宇宙大爆炸理论全错了吗？

2015-09-10 17:55马克·安德森姜德杰宋玲

飞碟探索 2015年7期

马克·安德森姜德杰宋玲

汉斯约尔格·法赫尔就是想有人出来证明他的观点不对。作为德国波恩大学的天体物理学教授，他冒宇宙学界之大不韪，声称人们普遍相信的、覆盖天空的微波背景辐射的亮光是宇宙大爆炸（宇宙灼热期的产物）遥远反射的观点是错的。因此，宇宙学界一直认为的，可以通过微波背景中的细微温度涨落了解早期宇宙的观点也是错误的。普通宇宙学家似乎都在做心理测验，而不是做研究。

可想而知，他的观点备受质疑。凯斯西储大学的物理学和天文学教授格伦·斯塔克曼指出：“如果你想用另一种理论替代一种成功的理论，就必须证明你的替代理论有同样全面的解释能力。在这个任务中，法赫尔及其同事没有下应该下的功夫。”法赫尔的观点立足于已在其他系统中得到证明的物理学理论，而且他们也做了一些能被检验的预测。尽管捍卫这一备受争议的观点压力巨大，但这位非传统的理论家仍然坚持他的立场。而无论他是否愿意承认，法赫尔已然成为宇宙学领域的叛逆者。

但事情并非一开始就是这样。法赫尔说，在20世纪七八十年代，他刚进行宇宙物理学研究时，是完全支持传统宇宙大爆炸模型的。那时，他致力太阳风（太阳释出的电子和质子流）及太阳系远端（太阳风撞击星际尘埃的地方）研究，在这些领域做出了重要贡献。他将这个边界区命名为“太阳风层顶”，这正是“旅行者”号行星际探测器正在探索的区域。2005年，法赫尔65岁，他的同事为此组织了一个研讨会，主题为太阳风领域的未解问题。一位在波恩大学的同事称他为“我们领域最聪明的人之一”。

在太阳风领域取得成功的同时，法赫尔还在进行一系列有悖于传统的探究。20世纪90年代，他开始意识到，宇宙微波背景的标准解释中存在奇怪的缺漏。宇宙是块状的，其间有许多巨大空隙，空隙中夹杂着狭窄的、丝状的星系和星系团。然而微波背景的温度非常稳定，其变化在1‰内。宇宙学家通常认为，微波背景的同质性反映了诞生于大爆炸后的宇宙的同质性。一开始，宇宙学家认为宇宙物质是均匀分布的，而现在，对宇宙的认知告诉我们宇宙充满空隙和丝状物。虽然其存在还未被证实，但神秘的暗物质粒子很可能在其中起到凝聚剂的作用。

没人试图通过红外线观察宇宙微波背景辐射，某种程度上是因为这非常困难。

法赫尔认为这仅仅是用一种未知来解释另一种未知，其实应该有一种更简单的解决方案。他说：“如果你真的认为有一个结构化的宇宙，就需要有与主流宇宙学不同的模型。你需要注意宇宙有孔结构和墙结构这一事实。孔结构的扩展不同于墙结构的扩展。所有这些使得宇宙比我们想象的要复杂得多。”

在这种思想的指导下，法赫尔开始寻找一种能顺理成章地解释宇宙何以像未熄灭的余烬那样在空间中四散出柔和的微波。他找到了。法赫尔谈到他的宇宙微波背景模型时说：“没有不可重组的事情。我认为微波背景辐射仅是一种宇宙本来的熵特征。”

在解释宇宙微波背景的辩论中，法赫尔与许多杰出的非传统天体物理学家为伍，他们包括著名天文学家霍尔顿·阿尔普、弗雷德·霍伊尔以及诺贝尔奖获得者汉尼斯·阿尔文。这些怀疑论者将微波背景辐射归因于遍布星系及其周围太空的气、尘和带电粒子的发光云。就像地球大气层散射阳光形成白天的蓝色天空一样，上述分子将宇宙中的星光转化成了柔和而暗淡的微波光。

这里的问题是，宇宙微波背景不像气、尘以及带电粒子那样零碎分散，而是浑然一体。很难想象上述物质及等离子体怎能融入这平滑的全方向微波光中。

2009年，法赫尔在《物理年鉴》杂志发表了一篇饱受争议的文章。在文中，他利用自己在太阳风方面的渊博知识对上述问题做出了回答。过去50年里，穿越太阳系的空间探测器已经发现，当太阳风路过行星飞往星际空间时，其中有意想不到的热、冷点。这是光子与光子湍性交互的结果。这种交互通常不可能发生，但是太阳风内的带电粒子使其成为可能。

从2009年开始，法赫尔认识到太空真空与等离子体有某种远亲关系。现代物理学将此真空描述为多泡空间，里面的虚电荷像气泡一样不断生灭。这些虚粒子一般为电子和正电子。因此，法赫尔想：如果真空是一个正负电子对等离子体，那么为什么不能在太阳风中产生同样的光子一光子相互作用呢？

如果真是这样，那么真空就成了微波背景辐射的源泉。数十亿年来流动于太空的星光光子相互作用，逐渐形成一种热平衡，并将星光热点源转化为全天辉光。法赫尔说：“这个过程非常缓慢。然而，假如你有足够时间，你就可以看到星光发射到背景的漫射。”

法赫尔说这种效应在实验室应该能观测到。如果单波长激光在真空中来回弹动超过半年，它的颜色应该开始变化，有的光子的波长会变得略长，有的会变得略短。法赫尔说：“我估计，长远来看，光子并非相互独立的，而会相互作用并将其能量重新分配给其他能量和波长。这就像一个仿真自由空间——像光子穿越太空。”

法赫尔还提出了另一种实验测试，称该测试可以判定微波背景的标准解释和替代解释孰是孰非。传统的宇宙学认为，微波背景辐射出现于大爆炸后大约30万年，宇宙冷却到透光的程度。在宇宙“复合”期前，宇宙是一个高密度不透明的等离子体，光线不能透过。等离子体复合时产生一束光，其波长呈现氢原子能级特征。这就是研究天文学等离子体行为的人都熟知的光谱线——赖曼线系。但是，在测量微波背景时还没有观测到赖曼线系存在的证据。

但这并不意味着这类线系不存在。经历了137亿年，宇宙中任何赖曼光谱线都会发生强烈的多普勒频移，且在红外光谱区域最为强烈。没有人曾试图通过红外线观察宇宙微波背景辐射，因为这是非常困难的。银河系在红外状况下比在微波背景辐射下更嘈杂，从混杂的前景银河噪声中梳理出宇宙信号更加困难。2014年的宇宙微波背景大发现在这方面引起巨大反响，当时他们声称发现了宇宙起源时产生的引力波的证据，但最后被否定了。

然而，如果科学家没能在红外区域找到赖曼光谱，这就是对当代宇宙学的又一记重拳。

我无法忍受怪人和自命不凡的傻子。当然，法赫尔绝不是这种人。

巴塞罗那大学的宇宙学家琼·索拉认为法赫尔的理论很有创新性，但同时提出质疑，说：“他的数字游戏玩得很有趣，但是不能提供一个内部一致的、可以自圆其说的完整故事。”例如，法赫尔的理论中有一个论证说，该理论能解释可观测的宇宙中光子对实物粒子的比例（100000000：1）。但是索拉指出，法赫尔在其计算中用的一个数字（宇宙中的氢氦之比）直接取自标准大爆炸理论，这使得他的论证本身前后矛盾。

法赫尔回应道，尽管大爆炸理论正确预测了氦氢比，但是一些新近的研究发现，宇宙中的氦比大爆炸理论预测的少得多，一些非大爆炸模型做出了更好的拟合。通过质疑早期宇宙核聚变产生的成分比以及对微波背景辐射的解释，法赫尔攻击了支撑标准大爆炸理论的三个证据中的两个。其第三个证据基于一个观测结果，即星系离得越远，红移就越大，这表明我们的宇宙在扩张。在其2009年的文章中，法赫尔引用1993年的一个研究，论证了非扩张宇宙中的距离一红移关系。非扩张宇宙即意味着没有发生过大爆炸。

索拉认为，对标准大爆炸模型随便提出质疑很容易演变为疯子科学。但她并不认为法赫尔是疯子，她说：“我无法忍受怪人和自命不凡的傻子。当然，法赫尔绝不是这种人……他是位真正的科学家，而且是很优秀的一位。然而，承认他是位好科学家是一回事，接受他的所有观点是另一回事。”尽管她对法赫尔的非传统宇宙学持怀疑态度，但是她认为争论本身很有价值，“只有不断挑战传统观点，科学才能进步发展。所以，继续挑战绝对是件好事”。