“大爆炸宇宙学”批评

黄志洵

(中国传媒大学信息工程学院，北京100024)

“大爆炸宇宙学”批评

黄志洵

(中国传媒大学信息工程学院，北京100024)

摘要：大爆炸宇宙创生理论是以天文学家Hubble的观测为基础的，他声称已发现那些遥远的天体正远离我们而去。此即Hubble氏的宇宙扩张理论。但该理论的证据并不充分，是主观想像。宇宙爆炸理论的另一重要证据是微波背景辐射的测量数据，但它并不表示微波背景辐射温度数据一定是一次爆炸后的结果。把它看成一次原初大爆炸的余烬是勉强的。按照宇宙的定义，人们无法谈论“宇宙寿命”，只可能谈论诸如“地球的寿命”、“太阳系的寿命”和“星系的寿命”。因此我们反对不靠谱的大爆炸宇宙学，因该理论体系漏洞百出，在科学上和在哲学上均不能成立。

虽然宇宙中看来充满难于解释的力，暗物质和暗能量仍然只是两个假设。另一个假说是存在引力波，但也只是估计，实际情况可能不同。在Newton理论中引力速度是无限大，但在Einstein理论中引力传播速度和引力波波速都是光速c。广义相对论(GR)认为引力与电磁力不同，是弯曲时空的纯几何效应。但现在应思索某些不同的引力模型，例如把引力重新当作平直时空中的自然界的力的传播，从而又研究得出引力速度大于2×1010c(c是真空中光速)。虽然超光速的引力传播违反Einstein的狭义相对论(SR)，却符合Lorentz的相对性理论(LR)。

在美国，一个宇宙学家团队在2014年3月的一次新闻发布会上宣布，他们探测到了宇宙大爆炸之后最初瞬间所产生的引力波，从而导致宇宙的起源再次成为重大新闻。根据BICEP2南极望远镜团队的信息，其结果被誉为大爆炸暴涨理论及其后续理论(多元宇宙)的证明。该成果问鼎Nobel奖也在预测之中。BICEP2团队在其宇宙微波背景辐射极化图像中，确定了一个扭曲(B模式)图案，绪论是检测到原始的引力波。但在后来数月中，由来自Princeton大学和也在Princeton高等研究所的科学家们进行了认真的重新分析，其结论是BICEP2的B模式模型给出的大部分或全部最显著效应没有来自引力波的任何贡献。这种突然逆转应该让科学界认真考虑未来的宇宙学实验和理论。BICEP2事件也揭示了一个关于暴涨理论的真相；很清楚，暴涨范式是根本无法检验的，并因此在科学上是毫无意义的。

关键词：大爆炸宇宙学；Hubble红移；微波背景辐射；暗能量；引力波；暴涨理论

中图分类号：O413

文献标识码：：A

文章编号：：1673-4793(2015)01-0004-16

Abstract：the big-bang cosmogony was based on the Hubble’s astro-observation，he discovered that the remote celestial bodies are leaving far from us. It is the Hubble’s theory of expanding cosmography. But this theory lacks sufficient proof，then it should be a product of subjective idealism. Another important argument of the theory of exploded cosmogony is that measurement data on microwave background radiation，but the data can’t indicate that the temperature of microwave background radiation should be the result of once exploding. It is never the spread ember at once exploding of an original celestrial body. According to the definity of cosmos，people can’t say “the age of cosmos”，because we only can say “the age of earth”，“the age of solar system” and “the age of star system”；etc. Then，we are against these absurd views of big-bang cosmology categorically，because such theoretical system is full of flaws that both science and philosophy all can’t hold.

Keywords：big-bang cosmology；Hubble’s red shifts；microwave background radiation；dark energy；gravitational waves；inflationary theory

Criticize the Big-bang Cosmology

HUANG Zhi-xun

(Communication University of China，Beijing 100024)

Although it seems that the universe is riddled with in explicable forces，the theory of dark matter and dark energy just are two hypothesises. Another hypothesis is the exist of gravitational waves，it is just an estimate，but the actual situation might be different. The velocity of gravity in Newton’s universal law is infinite，but the gravity propagation speed and the velocity of gravitational waves in Einstein’s theory are the light speedc. The General relativity(GR) explains these features by suggesting that gravitation (unlike electromagnetic forces) is a pure geometric effect of curved space-time，not a force of nature that propagates.Moreover，now different gravity models need to be considered.For example，if gravity is once again taken to be a propagating force of nature in flat space-time with the propagation speed indicated by observational evidence and experiments：not less than 2×1010c(cis the speed of light in vacuum).Although faster-than-light force propagation speeds do violate Einstein’s Special relativity(SR)，they are in accord with Lorentzian relativity(LR).

When a US team of cosmologists announced at a press conference in March 2014 that they had detected gravitational waves generated in the first instants after the big-bang，the origins of the universe were once again major news.According to the team at the BICEP2 South Pole telescope，the results were hailed as proof the big bang inflationary theory and its progeny，the multiverse. Nobel prizes were predicted. The BICEP2 team identified a twisty (B-mode) pattern in its maps of polarization of the cosmic microwave background，concluding that this was a detection of primordial gravitational waves.But in later months，a careful reanalysis by scientists at Princeton University and the Institute for Advanced Study also in Princeton，has concluded that the BICEP2 B-mode pattern could be the result mostly or entirely of foreground effects without any contribution from gravitational waves.The sudden reversal should make the scientific community contemplate the implications for the future of cosmology experimentation and theory.The BICEP2 incident has also revealed a truth about inflationary theory.It is clear that the inflationary paradigm is fundamentally untestable，and hence scientifically meaningless.

1引言

大爆炸理论[1]认为，发生大爆炸以前并没有宇宙，也没有时间和空间，只有一个体积为无限小、密度和能量为无限大的“奇点”，处于虚无均一的状态，直到发生了诞生万物的大爆炸，宇宙才开始膨胀至今。就是说，起初只是一个点，在发生big bang以后才有宇宙这回事。尽管这看起来像是一个令人匪夷所思的神话故事，长期以来却抓住了大家的心。这个讲述宇宙起源及演化的传奇故事不仅让普通听众深信不疑，也得到了科学界的认可。故事说，在137亿年前，一次神秘的爆炸之后，宇宙出现了。关于这次爆炸，我们只知道它的强度和温度超乎人类的想象，而且某种神奇的能量促使宇宙发生急速膨胀。在非常短的时间中这团炙热均匀的流体开始变得致密，渐渐形成了原子、恒星、星系……。

这个剧本最开始只是一位比利时天文学家A.Lemaitre在上世纪20年代末提出的设想。而1948年由美籍苏联物理学家George Gamow(1904~1968)提出热大爆炸的宇宙创生学说，并预言存在背景辐射(约5K)。但起因是1929年美国天文学家Edwin Hubble(1889~1953)的观测发现，星系之间的距离在拉大而星系之间相互远离的现象正是大爆炸理论关于宇宙膨胀的标志。另一项证据是在1965年发现的宇宙微波背景辐射(CMB)，被认为这是大爆炸后经历了宇宙膨胀而冷却之后的余烬，似乎是“用大爆炸自身的辐射来证明大爆炸的发生”。……还有别的所谓证据，关键性的却只有这两个。然而大爆炸理论尚无法解释实际观测中发现的同质的、各向同性的宇宙背景辐射，亦即无法解释宇宙中相距遥远宇宙的各部分何以会有着相同的温度并发出同量的微波辐射。为了弥补这个缺口又提出了“暴涨”理论，认为极早期宇宙只有标量场才能有一种极为快速的指数式暴涨，在10-30s的极短时刻宇宙增大了1030倍，这期间的物质即以标量场为其形态，称为暴涨场。

一直以来，笔者认为大爆炸宇宙学牵强附会、漏洞百出，违反基本逻辑[2]。首先我们要问宇宙(cosmos、universe)是什么？一种定义是“空间及其中的天体和物质的总称，另一种定义是“物质世界的一切”。如承认这定义，就不存在“从一个点炸出一个宇宙”的可能性，也没有“宇宙膨胀论”、“多宇宙(平行宇宙)论”的地位……但实际情形与此相反，旧思谬识依然大行其道，并向包括儿童和青少年在内的广大人群强力灌输。笔者认为长久以来的认识(宇宙在空间方面是无边无界、在时间方面是无始无终)并不错，是“大爆炸宇宙学”错了。实际上，所谓的宇宙创生大爆炸或许从未发生过。

2无限宇宙和有限宇宙

1823年德国天文学家H.Olbers作了一个计算，认为在无限大宇宙的假定下地球接收到的无数恒星发来的光也是无限大，因而天空将十分明亮；但这却与实际不符。这样就产生了“有限宇宙”的假设。不过，今天我们知道Olbers佯谬是可以解释的。例如上海学者季灏指出[3]，宇宙空间中众多物质(小天体、气体、宇宙微粒、尘埃、氢原子等)对光的吸收和散射，使到达地球的恒星光大为减少。计算表明大量恒星照到地球上的光通量比太阳的照射小至少9个数量级，故Olbers的说法并不能否定宇宙具有无限尺度的可能性。天文学告诉我们，宇宙中大多数物质不发光，这是非常重要的一点。

1922年Einstein[4]说：“我们可以列出以下论点，来反对空间无限(space-infinite)宇宙的观念，支持空间有界(space-bounded)宇宙或者闭合宇宙的思想：①从相对论的观点来看，假设一个闭合宇宙比假设宇宙的准Euclid结构在无穷远处的相应边界条件，要简单得多。②Mach所表达的惯性取决于物体之间的相互作用的思想，在一级近似下包含在相对论的方程之中。从这些方程可以推知，惯性至少部分地决定于物质之间的相互作用。由此，Mach的思想很有可能得胜，因为假定惯性部分取决于相互作用，部分又取决于空间的独立性质，是不会令人满意的。但是Mach的这一思想只对应于空间上有界的有限宇宙，而不对应于准Euclid的无限宇宙。从认识论的观点来看，假定空间的力学性质完全取决于物质更能使人满意，这只是闭合宇宙中的情形。③只有当宇宙中物质的平均密度为0时，无限宇宙才是可能的。尽管这种假定在逻辑上可行，但是与宇宙中的物质存在有限平均密度的假定相比则不大可能。”

以上理由，最重要的是③；但Einstein承认无限宇宙“在逻辑上可行”，他假定宇宙中物质平均密度为大于零的有限值。

2001年俞允强[1]指出，按照广义相对论(GR)宇宙空间可能是无限的，也可能是有限的。现在对无限或有限的问题尚无明确答案，或许今后天文学家会给出回答。

人们都知道宇宙非常大，但不清楚它究竟有多大。1999年初美国天文学会宣布，Hubble太空望远镜的观测表明宇宙有1250亿个以上的星系，其中包括银河系。而银河系包括有2000亿个～4000亿个恒星，太阳仅是其中之一。那么宇宙是否无限大?这是一个无法用实验加以证实(或证伪)的问题。但从逻辑上讲，人们会这样提出问题：“如果宇宙有边界，那么界外是什么？”就笔者个人而言，仍然持“无限宇宙”的观点；而这也是许多科学家的观点。

3对科学史实的回顾

大爆炸宇宙学(big-bang cosmology)是现代宇宙学中的主流学说，它是20世纪40年代末提出的，认为最初的宇宙状态是高密度、高温(约1010K)的；那时没有任何元素，只有粒子态物质(质子、中子、电子、光子、中微子)，它们处于热平衡状态。发生于大约137亿年前的大爆炸开始了宇宙演化进程。发生后3min，温度约109K，中子可与质子结合为氘。这时，开始形成各种化学元素。随着时间的推移，宇宙迅速膨胀，温度迅速下降。到106K时，形成化学元素的过程也结束了。数万年后，温度降为几千度，宇宙间充满气态物质，从气云又发展了星体，出现了恒星等。大爆炸学说的信奉者认为该理论解释了氦(He)在地球上很少而在天体上却很多的现象，因为在宇宙早期曾有大量产生氦的时期。

然而该理论的起源是由于Hubble的工作，他在Wilson山天文台(Mt.Wilson Observatory)的发现是，如果光谱红移是由于星系退走，后退星系的视速度(apparent velocities)与距离d成正比：

V=Hd

(1)

式中H叫Hubble常数。Hubble的这个工作是由于1930年完成的观测，如图1所示，横坐标是星系距离(1秒差距=3.26光年)，纵坐标是星系退行速度，图中的点子是从不到20个星系的观测得到的数据。图2是对Hubble定律的近代观测，左下方的小方块代表图l的范围；图2的横坐标用视星等代替距离，纵坐标(RF·c)表示红移与光速的乘积，代表速度。1930年，Einstein正巧来到Wilson山天文台，Hubble向他介绍了由观测产生的“膨胀宇宙”观点……那么，倒推回去会怎样?1948年4月1日出版的Physical Review杂志刊登了G.Gamow和他的学生R.Alpher合写的文章，提出了大爆炸宇宙论的核心内容。但“big bang”一词是英国天文学家F.Hoyle提出的。以后的研究者有J.Peebles等人。自大爆炸发生降温过程延续到今天，Peebles认为这种宇宙背景辐射温度还有10K，而Alpher等人认为只有5K。

图1　Hubble定律的观测依据

图2　Hubble定律的近代观测

1964年春，美国Bell实验室(BTL)的A.A.Penzias和R.W.Wilson在测量银晕气体的射电强度时，发现有无法消除的本底噪声。就是说，系统的总噪声温度(6.7K)比已知各噪声源之和总是高出2.5K~4.5K(平均值3.5K)。他们测量了好几个月，结果总是一样。这项噪声的强度与周日、季节无关，即与地球的自转、公转没有关系。他们怀疑是天线本身的问题，遂于1965年初对天线拆卸检查，清除了里面的鸽子窝等。几经努力后仍然存在该项噪声，他们遂于同年7月发表了这项观测没有明显天体的宇宙区域的结果，论文题目是“在4080MHz的额外天线温度的测量”。这个频率对应的波长是7.348em，是重要的厘米波段，也叫C波段。那么为什么在波长较长(例如米波)时没有这种现象? 这是因为在米波段银河系辐射强，因而掩盖了背景辐射的存在。这项测量的消息传到美国Princeton大学以后，Peebles认为这就是人们正想测量的宇宙背景辐射温度。在同期杂志上，他们发表了题为“宇宙黑体辐射”的论文，解释了两位工程师的测量结果。后来经过微波界、天体物理界的专家们共同讨论，来自宇宙的微波背景辐射被确定为2.7K，其性质是各向同性的，1983年，美国开展了对2.7K背景辐射的各向异性的测量研究，实验证明各向异性很小。Penzias和Wilson由于其工作获得了1978年Nobel物理奖，是在其发现3.5 K剩余天线温度(噪声温度)14年后，这十多年里发现此现象在许多波长上存在。1989年COBE卫星用大量数据证明辐射曲线与黑体辐射曲线吻合，主流物理学界便断定这是来自宇宙早期的遗迹。

美国航天局(NASA)的Hubble太空望远镜(HST)在高度600km的绕地球轨道上运行，这给美国天文学家提供了强有力的工具去观测宇宙。对Ia超新星的距离与退行速度的测量，距离仍按辐射光谱红移推算，可得图3；图中小圆圈是数据，直线代表等速膨胀时的斜率。由于多数点子在直线上方，这被认为是“星系加速退行”(或说“宇宙加速膨胀”)的直接证据……但这里仍然使用了Hubble定律。

图3　NASA提出的“宇宙加速膨胀”证据

现在看大爆炸宇宙学与GR理论的关系。1915年，A.Einstein提出引力场方程[5]：

(2)

式中：T是引力源的动量—能量张量；gμν是时空度规；Rμν、R是由度规及其微商组成的张量。等式左方第3项被称为宇宙学项，λ被称为宇宙学常数。近年来，λ又被称为排斥因子。由于取λ=0方便于方程的求解，故Einstein场方程也写为

(3)

式中：g是度规张量；R是曲率张量；k是与Newton引力常数成正比的系数，即

(4)

1921年Einstein在美国Princeton大学讲学时即取式(3)而演讲的[4]。

1917年，天文学界认为多数旋涡星云都以巨大的速度相对银河系而退走。但恰在这个时期，Einstein发现只有取λ>0，在物理意义的解释上才能使宇宙学项相当于斥力场，以便与引力场平衡获得静止宇宙。1923年A.S.Eddington指出，为了解释星系光谱红移所表示的动态膨胀宇宙，应取λ=0；Einstein同意了这个意见。而近年来天文学界一直报告说“宇宙加速膨胀”，故又回到了λ>0。这些情况表示主流意见是把GR理论与大爆炸宇宙学绑在一起的。我们认为应当了解Einstein本人的态度。1945年Einstein在《The Meaning of Relativity》一书第二版的附录(“关于宇宙学问题”)中说[4]：“假如Hubble膨胀在广义相对论创立之时已被发现，那么宇宙学项决不会被引入。”又说：“有些人试图不用Doppler效应来解释谱线的Hubble红移，但在已知物理事实中没有证据支持这种想法……我们只能把Hubble的发现当作恒星系的膨胀……应当认真对待膨胀宇宙(expanding universe)这一思想。”对于GR理论，Einstein认为“不能指望场方程适用于场和物质密度都非常高的情况；场方程在这样区域内可能失效。”可是，“‘宇宙之初’确实构成了一个起点，在这一些点上恒星与恒星系还未作为独立事物而出现。”考虑到Finstein的这些说法，加之1970年R.Penrose和S.Hawking曾证明，只要广义相对论正确，必定有过大爆炸奇点；可以认为GR理论与大爆炸学说是一种相辅相成的关系。

4《宇宙最初三分钟》质疑

2001年俞允强[1]写道：“在3K背景辐射发现以来的30余年中，热大爆炸宇宙理论已取得了无可争议的成功，这是事实。但成功的事实不要掩盖其弱点，……尚不能回答的问题远比已有答案的问题多”。在同一书中，把宇宙定义为“物质世界的一切”，说“它是人类所面对的最巨大的客体”。……笔者虽然一直对大爆炸宇宙学持怀疑态度，但对俞先生的上述说法是同意的，只是“无可争议的成功”这句话除外。我们认为大爆炸理论是西方科学界的一个学派，它有许多值得玩味的思想；但说它已是事实和真理则为时过早。

自然界为人类提出了许多难解的谜，宇宙起源问题是其中最大谜团之一。一些西方科学家认为已找到了答案，笔者则认为尚不能令人信服。试以Steven Weinberg为例，这位1979年Nobel物理学奖获得者于1977年出版了《The First Three Minutes》一书[6]，1993年再版。从该书的分章和内容来看，科学家们不仅洞悉了大爆炸以后3分钟的全部情况，甚至对“最初百分之一秒”的情形也很清楚。这是令人匪夷所思的事；如果今天我们还承认“物理学是建立在大量实验事实基础上的科学”，那么仅凭Hubble红移和2.7K微波背景辐射，就得出那么多惊天动地的认识和结论，岂非太过简单化了？！

Weinberg[6]承认：“我们实际上并没有观测到迅速远离地球而去的星系；我们能肯定的是光谱中的线向红端偏移，即向较长波长的偏移”。因此，笔者认为无论“宇宙膨胀说”，或“宇宙源于一个点的爆炸”说，都仅仅是联想和推论，而非确定的实验事实。实际上人类无法去做那种实验，因为根本不可能做直接的宇宙起源实验。既如此，一种理论或假说凭什么任何人都该接受？……当然，Weinberg提出了“确认星系正在分离的独立方法”，说“有大量证据表明星系约为100~150亿岁，与红移解释基本一致”。但这与近年来的天文学观测并不符合——如往前推137亿年，那时已有星系，而且其已存在了数十亿年；因此他的辩护显得软弱无力。近年来，在遥远的类星体和星系中已经探测到许多金属，如果距离与年龄有关，那么这意味着许多最古老、最遥远的星系富含金属，而这违背了大爆炸理论的预言，这意味着宇宙中有一些完全成形的遥远星系，年龄比大爆炸还要古老。

大爆炸宇宙论认为时间有一个起点；尽人皆知，这样讲十分牵强难以服人。Weinberg知道这个问题回避不了，他说：“尽管我们不知道是否的确曾有过一个开端，但这至少在逻辑上是可能的，而且在那一时刻之前，时间本身是没有意义的。我们都已习惯了绝对零度概念。将任何东西冷却到-273.16℃以下都是不可能的，这不是因为太难或是因为没有人想到制造一种非常合适的冰箱，而是因为低于绝对零度的温度是没有意义的——绝对不可能有低于无热的热量。同样，我们或许也应去习惯绝对零时间这一思想——在过去的这一时刻之前，在原则上讲是不可能追溯任何因果链的。这个问题仍有待商榷，也可能将永远值得商榷。”

这段话的意思是说，时间起始点(t=0)可以存在；而且，不应该问“t=0这个起点之前是什么？”这种情况正如温度的起始点(T=0)存在，而不应询问“T=0这个起始点温度以下是什么？”因为不存在T<0的负温度。……然而我们不得不指出，Weinberg这样讲完全错了！

热力学系统的绝对温度为[7]

(5)

式中U是内能，S是熵；若∂S/∂U<0，则T<0，是负温状态。热力学第三定律决定了一个热力学系统总有T>0，T=0都不可能；因此超低温技术尽管可以不断降温，但即使获得10-6K，也得不到绝对零度(T=0K)。

但在理论上后来有了新变化；对双能级核自旋的量子统计计算证明，在T>0区域，当T增大时U、S都随之单调增加。在T为无限大(T=∞)，S达到极大。此后系统进入负温态，此时U增大而S减小。因此负温比正温“更热”！当然，要实现负温度需满足某些条件，但负温度状态是存在的。例如自20世纪50年代以来，量子放大器(MASER)技术迅速发展；在固体量子放大器的三能级原理中，使用的顺磁物质在直流磁场作用下会发生能级的分裂，现在考虑最低的3个能级。在热平衡时，各能级上的粒子数目分布遵守Boltzman的规律，即能量较小(能级图中偏低)的粒子数多，而能量较大(能级图中偏高)的粒子数少。这相当于一种“正温度分布”，见图4；因此，在给定的磁场强度下，可以在3个谐振频率(f12、f23、f13)上观察到顺磁谐振吸收的现象。

图4　在热平衡状态下，顺磁晶体中不同能级粒子数的正常分布(正温度)

假定从外界注入泵频为f13的高频(微波)能量，则N1减少，N3增多。能量增大到一定程度，会造成N1=N3的局面，这叫“饱和”。现在，N2有两种可能：或小于N1(N3)；或大于N1(N3)。假定N2

图5　注入f13的泵能量后，顺磁晶体中不同能级粒子数的反常分布(负温度)

如果N3与N2的差别不大，辐射输出一定小，适于用作放大器。用频率为f23的微弱信号激励顺磁晶体，它会发出与f23相同的能量子，从而加强了信号。这就是量子放大器的原理。

图5显示了负温度状态的作用。或许有人会说这是虚拟概念，T<0仍是无意义的(用此类比大爆炸宇宙论中的T<0无意义)。然而2013年末有报道说[8]，《Nature》杂志评出该年10大科学成就之一为：实现了使量子气体的温度达到绝对零度以下(T<0)，从而为负温度材料的出现铺平了道路。……无论如何，说“时间有起点”必导致悖论，是不可取的。

1967年Weinberg提出统一电磁作用和弱作用的量子场论，把二者用一个严格成立的对称原理联系起来；这导致他获得了1979年Nobel物理学奖(和A.Salam、S.Glashow一起)。但这位受人尊敬的科学家对宇宙学的论述却不能说是成功的；他的书《宇宙最初三分钟》，作者似乎不仅洞悉宇宙的创生，还清楚创生后3min内的细节。这真令人无法相信。人们在大自然面前还没有学会谦虚。……他的书名也不确切，其实应为《假如使宇宙创生的大爆炸真的发生过，最初3分钟内可能出现的情形》；这个书名虽太长但却准确。总之，科学家(即使获得过Nobel奖)不可把自己当作无所不知的上帝；实际上自然界本身才是上帝。

5“大爆炸宇宙学”不能成立的更多理由

“大爆炸”是一个优美动听、构思巧妙的故事。凭借三个观测证据的支撑，“大爆炸”理论很早就已成为关于宇宙起源的权威学说。然而，该学说现在已经出现了一些裂痕；而且，这些裂痕还越来越大。追本溯源，大爆炸假说主要来自“随时间增加宇宙不断膨胀”的判断，而这个判断来自以下推理——光谱红移表示星体(或星系)发出的光波频率在不断降低，从Doppler效应来看这是由于“星系在离我们而去”。但在实际上并没有人真正观测到“星系远离我们而去”，因而问题在于是否有别的原因造成光谱红移。为解释Hubble红移，历史上有过“光子衰老假说”，认为光在传播过程中频率会变化；这一假说没有得到认同。近年来又出现了一种新形式的光子衰老假说[9]，认为在传播过程中光子会被引力“红化”，而“途中引力红移与距离成正比”。这就表明“膨胀”并非造成Hubble红移的唯一可能原因。还有一种看法认为[10]，由于发光天体的形状各式各样，发出的电磁波不是平面波，频率不变波长却不是常数，而是随传播距离加大而缓慢地变长，从而造成谱线红移。虽然这些看法尚有待证实，但也说明造成红移不能仅用“星系退走”而解释。

2002年俞本立[10]指出，要判断遥远天体是否退行，要具备下列几个方面的证据：①该天体的横向速度远小于视向速度；②测得该天体的亮度减弱了；③该天体辐射在地球上引起的温度附加值降低了；④要测量各个方向天体间的横向距离是否增大了。可是在Hubble的理论中，上列四条理由，一条也没有举出来。如果说，基于某种理由推断天体正在远离我们而去，那么为什么不可以设想为该天体电磁波谱中的红光成份和红外线成份增多了，这就意味着它在地球上引起的温度附加值升高了，这样岂不是表明它正在向地球靠近，从而得出宇宙正在收缩了么？！……总之，仅靠红移这一点作判断是十分不够的。

笔者认为，判断“大爆炸宇宙论”是否正确未必需要丰富的天文学知识，仅靠逻辑思维即可发现问题——说“宇宙起源于大爆炸”，而且发生于一个点；那么爆炸尚未发生时该点位于何处?如说它“在空间的某处”，这空间岂不就是宇宙吗?“由大爆炸创生宇宙”就说不通。另外，大爆炸发生之前是什么状况?虽然许多主流的科学著作不许人们提这个问题，问题却依然存在。还有，说“宇宙不断在膨胀”，隐含着宇宙有边界(只是边界不断向外扩展)，那么边界以外又是什么，那里不也是宇宙吗?如定义宇宙是物质世界的“一切”，就不可能是一个在“不断膨胀着”的宇宙，对Hubble红移不妨另找解释。此外，对“宇宙年龄”的估算也是不合逻辑的、多余的。人们可以讨论某个天体的年龄，却无法讨论“宇宙的年龄”，这是由宇宙的定义所决定的。至于微波背景辐射，这一实验现象尚不能成为“发生过大爆炸”的铁证，因为使用别的理论假说也可能解释该现象。

总之，“由一个点炸出一个宇宙”的理论令人难以接受，就连S.Hawking也承认它使人“反感”。虽然近年来媒体反复报道说：“科学家证实宇宙仍在持续膨胀”……这里仍旧存在含糊不清之处。过去的有关文献常说“宇宙正在加速膨胀”[11]，“星系在远离”；现在却有另一种说法：“星系本身并不移动，而是星系之间的空间加速膨胀”……这些矛盾的说法说明主流的宇宙学不是一种成熟的理论。能量、物质可以凭空创造和产生，这种理论一望而知不可相信。而且，这种说法几乎与“上帝创世说”没有区别。

对大爆炸学说及其不容讨论的主流学术地位的不满由积累而爆发——2004年5月22日英国《New Scientist》杂志发表了34位科学家签名的“致科学界的公开信”，对大爆炸学说提出质疑，认为该理论越来越多地以一些假设和未经证实的观察作为自己的论据。这里摘录一些内容：

“如今，大爆炸理论越来越多地以一些假设，一些从未被实证观察的东西作为自己的论据：暴胀、暗物质和暗能量等就是其中最令人震惊的一些例子。没有这些东西，我们就会发现，在实际的天文学观测和大爆炸理论的预言之间存在着直接的矛盾。这种不断求助于新的假设来填补理论与现实之间鸿沟的做法，在物理学的任何其他领域中都是不可能被接受的。这至少反映出这一来历不明的理论在有效性方面是存在着严重问题的。

然而，没有这些牵强的因素，大爆炸理论就无法生存。离开了那种与我们多年来辛苦努力在地球上观察到所有物质都格格不入的所谓暗物质，大爆炸理论的预言与宇宙中实际的物质密度就完全是矛盾的。暴胀所需的密度是核聚变所需的20倍，这也许可以作为大爆炸理论中较轻元素来源的一个理论解释吧。而离开了暗能量，根据大爆炸理论计算出来的宇宙年龄就只有80亿年，这甚至比我们所在的这个星系中许多恒星的年龄还要小几十亿岁。

更重要的是，大爆炸理论从来没有任何量化的预言得到过实际观测的验证。该理论捍卫者们所宣称的成功，统统归功于它擅长在事后迎合实际观测的结果，它不断地在增补可调整的参数，就像Ptolémée的地心说总是需要借助本轮和均轮来自圆其说一样。其实，大爆炸论并不是理解宇宙历史的唯一方式。‘等离子宇宙论’和‘稳恒态宇宙模型论’都是对这样一个持续演化着的宇宙的假设，它们认为宇宙既无始也无终。这些模型，以及其他一些观点，也都能解释宇宙的基本现象，如较轻元素在宇宙中所占的比重、宇宙背景辐射以及遥远星系谱线红移量随着距离增加等问题，它们的一些预言还甚至得到过实际观测的验证，而这是大爆炸理论从未做到过的。大爆炸论的支持者们强辩说这些理论不能解释观测到的所有天文现象。但这并没有什么奇怪的，因为它们的发展严重缺乏经费的支持。实际上，直到今天，这样一些疑问和替代理论都还不能被拿出来进行自由的辩论和检验。绝大多数的研讨会都在随波逐流，并不允许研究者们进行完全公开的观点交流。Richard Feynman说过，‘科学就是怀疑的文化’。而在今天的宇宙学领域，怀疑和异见得不到容忍，年轻学者们即使对大爆炸这一标准模型有任何否定的想法也不敢表达。怀疑大爆炸论的学者如果把自己的疑问说出来就会失去经费资助。连实际的观测结果也要被筛选，要依据其能否支持大爆炸理论的标准来筛选。这样一来，所有不合标准的数据，比如谱线红移、锂元素和氦元素在宇宙中所占的比例、星系的分布等，都被忽视甚至歪曲。这反映出了一种日益膨胀的教条主义，完全不合乎自由的科学研究精神。如今在宇宙学研究领域，几乎所有的经费和实验资源都被分配给以大爆炸理论为课题的项目。科研经费来源有限，而所有主管经费分配的评审委员会都被大爆炸论的支持者们把持着。结果就造成了大爆炸理论掌握该领域的全面主导地位，这一局面与该理论在科学上的有效性毫无关系。只资助从属于大爆炸论的课题，这种做法抹杀了科学方法的一个基本原则：就是必须持续不断地用实际观察来对理论加以检验的原则……”。

这封公开信简短有力，批评了那种不断求助于新的假设(包括暴涨、暗物质、暗能量等)来填补理论与现实之间的鸿沟的作法，在物理学的任何领域都是不可接受的。“公开信”被贴到网上(www.cosmologystatement.org)之后又得到了数以万计的科学家的网上签名。更重要的是，随后(2005～2006)的几件观测事实进一步动摇了人们对大爆炸宇宙学的信念：①Hubble太空望远镜 (HST)拍摄到一些宇宙深空的星体，按照大爆炸的理论而言它们是在宇宙诞生后5亿年 (即距今132亿年前)形成的；但是，星体数目远少于理论的估计。②还是用HST，对造父变星的观测显示所谓大爆炸至多发生在120亿年前，而银河系最古老的星球的年龄可达160亿年。③发现了巨大的星系HUDF—JD2，距地球约130亿光年；如此巨大的星系在大爆炸后仅7亿年就得以形成是难以解释的。进一步的计算机计算表明，该星系形成于距今138亿年至136亿年之间。另外，2007年9月8日《New Scientist》报道说[10]，意大利物理学家C.Germani认为，基于弦论的另一种理论(slingshot based on a stringtheory)显示出永远存在的宇宙，没有“宇宙创生时刻”，时间没有起点。大爆炸理论成为科学家的信仰十分不妥。

2005年4月，美国Alabama大学的R.Lieu和J.Mittaz在《Astrophysical Journal》上发表了一篇文章。他们认为，有关宇宙辐射的所有数据都需要重新加以分析和诠释：“有一部分宇宙辐射很可能与大爆炸毫无关系，而是由局部物理现象造成的。”比如行星际尘埃、恒星际尘埃和星系际气体等，都有可能产生此类辐射。这与欧洲核子研究中心(CERN)的警示如出一辙……糟糕的是，通过WMAP观测获得的参数(比如宇宙的年龄、密度、曲率和宇宙膨胀的速度等)已成为大爆炸理论的依据。如果说这些参数都是错的，那么大爆炸这座理论大厦很可能会像沙砾堆积的城堡一样崩塌。因为所有这些参数都是环环相扣的，如果否定其中之一，就会造成牵一发而动全身的效应。

2010年印度科学家指出：“据认为大爆炸已经发生了137.5亿年。但是有证据表明那个时候肯定已经有存在了数十亿年的完全成形的遥远星系。由于我们论文发表之际正是CERN科学家采用大型强子对撞机进行再现宇宙起源状况实验的时候。CERN的科学家实际上正在设法拼凑一种符合大爆炸模型状况的理论”。这是一位东方科学家对西方科学界的尖锐批评。这位印度科学家认为，断定大爆炸从没发生过的日子也许到了；未来的宇宙学家回顾历史，将会惊诧于为什么每个人都曾对一种如此自相矛盾的证据所否定的虚构事件笃信不疑。

6重新思考“暗物质”和“暗能量”

麻烦的是，如果相信大爆炸理论是成立的，那就不得不相信关于暗物质和暗能量的假设。其实“dark matter”和“dark energy”两词的命名，就透露了宇宙学家们无所适从的心境[12]。

暗物质大概是现代物理学中最大的谜团。主流物理界认为，在过去几十年里，来自不同研究机构的观测数据表明，宇宙的绝大部分是由我们看不到的物质组成的，暗物质的名字由此而来。但迄今没有人能够找到暗物质。这件事要溯源到上世纪30年代，美国加州理工学院(CIT)从事天体物理研究的瑞士籍科学家F.Zwicky研究了星系团内星系的运动。星系团中的星系因被自身引力束缚，运动速度与引力必须达成平衡才不致出轨。而Zwicky发现，星系团内星系远远不足以产生如此大的引力，一定还存在人类看不见的其他物质，并首次提出暗物质存在的可能性。

因此，这个idea是认为，有东西潜伏在星系的心脏部位，产生的额外引力阻碍最远处的星体飞离星系，并大体上使星系团正常运转。没人知道这个东西是什么，但它就是在那里，因为根据Newton引力，所有可见的恒星、行星和其他天体都没有足够的质量来解释观测到的天体现象——某些星系团中的星系一直移动得非常快，以致星系团不能控制住该星系，故认为可能在星系团有看不见的物质在起作用。……然而，这仍然是一种估计或假说。

但主流物理界后来则把以下说法当成事实告诉全世界的公众：“现代宇宙学认为，整个宇宙中物质占27%左右，暗能量占73%左右。而在这27%的物质中，暗物质(DM)占90%，quark物质占10%。”然而在2007年至2013年，虽然不断有报道说“发现了暗物质”，但都不靠谱。因此，至今暗物质仍然是一种未证实存在的东西。

但信奉大爆炸宇宙的科学家推断星系中存在着大量无形的物质。如果没有这种物质，引力就无法将有形的物质聚集，那么构筑了宇宙的众多星系就无法形成，至少在大爆炸剧本设定的时间内无法形成。简单地说：没有暗物质，就没有星系。如今，绝大多数天文学家认为这种“暗物质”确实存在。然而它存在的唯一表现只有引力干扰，除此之外，任何天文望远镜的宏观观测和任何粒子加速器的微观研究都不能揭示其真实的性质并证明其存在。

一方面是尚未找出暗物质，另一方面又说“暗物质”的影响极其巨大——它能够将一个星系的质量增加到其可见部分质量的近百倍。因此，现在有科学家认为，有关暗物质的问题可能是一种“伪问题”，人们应该摆脱它的束缚，去对大爆炸理论的一些支柱(比如引力规律)，加以重新审视。1981年物理学家M.Milgrom提出，星系和星系团得以保持完整不是由于看不见的暗物质，而是由于在宇宙深空引力背离了Newton法则，它没有随距离的增加而减弱。他找著名的J.Bekenstein讨论，引起了后者的兴趣，随后两人一道研究修正的Newton力学(Modified Theory of Newton Dynamics，MOND)。这个理论与相对论明显不同，它使引力在星系们的外围显著变大。虽然暗物质体现在科学家们30年来的艰苦工作中，但MOND却摒弃了暗物质；它说Newton引力理论在星系那里(或说在宇宙大系统中)可能失效，而且GR是不完备的理论。不过，只有当引力低于一定强度时才需要修正Newton的定律，亦即只有在大尺度时才改变传统上的引力行为……有趣的是，在Milgrom和Bekenstein于1984年发表的MOND论文中，他们虽然加了第2个引力场来产生保持星系旋转稳定的拉力，但这个额外场中的振动运动得比光速还快。这两位科学家觉得这是对因果律的破坏，因而差一点放弃了MOND研究(笔者必须指出，对于这个超光速与因果律的关系问题，上述理解是错误的)。2004年Bekenstein发表了一篇重要的MOND论文，但仍然废弃了暗物质[2]。

在观测方面，全世界已投入很多金钱和精力。由于大质量弱相互作用粒子(WIMP)是暗物质的一个强有力的候选者，而且欧洲和美国有许多天文台正在寻找这些东西。有人发现了一些有希望的线索，但其他人则一无所获。……中国科学界也投入很大的人力物力，据说已在四川某地建设“全世界最大的暗物质地下探测实验室”——怪不得西方评论说“中国人总是要搞世界第一”(可惜暗物质的思想并非我们中国人提出的，而在西方有关暗物质的理念非常混乱)。

暗能量(DE)的概念更加奇怪，它来自“宇宙正在快速膨胀”的判断[12]。以下是“标准理论”的简介：宇宙学中有几个重要概念——宇宙总质量、宇宙临界质量、宇宙平均密度、宇宙临界密度；后两者的符号为ρ，ρc。如ρ<ρc，万有引力场的制动(减速)作用弱，宇宙会无限膨胀下去，星系不断退走，得到一个开放式宇宙；如ρ>ρc，引力场很强，星系迟早会被拉回，宇宙转为收缩相，是封闭式宇宙。后一种情况，会不会到一定时候又改为膨胀?或者收缩到奇点再大爆炸?或者是大坍缩使宇宙结束?这就关系到暗物质和暗能量。

宇宙中如只有引力作用，宇宙最后的命运是大坍缩，从Einstein到Hawking都相信过这种未来。科学家认为有神秘的反引力(antigravity force)存在。1997年美国Berkeley加州大学的A.Riess和S.Perlmutter对大量Ia型超新星观测结果做计算后大惊，因为情况显示膨胀和扩张是快而又快的。这种快速膨胀排除了未来发生大坍缩的可能。这时人们想起了Alan Guth在1978年发表的一篇文章，该文预期大爆炸后宇宙中出现一种强大力量，导致宇宙加速膨胀。事情似乎是：大约70亿年前引力失去控制，暗能量夺去了控制权，而在长时间里人们对暗能量的了解几乎为零。人们认为反引力是宇宙中的另一种强大的力量。

主流的观点认为对超新星的观测已表明，在过去的7亿年中宇宙加速膨胀是由暗能量所引起。因此《Science》杂志说“暗能量问题已经走到了聚光灯前。”一些理论家认为，DE就是潜伏在真空中的能量，他们认为即使空虚空间也充满粒子，产生压力(压强)，《Science》杂志在1997年有文章讨论这个问题。这一派学者的观点是，真空能引起时空结构加速扩张。另一些人猜想，可以用气体理论来模拟解释宇宙加速扩张现象——当人们使气体由小体积扩充(膨胀)到大体积，容器壁所受压强减小。现在宇宙自己就是容器，在任意的给定时刻，其体积决定压强，驱动宇宙进一步扩张。

2001年6月30日，美国航天局(NASA)发射“微波各向异性探测器”(MAP)，以检测太空中微波的块度(slumpiness)，从而得到全天空的图景。MAP的目的是调查宇宙平均密度ρ，如ρ≤ρc，宇宙会不断地扩张；如ρ>ρc，扩张会停下来，回到百亿年前状况。总之，MAP可使人们了解暗能量的数量与构成，并协助评价大爆炸后宇宙最初的不稳定性。2002年MAP一直在工作，发现所谓热点模式，据说确认了暗能量存在和宇宙加速膨胀。有关情况由NASA于2003年2月公布，数据资料来自HST对许多超新星的观测。

DE对时空结构扩张的作用既已“确认”，人们对宇宙如何终结就有一个估计了。几十亿年后，宇宙可能在恐怖中灭亡。……如此等等，真像一个神话故事，而且给人以不能反对的印象。中国科学界习惯于跟在西方人后面亦步亦趋，当然是一哄而起紧紧跟上，列出多个国家课题并编制所需经费的预算。

但是，即使在西方也有不同的声音。人们说，应当分清宇宙加速膨胀是因为其种奇异的暗能量，还是因为万有引力定律需要修改。2010年6月英国媒体报道说，一些英国科学家的研究成果表明，暗物质、暗能量也许并不存在。这是对NASA于2001年的微波背景辐射测量值重新分析得出的结论，不能说DM和DE是宇宙的主宰。……笔者认为对“宇宙加速膨胀”的说法应重新考虑，其实“宇宙加速膨胀”本身就是一个文理不通的说法。

7“引力波”存在性问题与大爆炸暴涨理论的衰落

关于引力(gravity)，目前有多个理论。但最主要的只有两个：Newton的经典引力理论[13]和Einstein广义相对论(GR)引力理论[4，5]。Newton理论是最早的(也是最简单的)引力理论，其引力矢量满足

(6)

(7)

式中ρ为物质密度。故可得

(8)

▽2Ф=4πGρ

(9)

式中Ф为引力势。不在Newton理论中引力是一种超距作用(over distance action)，是违反狭义相对论(SR)的。此外，Newton引力场理论不支持引力波的存在，这是因为Newton万有引力定律与电磁学中的Coulomb定律形式上相似，均为无旋场，不存在表示能量辐射的引力波(gravitational waves)。正如有静电场而无“静电波”一样，在Newton理论中有引力场而无“引力波”是很正常的。

从式(8)出发，利用Gauss定理，可以证明引力场强在一定条件下趋于无限大。这与实际不符，故在1905年以前Zeeliger把Newton理论公式修改为

(10)

等式左方第二项被称为宇宙因子。在Einstein于1915年提出GR后，有一个参数是宇宙常数(universal constant)；Einstein引力场方程是张量方程，具有多个独立变量，其中包含下述标量方程：

▽2Ф-λФ=4πGρ

(11)

(12)

故有

(13)

也就是说，在无穷远处势Ф趋于一个固定极限值，场变为零。亦即不会发生引力场中任意点的场强为无限大的情形。

Einstein于1907年开始研究引力场。1913年与数学家M.Grossmann合作，在引入绝对微分学(张量分析)基础上提出引力的度规(metrics)场理论。1915年他发表了引力场方程，宣告GR完成。GR认为时间、空间并非绝对和独立地存在，而是联系在一起，并由物质分布和运动决定其性质，亦即物质分布决定时空(space-time)的曲率。该理论又推论说，既然物质是产生引力的源，引力场是无须介质的广延场；那么，正像电磁学中作为场源的电荷加速运动时会辐射电磁波一样，物质的加速运动也将辐射引力波。而引力辐射可理解为变化着的时空曲率的传播。Einstein于1918年1月发表论文“论引力波”[14]，内容包括：用推迟势解引力场近似方程；引力场的能量分量；平面引力波；由力学体系发射的引力波；引力波对力学体系的作用等。文章认为引力波是横波，以光速传播。

坦率地说，笔者对上述的从GR出发断言引力波存在的理论是不相信的。首先，引力相互作用与电磁相互作用是自然界中4种作用中的两种，是互相独立的客观存在。如果模拟电磁理论中的情况——独立的电磁波存在、对应的粒子即光子(photon)存在；断言独立的引力波存在、对应的粒子即引力子(graviton)存在，是缺乏说服力的；因为并没有这种可以比拟的基础和必然性。既然GR把引力几何化了——不把引力看成真实的力作用，而当作4维时空弯曲的表现。这种对引力的本质的认识是数学的，而不是物理的。虽然主流物理学界至今仍把GR尊崇为最正确、最好的引力理论，这个复杂的理论却不能简明地告诉我们引力是什么力。一方面离开了由Galilei-Newton所定义的作用力概念，另一方面却又要照搬电磁场与电磁波的方法论，这是不自洽的。其次，无论引力传播速度，或引力波(假如存在)的波速，都绝不可能是光速。这不仅因为不能把引力相互作用与电磁相互作用等同看待，而且也因为仅仅考查太阳系中太阳与地球的关系就会明白：日地间的作用力的传递绝不会像阳光照到地球过程那么“慢”。正因为如此，在1911年德国教授R.Lämmel曾当面告诉比他年轻的Einstein(后者当时32岁)[15]：“有的东西比光更快，万有引力”。两年后(1913年)，著名物理学家Max Born也对Einstein观点(引力作用以光速传播)表达了反对意见。……实际上前辈科学大师对此早有论述，例如法国数学家、天文学家P.S.de Laplace[16]于1810年根据潮汐造成太阳系行星轨道不稳定的长期影响，断定引力速度是光速的108倍(v=108c)。英国天文学家A.S.Eddington[17]在1920年左右根据对水星近日点进动的讨论断定引力速度v≫c；根据日蚀全盛时比日、月成直线时超前断定v≥20c。

20世纪末T.V.Flandern[18，19]发表了关于引力速度的研究文章，引起广泛关注。在回顾了Eddington的工作之后他指出，对太阳(S)—地球(E)体系而言，如果太阳产生的引力是以光速向外传播，那么当引力走过日地间距而到达地球时，后者已前移了与8.3min相应的距离。这样一来，太阳对地球的吸引同地球对太阳的吸引就不在同一条直线上了。这些错行力(misaligned forces)的效应是使得绕太阳运行的星体轨道半径增大，在1200年内地球对太阳的距离将加倍。但在实际上，地球轨道是稳定的；故可判断“引力传播速度远大于光速”。这样的论述简洁而有力。作为完全独立的研究，Flandern对引力速度得到两个结果：使用地球轨道数据作计算时得v≅109c；使用脉冲星(PSR1534+12)的数据作计算时得v≥2×1010c。

根据上述情况，可以断言认为“引力传播速度和引力波(假如存在)以光速传播”的观点是错误的[20]；Einstein之所以坚持这样讲，只是因为SR中有“光速不可超越”的论断而已。但这种坚持并不高明，因为这样做会危及人们对GR理论的信心。……诸如此类的原因使我们觉得，所谓引力波恐怕不存在——这与国际科学界花费巨大人力物力寻找引力波和引力子却一无所获的现实相符。由于找到引力波就可以进一步证明GR正确，相对论者们急于找到引力波或引力子，结果是越急越找不到，至今成为主流物理学界的心病。

笔者认为Newton引力理论不容轻视更不可抛弃，该理论中引力是瞬间(即时)相互作用；也不存在引力波这种能脱离引力场源在真空中传播的波动。Newton理论体系亦不要求对真空中光速c赋与各种特殊性(c不变性、c不可超越、c代表引力传播速度)，只是一个普通的物理参数。为什么c那么特殊？为什么在大百科全书中不加证明地说“引力波与电磁波一样以光速c传播?”[7]这些想当然的说法不是科学的态度。多年前笔者曾与做过“引力波测量研究”的国内专家讨论；笔者提出，电磁波发现后，理论与实验均证实，它有一个很宽的频谱，而其中每个频率均为简谐波；亦即普遍性波方程可简化为Helmholtz方程(按ejωt表示) 。引力波既然尚未发现，又怎么知道它也有一个频谱分布(一如电磁波谱)?!那么何谈“1000Hz的引力波”之类?另外，引力波的传播速度也是令人感兴趣的问题。笔者据此与中山大学研究引力波的专家胡恩科教授联系，他回答说：

“据广义相对论，引力波来源于物质体系的质量四极矩的变化，亦即体系质量分布的变化。它与电磁辐射类似，既可有单色(准单色)辐射，如来源于双星运动；也可有广谱辐射，来源于脉冲源(如超新星爆发)。强辐射来源于大质量高密度的天体运动，一般频率较低；故引力波能谱中低频部分较强。超新星爆发时间在1ms左右，其中心频率在13kHz间。所有谈到的频率均尚无实验证明，均为理论预言。

另外，据广义相对论，引力波传播速度为光速。也有一些其他引力理论，预期引力波传播速度不是光速；这都有待实验证明。……上述两个问题，现代的实验装置一旦检测到引力波，即可作出结论。”

这位专家还表示，引力波存在与否关系到GR理论的正确性，是非常重要的问题：“也许最新的探测器仍未能发现引力波的芳踪，那么这将是对现有引力理论(特别是广义相对论)的极大挑战”[21]。……

笔者认为最重要的是引力波与大爆炸宇宙论的关系。事实上，有关大爆炸模型有效性的一个“关键试验”是探测来自宇宙最初时期的引力波的残余。正如GR理论中所预言的，引力波背景的存在被认为来自大爆炸狂暴的起始时刻。微波背景辐射据推测起源于大爆炸之后38万年，而引力波背景被认为直接来自大爆炸后一瞬间发生的事件。就这样，引力波与大爆炸宇宙论挂上了钩。

在主流物理学界的观念中，开天辟地的大爆炸被认为造成了大量的引力波，在时空结构中激起涟漪。这些引力波应该仍然充斥于宇宙。不过按照推测，它们的强度十分微弱，无法用常规的天文仪器探测到。尽管如此，它们应该携带着大爆炸刚刚发生之后的宇宙信息。因此，如果引力波无法探测到，那么这就是对大爆炸理论的质疑。

2014年3月，美国一些物理学家召开新闻发布会，说Harvard大学BICEP小组探测到了宇宙大爆炸之后最初瞬间所产生的引力波，从而导致宇宙的起源再次成为重大新闻。所公布的发现轰动了全世界科学界、媒体和广大公众(见《Nature》，2014，Vol. 507，281~283)。他们还宣布说，大爆炸后的暴涨理论和多宇宙论也得到证实，可能获Nobel奖。暴涨理论的提出者、麻省理工学院(MIT)的Alan Guth参加了记者会，可能获Nobel奖的话就是他说的。BICEP2团队在其宇宙微波背景辐射极化图像中，确定了一个扭曲(B模式)图案，结论是检测到原始的引力波。

笔者当时看了新闻报道就觉得可疑。6月16日，原国家科委主任、82岁高龄的宋健院士给我转来一份《Nature》杂志的复印页，上面刊载了美国Princeton大学P.Steinhardt[22]教授的短文，说“大爆炸错误突出地释放多宇宙泡沫。暴涨模式根本无法验证，因而没有科学意义”。(Big bang blunder bursts the multiverse bubble；The inflationary paradigm is fundamentally untestable，and hence scientifically meaningless)。宋健则写道：“转中国传媒大学黄志洵教授一阅；看来不能轻传有些理论家的神话故事。或许你已读过，劳神祈谅。”

Steinhardt文章说，现已经揭示了其分析中的严重缺陷，这导致确定检测变为没有检测。对引力波的搜索必须重新开始。这里的问题在于，其他影响，包括在我们自己的银河系中，从宇宙尘产生的光散射和绕银河系磁场运动的电子产生的同步辐射，也可以产生这些扭曲。BICEP2仪器只有一个频率检测辐射，因此不能区分来自其他来源的极其广泛的贡献。要做到这一点，BICEP2团队测量了Wilkinson微波各向异性探测器和Planck卫星收集的银河宇宙尘，其中每个操作都在其他频率范围内进行的。当BICEP2团队作分析时，Planck宇宙尘图像尚未公布，所以团队从几个月前提供的初步图像中提取资料。现在，由来自Princeton大学和Princeton高等研究所的科学家们进行了认真的重新分析，其结论是BICEP2的B模式模型给出的大部分或全部最显著效应没有来自引力波的任何贡献。由BICEP2团队考虑的其他宇宙尘模型不会改变这一负面结论，这一点也由普林斯顿团队表明了(R.Flauger，J.C.Hill和D.N.Spergel，预印本：http：//arxlv.org/abs/1405.7351；2014)。

这种突然逆转应该让科学界认真考虑未来的宇宙学实验和理论。对引力波的搜索不会受阻。至少八个实验，实验者包括BICEP3，Keck Array和Planck团队，已经瞄准了相同的目标。在此时刻，这些团队可以确信，世界将对其予以密切关注。同样，获得承认将要求测量在一定频率范围内进行，以便从显著效应中获得确认，同时要求测试排除其他来源造成的混乱。并且这一次，公告应在提交给期刊并且由专家审查后发布。如果必须举行一次新闻发布会，希望科学界和媒体将要求其伴随着一套完整的文件，包括系统分析的详情和足够的资料，以便能够进行客观的核查。

BICEP2事件也揭示了关于暴涨理论的真相。普通的观点认为这是一个具有高度预测性的理论。如果确实如此，引力波的检测是暴涨的证明，人们会认为没有检测到意味着该理论的失败。 然而一些欢庆BICEP2公告的暴涨支持者已经强调，无论是否探测到引力波，该理论是同样有效的。这怎么可能呢?

由拥护者给出的这一答案是令人震惊的：暴涨范式是如此灵活，以至于它不受实验和观测检验的影响。第一，暴涨是由一个假想的标量场驱动的，具有可调整性以产生任何有效的结果。第二，暴涨具有始终如一的性质，不会与恒星和星系一起结束，但几乎不可避免地导致了具有无限多泡沫的多元宇宙，其中宇宙和自然界的性质随着不同泡沫而变化。我们观察到的部分宇宙对应的只是这样的一种泡沫。在多元宇宙中扫描所有可能的泡沫，一切可以自然发生的事情确实发生了无数次。没有任何实验可以排除一种理论，它允许所有可能的结果。因此，暴涨范式是无法反驳的。

看起来可能令人困惑的是出现了数以百计关于用这样那样暴涨模型进行预测的理论文章。这些文章通常不被承认是由于它们忽略了多元宇宙并且，即使有这个不合理的选择，还存在一系列其它模型产生多种多样的宇宙学结果。考虑到这一点，很明显的是暴涨范式是根本无法检验的，并因此在科学上是毫无意义的。

宇宙学是一种在特殊时期产生的特殊科学。其进展，包括对引力波的搜索，将会继续进行下去，审视未来若干年会有什么发现是令人兴奋的。借助于这些未来成果，理论家们面临的挑战是确定一个真正描述宇宙的起源、演化和未来的，具有解释和预测功能的科学范式。……

阅读来自Princeton的专家的文章对中国科学家有很大启发，不仅知道了分析的结论是没有来自引力波的任何贡献，是暴涨理论的失败。进一步思考显示暴涨范式根本无法检验，因而在科学上毫无意义。因而我们可以学习那种严谨的科学态度和方法。

笔者认为，由于多宇宙是暴涨的后续理论，我们仅凭常识就不会相信的“存在多个宇宙”的说法，现在也被Princeton专家否定(对多宇宙论我曾形容为“一些理论物理学家失去现实感的证明”[23])。总之，在各方批评下BICEP2团队6月底承认了错误。……9月22日有报道说，欧洲航天局认为BICEP小组观测到的扭曲图像可以简单地用尘埃解释，因为研究显示他们当时观察的天空宇宙尘埃比之前估计的要多。BICEP小组没有利用欧洲“Planck”卫星收集的尘埃数据。“Planck”卫星观测天空的频率远比其他卫星高。……总之事态的发展显示，天平正倒向反对“大爆炸宇宙论”的一方。

8讨论

一门学科或一个理论是否能成立，首先要看它在逻辑上能否自洽(通俗的讲法是起码要能自圆其说)，其次要看它是否有了实验证明(或能通过实践检验)。大爆炸宇宙学在这两方面都存在问题，因此我们很难接受有的理论物理学家的夸大粉饰(例如文献[24]称相关阶段为“宇宙学的新黄金时代”。)现在讨论观测和实验方面的问题；首先关于宇宙起源于在一点(后来又说是多点)发生的爆炸，以及“在10-30s内宇宙体积膨胀了1026倍”(暴涨理论)；这些奇怪的说法是不可能取得实证的，因而正如Steinhardt所说，是scientifically meaningles。其次，光谱红移根本不是“宇宙在膨胀”的直接证据。再次，各国长久地投入巨资寻找引力波和引力子，却怎么也找不到。……很奇怪，这些事实并不能使一些人清醒。当然，他们把最大的论据放在所谓“宇宙微波背景辐射”(CMB)上，特别对COBE卫星和WMAP卫星津津乐道；然而它们究竟证明了什么？

COBE是“宇宙背景探测者”的简称，其成果主要有两点：①CMB的温度为2.735K，是黑体辐射；②温度的方向起伏不足十万分之一(即小于10-5)。我们不否认1984年发射的COBE给人们带来了新的知识，但如说它给大爆炸宇宙论造成了“铁证”则很牵强。因果性(causality)常识告诉我们，不同的原因可能造成同一结果；不能说各向同性的2.7K就一定是大爆炸的余烬。实际上，CMB对于宇宙学研究的意义固然不能否认，但说它如同考古学中的化石[24]则是夸大之词；二者的意义是不同的。

WMAP是Wilkinson Microwave Anisotropy Probe(威尔金森微波各向异性探测器)的简写，Wilkinson是科学家的姓氏。这是美国能源部和海军联合投资的项目，于2001年发射到太阳与地球之间的Lagrange点上，任务是测量天空中任意两个方向的CMB差值。2003年至2008年间分别公布了结果。CMB的均匀性好被当作实验上证明了暴涨说[24]；既如此，为什么Alan Guth到2014年还在期待他认为应该获得的Nobel物理学奖，而不是几年前就颁发给他这个奖？如前所述，我们现在知道2007年欧洲人发射的Planck卫星对遥远太空的探测资料恰恰否定了2014年3月宣布的BICEP2“引力波发现”。人们知道引力波(假如存在)在传播过程中几乎不参加任何相互作用，因而被认为是“携带了比CMB更早期的独一无二的宇宙信息”[25]。然而，如果根本没有引力波，这个宇宙学研究就无法进行了么？如今的现实是有多个宇宙学理论；例如英国物理学家Fred Hoyle一向对大爆炸宇宙论采取不承认态度并提出自己的理论；既如此，为何不能使宇宙学研究多元化，而要强迫所有人都认可大爆炸是唯一合理合法的理论？这显然违反了科学的精神。其实早在1963年，E.Lifshitz和I.Khalatnikor就试图从理论上避开有过大爆炸，因而避免“时间有起点”；但这类努力根本不受重视。

宇宙学并非笔者的专业或专长；但人类是宇宙中的生物，我们都是她的孩子，关心宇宙起源学说是很自然的。科学界的一些情况令人难以容忍，与其说在于某个学说本身，其实更由于那种专断的风气和作法。只要稍作文献检索，就知道并非人人信奉big-bang cosmogony；只是大家都忙于自己的生活，没有时间(或不屑于)去和人理论罢了。

9结束语

在结束本文时我们指出，包括宇宙学在内的各门学科都是仍在探讨以求发展的状态。任何理论都不能说是“最终的理论”，亦即人类的每个阶段的认识都仅仅是相对真理，绝对真理只能在对无数相对真理的探求中去寻找，而这是一个永远也不会完结的过程。因此人们不应期待一种简单化的答案；从根本上说，终极真理还在极远处。……科学家不仅要热爱大自然，还要敬畏大自然，保持绝对的谦卑之心。哲学家K.Godal有一句名言：“大自然是不能完全被认识的，即使仅在理论上也不可能。”他的话是否正确姑且不论，但有一点是肯定的，那就是我们今天对自然的认识还停留在非常初步的阶段。

至于我们国内，笔者依然认为，中国科学界不能完全照搬和紧跟西方，而应当有自己的思考、自己的思想。不要“以别人的昨天装扮自己的明天”，更不要把似是而非的神话故事灌输给青年人；这是笔者写作本文时衷心的期望。

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(责任编辑：龙学锋)