膨胀的中心（比如我们的地球），其他星系相对自己都在飞离，而且飞离的速度与该星系同自己的距离成严格的正比关系。我们姑且将这种现象称为宇宙的特殊膨胀效应（即哈勃定律及其推论）。那么，如果并不真的认为我们的宇宙是一个吹胀气球的表面（尽管是所谓三维的）的话，一个没有真实膨胀中心（或者说一个没有球心）的膨胀球体有可能获得上述特殊的膨胀效应吗？

28.如果宇宙空间的加速膨胀真的存在，并且如果并不真的认为我们的宇宙是一个吹胀气球的表面的话，那么，大爆炸宇宙空间中物质的分布由于宇宙空间各处膨胀速度的巨大差别（从零到接近光速），其密度应该是沿着膨胀方向逐渐变化的。比如，距被看做中心的地球足够远的某点A，其密度应该较地球所在空间为低。但事实上这种情况并不存在。反之，如果从点A看，地球所在空间的物质密度则应该比A点所在空间的物质密度低。这相互矛盾的推论，是否就应该表明宇宙的加速膨胀其实并不存在？

上面只是列举了大爆炸宇宙学理论中存在的一小部分问题。如果该理论的信奉者们，特别是认为该理论的地位已经无可撼动的人们，能够哪怕仅是从中选择一两个问题给予赐教，作者也将不胜感激。