现代宇宙学的基本问题DET

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1 现 代 宇 宙 学 的 基 本 问 题 及 DET 理 论 王 令 隽 University of Tennessee at Chattanooga 2007 年 1 月 最 近 从 网 上 读 到 华 新 民 先 生 的 文 章 今 年 的 诺 贝 尔 奖 引 起 的 话 题, 想 谈 点 我 的 看 法 华 新 民 先 生 谈 到 了 文 化 大 革 命 中 宇 宙 大 爆 炸 理 论 在 中 国 被 认 为 是 伪 科 学, 并 提 到 了 当 时 的 批 判 相 对 论 学 习 班 和 陈 伯 达 的 支 持, 也 谈 到 了 四 人 帮 垮 台 以 后 方 励 之 与 钱 学 森 关 于 宇 宙 学 的 一 场 争 论 华 先 生 文 章 给 人 总 的 印 象 是 当 时 参 与 批 判 相 对 论 和 大 爆 炸 理 论 的 科 学 工 作 者 大 都 是 左 派 御 用 文 人, 因 此 他 们 的 学 术 观 点 是 完 全 错 误 的 我 在 这 两 点 上 都 不 能 同 意 华 新 民 先 生 的 意 见 文 化 大 革 命 的 特 定 历 史 和 社 会 条 件 使 得 当 时 中 国 的 各 行 各 业 都 受 到 了 政 治 不 同 程 度 的 影 响, 学 术 界 也 一 样, 这 是 非 常 不 幸 的 但 不 能 因 此 全 盘 否 定 所 有 参 与 批 判 相 对 论 和 大 爆 炸 理 论 的 科 学 工 作 者 和 他 们 的 学 术 观 点 把 他 们 的 学 术 观 点 甚 至 功 过 是 非 捆 绑 在 文 化 革 命 的 历 史 上, 让 他 们 永 世 不 得 翻 身, 实 际 上 同 样 是 对 学 术 讨 论 的 政 治 干 预 和 政 治 压 迫 文 化 革 命 以 后, 中 国 的 学 术 界 有 了 空 前 的 学 术 自 由 方 励 之 曾 被 聘 为 中 国 科 技 大 学 校 长 前 几 年 中 国 邀 请 霍 金 访 问, 受 到 了 异 乎 寻 常 高 规 格 的 礼 遇 宇 宙 大 爆 炸 理 论 有 了 充 分 发 展 的 条 件 事 情 似 乎 正 在 走 向 另 一 面, 对 相 对 论 和 大 爆 炸 理 论 持 批 评 意 见 的 人 如 不 被 看 作 是 左 派, 大 概 也 免 不 了 被 看 作 学 术 上 的 无 知 这 其 实 也 是 一 种 政 治 压 力 在 中 国 改 革 开 放 以 后, 学 术 上 追 随 西 方, 宇 宙 学 界 尤 其 如 此 大 爆 炸 理 论 在 宇 宙 学 上 的 统 治 地 位 自 然 决 定 了 其 在 中 国 宇 宙 学 界 的 统 治 地 位 居 然 出 现 了 万 马 齐 喑 的 局 面 其 实 反 对 相 对 论 的 巨 星 级 物 理 大 师 历 史 上 大 有 人 在 洛 仑 兹 就 不 接 受 相 对 论, 它 并 且 抛 弃 了 他 自 己 提 出 的 速 度 使 长 度 缩 短 的 假 设, 即 我 们 现 在 教 科 书 中 普 遍 采 用 的 洛 仑 兹 变 换 和 洛 仑 兹 缩 短 爱 因 斯 坦 则 终 生 没 有 接 受 量 子 力 学 上 世 纪 五 十 年 代 关 于 相 对 论 钟 佯 谬 问 题 有 过 一 场 激 烈 的 争 论 认 为 相 对 论 逻 辑 上 必 然 导 致 钟 佯 谬 的 一 派 的 旗 手 是 当 时 任 英 国 皇 家 天 文 学 会 主 席 的 丁 格 尔 (Herbert Dingle) 至 于 对 宇 宙 大 爆 炸 的 争 论 从 来 就 没 有 停 止 过 目 前 全 世 界 几 百 个 科 学 家 联 署 了 一 封 公 开 信, 抗 议 大 爆 炸 理 论 家 们 对 科 研 经 费 和 学 术 刊 物 的 垄 断 理 论 物 理 学 界 对 大 爆 炸 理 论 的 许 多 前 提 和 结 论, 尤 其 是 与 其 相 关 的 一 些 理 论 诸 如 膨 胀 理 论, 超 弦 理 论 等 等, 也 颇 多 质 疑 在 这 些 批 评 中, 经 常 可 以 看 到 伪 科 学, 神 学, 形 而 上 学, 唯 心 主 义 等 字 眼 如 果 这 些 字 眼 出 现 在 当 今 中 国 的 报 刊 上, 非 被 骂 为 左 派 教 条, 文 革 余 毒 不 可 唯 物 主 义 和 唯 心 主 义 本 来 只 是 哲 学 上 的 两 大 派 别, 和 政 治 并 无 多 大 关 系 唯 物 主 义 和 唯 心 主 义 的 争 论 早 在 古 希 腊 时 期 即 已 开 始 伟 大 的 哲 学 家 如 亚 里 斯 多 德, 伟 大 的 物 理 学 家 如 开 普 勒, 哥 白 尼 和 伽 利 略 都 是 唯 物 主 义 者 同 样 伟 大 的 哲 学 家 柏 拉 图 和 伟 大 的 天 文 学 家 托 勒 密 则 是 唯 心 主 义 者 现 代 国 际 学 术 界 的 唯 物 主 义 者 和 唯 心 主 义 者 都 以 自 己 的 主 义 而 自 豪 唯 物 主 义 者 们 自 认 是 科 学 的 捍 卫 者, 以 反 对 神 学 创 造 论 为 己 任 唯 心 主 义 者 自 认 是 爱 因 斯 坦 的 追 随 者, 以 能 超 越 客 观 世 界 而 骄 傲, 自 信 只 有 他 们 才 有 抽 象 思 维 的 能 力 理 解 现 代 物 理 理 论 的 真 谛 而 有 希 望 成 为 未 来 的 伟 大 发 明 者 希 望 中 国 学 术 界 也 能 有 这 样 的 学 术 气 氛, 大 家 都 可 以 尽 情 地 彻 底 地 表 达 自 己 的 意 见 不 要 一 听 到 形 而 上 学, 唯 心 主 义, 唯 物 主 义 这

2 些 字 眼 就 以 为 文 化 革 命 又 来 了 这 些 词 必 竟 用 了 多 少 个 世 纪 了, 一 时 也 找 不 到 能 透 彻 地 表 达 同 样 内 涵 的 词 来 替 代, 而 且 国 际 学 术 界 今 日 也 都 在 用 为 了 和 国 际 接 轨, 不 妨 姑 妄 用 之 一 个 不 可 否 认 的 事 实 是, 唯 物 主 义 在 科 学 从 黑 暗 的 中 世 纪 的 神 学 中 解 放 出 来 的 斗 争 中 起 了 关 键 的 作 用 而 随 着 物 理 科 学 在 十 九 世 纪 的 确 立, 物 理 学 研 究 基 本 上 遵 循 着 唯 物 主 义, 即 任 何 科 学 理 论 必 须 能 够 解 释 自 然 现 象, 经 受 实 验 和 逻 辑 的 检 验 即 使 在 唯 心 主 义 盛 行 的 某 些 领 域, 理 论 最 终 逃 脱 不 了 实 践 的 检 验 这 是 国 际 学 术 界 一 个 不 变 的 原 则 我 同 意 华 新 民 先 生 不 要 把 诺 贝 尔 奖 看 得 太 重 的 意 见 不 要 让 荣 誉 和 金 钱 左 右 学 术 讨 论 诺 贝 尔 奖 代 表 当 代 学 术 界 对 本 年 度 学 术 成 就 的 评 价, 代 表 当 代 学 术 潮 流, 但 不 能 作 为 真 理 的 定 论 任 何 奖 项 的 评 定 都 不 可 避 免 的 带 有 不 同 程 度 的 主 观 和 非 学 术 性 因 素 诺 贝 尔 奖 也 不 例 外 对 中 国 学 术 成 就 的 评 价, 也 不 能 以 是 否 拿 了 诺 贝 尔 奖 为 尺 度 和 标 准 二 零 零 六 年 诺 贝 尔 物 理 奖 颁 给 了 美 国 戈 达 德 空 间 飞 行 中 心 (Goddard Space Flight Center) 的 马 塞 斯 (John Mathers) 和 加 利 夫 尼 亚 大 学 的 斯 穆 特 (George F Smoot) 奖 励 他 们 对 宇 宙 本 底 辐 射 (Cosmic Background Radiation, 简 称 CBR) 测 量 做 出 的 贡 献 这 一 工 作 的 重 要 性 在 于 宇 宙 学 界 认 为 CBR 的 测 量 数 据 为 宇 宙 大 爆 炸 理 论 提 供 了 实 验 证 据 值 得 注 意 的 是, 同 一 工 作 为 彭 齐 亚 斯 (Arno Penzias) 和 威 尔 逊 (Robert Wilson) 赢 得 了 1978 年 的 诺 贝 尔 物 理 奖 可 见 CBR 研 究 工 作 的 份 量 但 是 如 果 以 为 这 两 个 诺 贝 尔 物 理 奖 就 意 味 着 物 理 学 界 确 认 了 宇 宙 大 爆 炸 理 论, 则 是 完 全 的 误 解 事 实 上, 如 果 宇 宙 大 爆 炸 理 论 是 正 确 的, 这 些 诺 贝 尔 物 理 奖 就 应 该 颁 给 在 宇 宙 大 爆 炸 理 论 中 做 出 了 里 程 碑 性 的 工 作 的 巨 星, 比 如 皮 伯 尔 斯 (P.J.E. Peebles) 或 霍 金 (Stephen Hawking) 宇 宙 大 爆 炸 理 论 的 许 多 预 言 和 相 关 结 论, 诸 如 物 质 守 恒 定 律 和 能 量 守 恒 定 律 的 破 坏, 相 对 论 原 理 的 破 坏, 光 速 极 限 原 理 的 破 坏,Higgs 粒 子, 重 中 微 子, 弱 作 用 重 粒 子 (WIMP), 超 弦, 暗 物 质, 磁 单 极, 超 光 速 膨 胀, 质 子 衰 变, 量 子 泡 沫 理 论, 黑 洞 理 论, 高 维 空 间, 多 重 宇 宙, 宇 宙 斥 力, 逆 时 间 旅 行, 时 空 隧 道 旅 行 等 等, 就 其 对 物 理 学 的 整 个 理 论 体 系 产 生 的 冲 击 来 说, 不 仅 比 之 CBR 实 验 要 重 要 得 多, 就 是 和 以 往 任 何 一 年 的 诺 贝 尔 物 理 奖 的 工 作 相 比, 也 像 泰 山 比 之 卵 石, 不 可 同 日 而 语 毫 不 夸 张 地 说, 宇 宙 大 爆 炸 理 论 导 致 不 下 于 一 打 革 命 性 的 理 论, 可 能 推 翻 半 打 物 理 学 的 基 本 原 理 其 中 任 何 一 条 如 果 证 明 是 真, 其 重 要 性 远 非 一 两 个 诺 贝 尔 奖 可 以 衡 量 物 理 学 界 和 诺 贝 尔 奖 评 审 委 员 会 是 谨 慎 的, 只 颁 奖 给 CBR 实 验 测 量 无 论 宇 宙 大 爆 炸 理 论 正 确 或 错 误, 实 验 结 果 总 是 有 科 学 价 值 的 英 文 evidence 一 词, 可 以 翻 译 为 实 验 证 据 或 者 实 验 支 持, 这 词 和 证 明 (proof) 是 完 全 不 同 的 事 实 上,CBR 测 量 实 验 结 果 对 于 宇 宙 大 爆 炸 理 论 虽 然 提 供 了 某 种 支 持, 也 带 来 了 著 名 的 难 题 下 面 我 们 对 此 作 一 些 较 为 详 细 的 讨 论 1 宇 宙 本 底 辐 射 (CBR) 和 大 爆 炸 理 论 的 关 系 上 世 纪 六 十 年 代 初, 狄 克 (Robert Dicke) 试 图 用 一 个 封 闭 的 周 期 性 宇 宙 (Oscillating universe) 模 型 来 解 释 宇 宙 中 氦 的 丰 度 当 时 的 恒 星 合 成 理 论 (Stellar synthesis theory) 已 能 成 功 地 解 释 重 元 素 的 组 成, 但 不 能 解 释 氦 的 组 成 狄 克 将 这 一 课 题 交 给 他 的 学 生 皮 伯 尔 斯 皮 伯 尔 斯 发 现 问 题 的 关 键 在 于 能 质 比 (ratio of energy to mass) 如 果 能 质 比 等 于 一 千 亿 光 子 比 一 个 质 子, 他 的 爆 炸 模 型 就 能 给 出 正 确 的 氦 的 组 成 25% 根 据 这 一 模 型 他 推 算 出 宇 宙 本 底 辐 射 的 温 度 为 20 o K 在 狄 克 的 鼓 励 下, 皮 伯 尔 斯 在 1965 年 开 始 着 手 建 立 一 个 射 电 望 远 镜, 以 期

3 通 过 实 验 证 实 他 的 理 论 推 想 这 时, 贝 尔 电 话 公 司 的 彭 齐 亚 斯 和 威 尔 逊 偶 然 地 观 察 到 了 接 近 这 一 频 段 的 宇 宙 本 底 辐 射 这 一 发 现 立 即 成 为 纽 约 时 报 的 头 条 新 闻, 并 被 认 为 是 大 爆 炸 曾 经 存 在 的 实 验 证 据 彭 齐 亚 斯 和 威 尔 逊 因 此 赢 得 了 1978 年 诺 贝 尔 物 理 奖 彭 齐 亚 斯 和 威 尔 逊 的 实 验 量 出 的 宇 宙 本 底 辐 射 温 度 为 3.5 o K, 比 皮 伯 尔 斯 的 理 论 值 小 九 倍 根 据 热 力 学 的 斯 蒂 芬 波 尔 兹 曼 定 律, 黑 体 辐 射 的 能 量 和 温 度 的 四 次 方 成 正 比, 所 以 大 爆 炸 理 论 给 出 的 宇 宙 能 量 比 实 验 测 量 的 大 几 千 倍 狄 克 告 诉 纽 约 时 报, 他 的 研 究 组 预 言 的 宇 宙 本 底 辐 射 温 度 为 10 o K, 但 这 一 数 值 在 他 们 组 发 表 过 的 任 何 文 章 中 都 找 不 到 但 即 使 是 三 倍 的 温 度 差 别, 也 将 导 致 约 两 个 数 量 级 的 能 量 差 别 许 多 人 忽 视 了 这 一 差 别 皮 伯 尔 斯 本 人 却 深 知 问 题 的 严 重 性 因 为 实 验 量 出 的 如 此 低 的 宇 宙 本 底 辐 射 温 度 意 味 着 宇 宙 物 质 密 度 低 到 无 法 使 宇 宙 封 闭, 而 封 闭 性 正 是 封 闭 震 动 宇 宙 模 型 的 根 本 如 果 强 行 设 定 大 的 宇 宙 物 质 密 度 以 使 宇 宙 封 闭, 将 这 么 低 的 宇 宙 本 底 辐 射 温 度 代 入 他 的 方 程 式 将 导 致 全 部 物 质 变 为 氦 的 荒 唐 结 论 即 是 说, 他 的 大 爆 炸 理 论 不 可 能 自 洽 地 同 时 给 出 氦 的 组 成 和 宇 宙 本 底 辐 射 温 度 的 正 确 数 值 当 然, 彭 齐 亚 斯 和 威 尔 逊 测 量 的 宇 宙 本 底 辐 射 温 度 也 不 见 得 准 确 1989 年, 美 国 宇 航 局 (NASA) 发 射 了 一 个 宇 宙 背 景 探 测 卫 星 COBE (Cosmic Background Explorer), 对 宇 宙 本 底 辐 射 进 行 精 确 测 量 该 项 目 由 戈 达 德 空 间 飞 行 中 心 的 马 塞 斯 领 导 经 过 多 年 的 系 统 测 量 和 分 析, 马 塞 斯 和 斯 穆 特 于 1992 年 发 表 了 实 验 结 果, 证 实 了 宇 宙 本 底 辐 射 确 为 黑 体 辐 射, 各 向 异 性 不 到 万 份 之 一, 温 度 为 2.7 o K 这 一 温 度 比 彭 齐 亚 斯 和 威 尔 逊 的 结 果 还 要 低 封 闭 宇 宙 模 型 不 得 不 被 抛 弃 好 在 有 不 同 的 模 型 可 供 选 择 如 果 选 择 开 放 模 型, 并 且 对 某 些 自 由 参 量 ( 如 质 量 密 度 ) 作 些 调 整, 则 可 得 出 氦, 氘 和 锂 的 丰 度 的 正 确 数 值 这 被 看 作 是 标 准 宇 宙 大 爆 炸 理 论 的 主 要 成 就 当 然 学 界 对 这 一 成 就 也 不 是 完 全 没 有 异 议 异 议 之 一 便 是 方 法 论 问 题 宇 宙 大 爆 炸 理 论 的 特 征 之 一 是 太 多 的 自 由 参 数 我 们 知 道, 如 果 一 个 理 论 中 自 由 参 数 的 个 数 等 于 实 验 数 据 的 个 数, 则 理 论 公 式 可 以 完 全 精 确 地 拟 合 实 验 数 据 这 种 拟 合 当 然 毫 无 意 义 一 般 说 来, 自 由 参 数 越 多, 可 信 度 越 低 如 果 自 由 参 数 比 要 拟 合 的 数 据 还 多, 可 信 度 就 大 成 问 题 对 此, 两 个 物 理 学 家 的 意 见 可 以 作 为 启 迪 一 个 是 原 子 能 先 驱 费 米 (Enrico Fermi) 他 于 1953 年 首 次 对 介 子 质 子 碰 撞 作 了 精 确 测 量 当 时 康 乃 尔 大 学 的 物 理 教 授 戴 逊 (Freeman Dyson) 提 出 了 一 个 赝 标 量 介 子 理 论 来 解 释 他 的 介 子 质 子 碰 撞 数 据 这 一 理 论 和 实 验 数 据 符 合 得 非 常 好 戴 逊 于 是 带 着 一 大 包 理 论 计 算 结 果 坐 上 灰 狗 公 共 汽 车, 兴 冲 冲 地 到 芝 加 哥 找 费 米 请 教 费 米 热 情 地 和 他 拉 家 常, 有 意 不 提 他 的 理 论 戴 逊 实 在 耐 不 住, 只 好 自 己 切 入 正 题 费 米 问 他 : 您 的 计 算 里 用 了 几 个 自 由 参 数? 四 个 我 的 朋 友 凡 纽 曼 曾 说, 用 四 个 参 数 我 可 以 将 任 何 数 据 拟 合 成 一 头 大 象 要 是 有 五 个 参 数, 我 可 以 让 它 的 鼻 子 来 回 摆 动 戴 逊 于 是 解 散 了 他 的 研 究 小 组 而 改 行 做 固 体 物 理 不 久 他 又 回 到 了 理 论 物 理 领 域, 一 直 在 普 林 斯 顿 理 论 物 理 研 究 所 工 作, 对 理 论 物 理 学 有 些 贡 献 戴 逊 一 生 感 激 费 米 给 他 指 点 迷 津 另 一 个 是 实 验 高 能 物 理 学 家 里 奇 特 (Burton Richter) 他 和 丁 肇 中 同 时 发 现 了 J/Ψ 粒 子 而 共 享 诺 贝 尔 奖 里 奇 特 在 今 日 物 理 (Physics Today) 杂 志 2006 年 十 月 号 上 发 表 了 一 篇 文 章 粒 子 物 理 理 论 : 神 学 猜 想 还 是 实 际 知 识 文 中 他 谈 到 超 对 称 时 说 : 比 如 说, 如 果 Higgs 质 量 平 方 发 散, 就 发 明 超 对 称 让 它 对 数 发 散 这 一 发 明 的 代 价 是 带 来 124 个 新 的 常 数 我 总 觉 得 这 代 价 太 大

4 历 史 上, 实 验 观 察 到 的 轻 元 素 丰 度 有 过 多 次 改 变 而 大 爆 炸 理 论 每 次 都 能 通 过 调 整 自 由 参 数 或 加 入 补 救 措 施 得 到 新 的 数 值 议 者 以 为 这 不 是 理 论 预 言 (prediction) 的 先 见 之 明, 而 是 事 后 诸 葛 亮 的 后 见 之 明 (postdiction ) 宇 宙 本 底 辐 射 几 乎 完 美 无 缺 的 各 向 同 性 给 宇 宙 大 爆 炸 理 论 带 来 另 一 个 严 重 困 扰 : 完 美 无 缺 的 各 向 同 性 无 法 解 释 宇 宙 间 的 大 范 围 结 构 如 果 宇 宙 真 是 由 大 爆 炸 而 来, 这 种 大 范 围 结 构 一 定 会 反 映 在 早 期 的 宇 宙 本 底 辐 射 上 而 使 其 呈 某 种 程 度 的 各 向 异 性 宇 宙 大 爆 炸 理 论 预 计 的 各 向 异 性 约 百 分 之 一, 但 观 测 到 的 各 向 异 性 却 不 到 万 分 之 一 但 宇 宙 本 底 辐 射 测 量 结 果 给 宇 宙 大 爆 炸 理 论 带 来 的 最 大 困 扰 是 著 名 的 地 平 问 题 (Horizon Problem, 这 词 译 为 地 平 问 题 过 于 生 硬, 似 应 译 为 光 波 面 问 题, 或 因 果 联 络 问 题 ) 宇 宙 本 底 辐 射 近 乎 完 美 无 缺 的 各 向 同 性 和 黑 体 辐 射 特 性 证 明 了 这 一 辐 射 是 一 个 高 度 平 衡 的 热 力 系 综 这 种 高 度 平 衡 需 要 物 质 的 多 次 碰 撞 才 能 实 现 可 是 根 据 宇 宙 大 爆 炸 理 论, 即 使 粒 子 以 光 速 运 动, 也 不 可 能 实 现 这 种 多 次 碰 撞 不 妨 考 虑 大 爆 炸 后 三 十 万 年 后 的 去 耦 合 期 根 据 大 爆 炸 理 论 公 式, 此 时 的 宇 宙 半 径 约 为 七 千 万 光 年 可 光 子 从 大 爆 炸 出 世 最 多 也 只 能 跑 三 十 万 光 年, 光 程 不 到 宇 宙 半 径 的 百 分 之 一 遑 论 其 他 跑 得 慢 的 粒 子 简 单 的 计 算 表 明, 如 果 150 亿 光 年 外 的 两 个 银 河 系 的 角 距 离 大 于 2 o, 他 们 在 去 耦 合 期 根 本 不 可 能 有 因 果 联 络 所 以 宇 宙 本 底 辐 射 近 乎 完 美 无 缺 的 各 向 同 性 给 宇 宙 大 爆 炸 理 论 带 来 了 一 个 根 本 性 的 困 难 地 平 问 题, 或 因 果 联 络 问 题 为 了 解 决 地 平 问 题, 古 斯 (Alan Guth) 在 1980 年 提 出 了 一 个 膨 胀 理 论 (Inflation Theory) 根 据 古 斯 的 膨 胀 理 论, 宇 宙 在 大 爆 炸 后 约 10 的 负 36 次 方 秒 到 10 的 负 33 次 方 秒 经 历 了 一 次 超 光 速 膨 胀, 在 这 短 暂 的 一 瞬 间 宇 宙 半 径 膨 胀 了 五 十 个 数 量 级, 地 平 问 题 似 乎 得 到 解 决 至 于 这 种 超 光 速 膨 胀 所 需 的 能 量 和 加 速 度, 似 乎 不 是 古 斯 关 心 的 事 情 膨 胀 理 论 的 另 一 个 成 绩 是 避 免 了 标 准 宇 宙 大 爆 炸 理 论 的 另 一 个 头 疼 问 题 磁 单 极 这 使 许 多 大 爆 炸 理 论 学 家 喜 出 望 外 但 相 当 多 的 宇 宙 学 家 仍 然 持 保 留 态 度 因 为 膨 胀 理 论 违 背 了 相 对 论 的 一 条 基 本 原 理 光 速 极 限 原 理 而 广 义 相 对 论 正 是 所 有 不 同 版 本 宇 宙 大 爆 炸 理 论 的 根 基 根 据 爱 因 斯 坦 的 相 对 论, 任 何 物 体 都 不 可 能 超 光 速 运 动 把 任 何 质 量 不 为 零 的 物 体 加 速 到 光 速 都 需 要 无 穷 大 的 能 量 把 整 个 宇 宙 在 不 到 10 的 负 33 次 方 秒 的 一 瞬 间 加 速 到 超 光 速 更 是 不 可 思 议 再 说, 是 什 么 机 制 在 宇 宙 大 爆 炸 后 的 10 的 负 36 次 方 秒 突 然 启 动 膨 胀 并 在 10 负 33 次 方 秒 突 然 停 止 膨 胀 呢? 这 种 所 谓 的 宇 宙 膨 胀 或 宇 宙 相 变 在 可 观 测 的 物 理 世 界 中 找 不 到 任 何 证 据, 只 能 看 作 是 一 种 为 补 救 地 平 问 题 而 空 想 出 来 的 临 时 性 手 段 (ad hoc measure) 地 平 问 题 的 根 源 在 光 速 极 限 原 理 解 决 地 平 问 题 即 是 为 了 拯 救 光 速 极 限 原 理 古 斯 为 了 拯 救 光 速 极 限 原 理 而 提 出 一 个 彻 底 破 坏 光 速 极 限 原 理 的 超 光 速 膨 胀 理 论, 这 是 最 直 接 的 逻 辑 背 理 怪 不 得 有 些 支 持 古 斯 的 宇 宙 学 家 也 不 好 意 思 把 他 的 膨 胀 理 论 称 为 理 论, 而 称 为 膨 胀 情 景 (inflation scenario) 总 而 言 之, 宇 宙 本 底 辐 射 试 验 数 据 对 宇 宙 大 爆 炸 理 论 是 忧 喜 掺 半 而 忧 比 喜 更 为 本 质 2 宇 宙 大 爆 炸 理 论 的 其 他 困 难 除 了 上 述 问 题 以 外, 宇 宙 大 爆 炸 理 论 还 有 许 多 基 本 困 难 这 里 择 要 讨 论 几 个 根 本 性 的 物 理 问 题

5 一 ) 极 端 地 违 反 物 质 守 恒 与 能 量 守 恒 定 律 一 切 创 造 论 无 法 回 答 也 无 法 回 避 的 问 题 是 世 界 如 何 从 无 到 有, 或 无 中 生 有 作 为 数 学 创 造 论 的 宇 宙 大 爆 炸 理 论 也 无 法 回 答 并 无 法 回 避 宇 宙 中 的 巨 大 能 量 和 物 质 从 何 而 来 这 样 一 个 根 本 问 题 年 青 气 盛 的 古 斯 说 那 是 一 顿 巨 大 的 免 费 午 餐 (a big free lunch) 霍 金 似 乎 更 具 学 者 气 质 他 在 上 世 纪 八 十 年 代 提 出 了 一 个 量 子 泡 沫 理 论 (quantum foam theory) 他 基 于 海 森 伯 原 理, 假 定 真 空 扰 动 会 产 生 量 子 气 泡 (quantum bubble) 量 子 气 泡 绰 号 又 叫 宇 宙 婴 儿 (baby universe), 半 径 约 为 10 的 负 33 次 方 厘 米, 比 质 子 半 径 小 二 十 个 数 量 级 每 一 个 量 子 气 泡 都 会 像 我 们 的 宇 宙 一 样 会 经 过 大 爆 炸 而 成 为 大 宇 宙, 并 通 过 时 空 隧 道 和 我 们 的 宇 宙 相 联 根 据 霍 金 的 理 论, 从 我 们 宇 宙 中 的 每 一 立 方 厘 米 的 空 间 中 每 秒 钟 要 因 扰 动 产 生 十 的 一 百 四 十 三 次 方 个 宇 宙 婴 儿! 即 是 说, 从 我 们 的 鼻 尖 上 或 眼 珠 子 里 每 时 每 刻 都 在 爆 炸 出 无 数 的 宇 宙, 当 然 这 些 宇 宙 大 爆 炸 的 威 力 和 速 度 应 该 比 手 榴 弹 或 原 子 弹 大 不 知 多 少 个 数 量 级, 但 我 们 看 不 见, 摸 不 着, 感 觉 不 到 疼 痛, 不 过 霍 金 的 方 程 式 却 可 以 算 出 来 至 于 爆 炸 所 需 的 能 量, 据 霍 金 说 是 在 大 爆 炸 时 从 真 空 中 借 来 的 这 种 借 贷 在 宇 宙 婴 儿 出 世 以 后 不 必 分 期 付 款 还 债, 只 要 在 宇 宙 大 湮 灭 (Big Crunch) 时 一 次 还 清 对 这 种 理 论 的 可 信 性 或 荒 谬 性 作 出 判 断, 应 该 不 需 要 太 多 的 智 慧 退 一 万 步 讲, 即 使 我 们 不 从 技 术 层 面 质 疑 量 子 泡 沫 理 论, 霍 金 仍 然 没 有 回 答 他 想 回 答 的 根 本 问 题 : 宇 宙 是 如 何 从 无 到 有 的? 作 为 无 尽 藏 的 Higgs 场 既 然 蕴 藏 着 可 转 化 为 物 质 的 无 限 能 量, 它 就 不 是 真 空 那 末,Higgs 场 是 在 宇 宙 大 爆 炸 之 前 就 存 在 呢, 还 是 在 宇 宙 大 爆 炸 之 时 才 存 在 的? 如 果 是 前 者, 则 宇 宙 大 爆 炸 之 前 并 不 是 一 无 所 有, 而 是 有 一 个 内 涵 十 分 丰 富 的, 十 分 能 动 的, 其 活 动 规 律 可 以 用 方 程 式 精 确 描 述 的 Higgs 场, 因 此 大 爆 炸 不 是 时 空 的 原 点, 大 爆 炸 之 前 时 空 仍 然 存 在 ; 如 果 是 后 者, 则 我 们 又 回 到 了 老 问 题 :Higgs 场 是 怎 么 在 宇 宙 大 爆 炸 之 时 突 然 产 生 的? 有 一 则 颇 具 哲 理 的 幽 默, 说 是 一 个 无 神 论 者 问 一 个 基 督 徒, 上 帝 在 创 造 世 界 之 前 在 干 什 么? 回 答 是 : 他 在 为 提 这 种 问 题 的 人 打 造 地 狱 如 果 你 问 宇 宙 大 爆 炸 理 论 家 们 大 爆 炸 以 前 是 怎 么 回 事, 回 答 是, 那 是 不 可 知 的 说 是 不 可 知, 只 是 说 凡 人 不 可 知, 大 爆 炸 理 论 家 们 是 什 么 都 知 道 的 他 们 确 切 地 知 道 大 爆 炸 以 前 质 量 精 确 地 等 于 零 他 们 又 知 道 那 时 ( 抱 歉, 还 得 借 用 这 时 字 ) 时 空 不 存 在 逻 辑 上, 似 乎 能 量 的 无 尽 藏 和 Higgs 场 也 应 该 在 大 爆 炸 以 前 就 存 在 吧 他 们 并 没 有 明 确 指 示 所 谓 不 可 知, 只 是 大 爆 炸 理 论 家 们 用 来 搪 塞 根 本 问 题 的 遁 词 二 ) 完 全 违 反 相 对 性 原 理 根 据 哈 勃 定 律, 宇 宙 中 的 所 有 物 体 都 各 向 同 性 地 离 开 地 球 往 外 飞, 似 乎 意 味 着 地 球 是 宇 宙 的 中 心 这 是 谁 都 无 法 接 受 的 中 世 纪 的 地 心 说, 是 完 全 违 反 相 对 性 原 理 的 但 是, 有 的 理 论 家 辩 解 说, 如 果 哈 勃 定 律 是 严 格 线 性 的, 即 使 地 球 不 在 宇 宙 的 中 心, 对 于 地 球 上 的 观 察 者 来 说, 宇 宙 中 的 所 有 物 体 都 会 看 上 去 好 像 各 向 同 性 地 离 开 地 球 往 外 飞 因 此, 宇 宙 大 爆 炸 理 论 不 坠 入 中 世 纪 的 地 心 说 的 唯 一 希 望 在 于 哈 勃 定 律 的 严 格 线 性 换 言 之, 如 果 哈 勃 定 律 被 证 明 是 非 线 性 的, 则 宇 宙 大 爆 炸 理 论 就 不 可 能 成 立 大 爆 炸 理 论 家 们 把 这 种 线 性 爆 炸 宇 宙 模 型 称 为 葡 萄 干 布 丁 模 型 (raisin pudding model) 或 气 球 模 型 (balloon model) 当 布 丁 被 蒸 而 均 匀 线 性 膨 胀 时, 相 对 于 任 何 一 个 葡 萄 干 所 有 别 的 葡 萄 干 都 各 向 同 性 地 线 性 地 离 开 它 往 外 膨 胀

6 哈 勃 定 律 的 严 格 线 性 恰 恰 遭 到 了 实 验 的 严 重 挑 战 美 国 麻 省 理 工 学 院 的 施 格 尔 (I.E. Segal) 和 国 防 分 析 研 究 院 的 尼 柯 尔 (J.F. Nicoll) 在 1992 年 12 月 的 自 然 科 学 院 会 报 第 89 期 天 文 学 上 (Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Vol. 89, pp , December 1992, Astronomy) 发 表 了 他 们 的 实 验 研 究 结 果, 证 明 了 哈 勃 定 律 的 非 线 性 施 格 尔 和 尼 柯 尔 用 多 种 统 计 方 法 对 红 外 线 天 文 卫 星 (IRAS) 的 2000 多 组 数 据 进 行 了 严 格 而 系 统 的 分 析 结 果 证 明 宇 宙 红 移 和 距 离 的 平 方 成 正 比, 而 不 是 和 距 离 的 一 次 方 或 三 次 方 成 正 比 而 此 前 的 教 科 书 上 引 用 的 线 性 哈 勃 定 律 是 基 于 从 阿 贝 尔 目 录 中 筛 选 出 的 116 组 数 据 得 到 的 筛 选 的 标 准 便 是 要 符 合 有 待 证 明 的 线 性 哈 勃 定 律 其 实, 即 使 哈 勃 定 律 的 严 格 线 性 没 有 遭 到 实 验 的 挑 战, 也 不 能 逃 避 地 心 说 所 谓 的 葡 萄 干 布 丁 模 型 依 据 的 是 经 典 力 学 中 坐 标 和 速 度 的 线 性 变 换, 可 是 宇 宙 大 爆 炸 理 论 是 建 立 在 相 对 论 力 学 上 的 在 相 对 论 中 速 度 的 变 换 是 非 线 性 的 因 此, 速 度 的 分 布 不 可 能 在 不 同 的 参 照 系 中 同 时 各 向 同 性 如 果 速 度 分 布 在 地 球 坐 标 系 中 各 向 同 性, 在 大 爆 炸 原 始 奇 点 (Original Singularity) 的 坐 标 系 中 便 不 可 能 各 向 同 性 反 之 也 一 样 所 以 各 向 同 性 的 哈 勃 定 律 势 必 导 致 地 心 说 如 果 抛 开 相 对 论, 而 采 用 经 典 物 理 的 速 度 变 换, 可 不 可 以 摆 脱 地 心 说 呢? 也 不 行 道 理 很 简 单 比 如 说, 我 们 考 虑 离 地 球 一 百 亿 光 年 球 面 上 的 银 河 系 我 们 现 在 观 测 到 的 这 些 银 河 系 的 位 置 和 速 度 是 它 们 一 百 亿 年 前 的 位 置 和 速 度 而 那 个 时 候 地 球 ( 那 时 地 球 是 否 已 经 形 成 并 不 重 要 ) 离 大 爆 炸 的 原 始 奇 点 比 现 在 要 近 三 分 之 二 的 距 离 ( 宇 宙 大 爆 炸 理 论 认 为 宇 宙 的 寿 命 为 一 百 五 十 亿 年 ) 即 是 说, 一 百 亿 年 前 地 球 并 不 在 这 一 圈 银 河 系 的 中 心, 根 据 线 性 哈 勃 定 律, 它 们 的 速 度 也 应 是 各 向 异 性 的, 而 这 和 实 验 观 测 结 果 相 悖 总 之, 无 论 哈 勃 定 律 是 线 性 还 是 非 线 性, 相 对 于 地 球 各 向 同 性 的 宇 宙 速 度 分 布 都 将 不 可 避 免 的 坠 入 地 心 说 葡 萄 干 布 丁 模 型 或 气 球 模 型 还 有 一 个 暗 藏 的 问 题, 那 就 是 支 持 布 丁 或 气 球 均 匀 膨 胀 的 能 量 从 哪 里 来? 我 们 知 道 布 丁 或 气 球 的 均 匀 膨 胀 必 须 依 靠 系 统 外 面 的 能 源 ( 火 炉 或 打 气 筒 ) 来 维 持 如 果 没 有 外 在 能 源, 现 实 中 任 何 自 由 爆 炸 的 系 统, 小 到 肥 皂 泡, 大 到 原 子 弹, 都 不 可 能 无 限 制 地 均 匀 膨 胀 如 此 重 要 的 一 个 问 题, 被 所 谓 的 度 规 膨 胀 和 时 空 纤 维 膨 胀 之 类 的 辞 令 悄 悄 掩 盖 了 如 果 度 规 或 时 空 纤 维 会 膨 胀, 则 被 测 量 的 时 空 和 用 以 测 量 的 工 具 ( 尺 子 和 钟 表 ) 应 该 同 时 按 比 例 膨 胀 试 问, 所 谓 的 度 规 膨 胀 或 时 空 纤 维 膨 胀 如 何 测 量 呢? 如 果 一 个 观 察 者 拿 着 和 宇 宙 成 比 例 膨 胀 的 尺 子 和 时 钟, 他 是 不 可 能 测 量 到 宇 宙 的 膨 胀 的, 也 测 不 到 什 么 宇 宙 红 移 三 ) 完 全 违 反 麦 克 斯 韦 速 度 分 布 律 任 何 爆 炸 系 统 都 是 一 个 热 力 系 综, 宇 宙 大 爆 炸 也 不 应 例 外 事 实 上, 许 多 热 力 学 定 理 被 运 用 来 演 绎 宇 宙 大 爆 炸 理 论 尤 其 是 这 一 理 论 宣 称 几 近 完 美 的 宇 宙 黑 体 辐 射 为 早 期 大 爆 炸 火 球 的 残 余, 更 要 求 宇 宙 大 爆 炸 是 一 个 几 近 完 美 的 热 力 系 综 人 们 期 待 着 宇 宙 大 爆 炸 理 论 遵 守 热 力 学 的 基 本 定 律 可 是, 作 为 热 力 学 的 基 本 定 律 之 一 的 麦 克 斯 韦 速 度 分 布 律 却 被 完 全 违 反 了 什 么 是 麦 克 斯 韦 速 度 分 布 律 呢? 定 性 地 说, 就 是 一 个 热 力 系 综 中 的 粒 子 的 速 度 服 从 一 定 的 几 率 分 布 速 度 很 大 或 速 度 很 小 的 粒 子 都 很 少 多 数 粒 子 都 具 有 某 一 中 间 速 度 如 果 我 们 将 粒 子 按 照 速 度 分 类, 每 单 位 速 度 间 隔 中 的 质 量 叫 质 量 密 度, 则 可 以 画 出 质 量 密 度 的 速 度 分 布 曲 线 当 速 度 趋 于 零 或 趋 于 无 穷 大 时 质 量 密 度 趋 于 零 相 对 于 最 大 质 量 密 度 的 速 度 称 为

7 最 可 几 速 度 每 一 热 力 系 综 的 统 计 平 均 速 度 取 决 于 系 综 的 温 度 或 平 均 动 能, 但 所 有 的 速 度 分 布 曲 线 都 服 从 同 样 的 麦 克 斯 韦 速 度 分 布 律, 即 两 头 小, 中 间 高, 不 太 对 称 的 近 乎 高 斯 分 布 的 有 限 单 峰 曲 线 可 是 宇 宙 大 爆 炸 理 论 描 述 的 却 是 完 全 不 同 的 速 度 分 布 计 算 并 不 困 难 我 们 以 大 爆 炸 原 始 奇 点 为 球 心 将 宇 宙 分 为 任 意 薄 的 许 多 同 心 球 面 根 据 宇 宙 大 爆 炸 理 论, 相 邻 球 面 之 间 的 粒 子 速 度 大 致 相 同 又 根 据 哈 勃 定 律, 速 度 和 球 面 半 径 成 正 比 所 以 单 位 速 度 间 隔 相 应 于 单 位 半 径 间 隔 质 量 密 度 实 际 上 和 相 隔 单 位 厚 度 的 两 层 球 面 之 间 的 质 量 成 正 比, 而 这 一 质 量 又 正 比 于 两 层 球 面 之 间 体 积, 因 而 正 比 于 半 径 的 平 方 ( 宇 宙 质 量 均 匀 分 布 是 大 爆 炸 理 论 的 另 一 基 本 假 设 ) 即 是 说, 质 量 密 度 正 比 于 速 度 的 平 方 这 种 质 量 分 布 完 全 违 反 麦 克 斯 韦 速 度 分 布 律, 在 现 实 世 界 中 根 本 找 不 到 任 何 例 证 四 ) 宇 宙 大 爆 炸 理 论 的 极 端 不 稳 定 性 时 空 平 坦 问 题 在 宇 宙 大 爆 炸 理 论 的 诸 多 自 由 参 数 中, 最 重 要 的 莫 过 于 宇 宙 物 质 密 度 它 直 接 关 系 到 宇 宙 未 来 的 命 运 如 果 宇 宙 物 质 密 度 太 大, 则 引 力 太 大, 宇 宙 将 是 封 闭 的, 最 终 将 被 引 力 拉 回 到 原 始 奇 点 而 消 失 在 大 湮 灭 (Big Crunch) 之 中 如 果 宇 宙 物 质 密 度 太 小, 则 引 力 太 小, 宇 宙 将 是 开 放 的, 最 终 将 无 限 发 散 到 物 质 密 度 为 零 只 有 当 物 质 密 度 等 于 一 个 临 界 值 时, 宇 宙 才 会 是 渐 近 平 坦 的, 也 就 是 我 们 生 存 于 其 中 的 实 际 宇 宙 宇 宙 学 家 把 物 质 密 度 和 临 界 物 质 密 度 的 比 定 义 为 密 度 参 数 只 有 当 密 度 参 数 等 于 一 时, 宇 宙 才 会 渐 近 平 坦 计 算 表 明, 为 了 得 到 一 个 我 们 所 在 的 渐 近 平 坦 的 宇 宙, 在 大 爆 炸 初 始, 密 度 参 数 几 乎 要 精 确 地 等 于 一, 误 差 不 能 大 于 十 的 负 五 十 八 次 方 如 果 密 度 参 数 与 一 的 偏 差 大 于 十 的 负 四 十 次 方, 宇 宙 将 在 不 到 一 秒 之 内 就 湮 灭 或 发 散 对 自 由 参 数 的 依 赖 灵 敏 到 十 的 负 五 十 八 次 方, 说 明 宇 宙 大 爆 炸 理 论 的 极 端 不 稳 定 性 如 果 我 们 看 看 宇 宙 大 爆 炸 理 论 关 于 宇 宙 的 未 来 结 局 对 密 度 参 数 的 依 赖, 这 种 不 稳 定 性 就 表 露 得 更 为 彻 底 密 度 参 数 从 临 界 值 任 何 无 穷 小 的 偏 离 将 意 味 着 宇 宙 绝 然 不 同 的 结 局 : 或 为 封 闭 宇 宙 而 湮 灭, 或 为 渐 近 平 坦 的 现 实 宇 宙, 或 为 开 放 宇 宙 而 发 散 为 零 大 爆 炸 宇 宙 学 家 此 时 往 往 会 说, 宇 宙 在 遥 远 的 过 去 和 未 来 究 竟 如 何 其 实 没 多 大 关 系 反 正 我 们 无 法 观 测 只 要 现 在 时 空 渐 近 平 坦 就 行 可 是, 如 果 宇 宙 在 遥 远 的 过 去 和 未 来 到 底 如 何 并 没 有 关 系, 那 宇 宙 学 还 有 什 么 意 义 呢? 宇 宙 学 的 意 义 不 正 在 于 对 于 过 去 和 未 来 的 正 确 认 识 吗? 如 果 连 宇 宙 是 否 会 永 远 存 在 下 去 还 是 某 一 天 会 湮 灭 这 样 的 问 题 都 不 能 回 答, 宇 宙 学 对 未 来 的 指 导 意 义 又 在 哪 里 呢? 五 ) 暗 物 质 问 题 上 述 平 坦 时 空 对 密 度 参 数 的 严 格 要 求 带 来 了 另 一 个 严 重 问 题 -- 暗 物 质 问 题 渐 近 平 坦 的 现 实 时 空 要 求 宇 宙 物 质 密 度 正 好 是 临 界 值, 约 为 每 立 方 米 10 的 负 26 次 方 公 斤 这 一 数 值 比 实 验 测 量 的 宇 宙 物 质 密 度 要 高 出 至 少 三 十 倍 比 之 对 氦, 氘 和 锂 的 丰 度 计 算 的 成 功, 对 宇 宙 物 质 密 度 计 算 的 失 败 更 为 重 要, 更 为 致 命 最 头 疼 的 是, 宇 宙 物 质 密 度 的 理 论 值 是 被 时 空 的 平 坦 性 牢 牢 锁 定 的, 毫 无 回 旋 余 地 既 然 宇 宙 大 爆 炸 理 论 和 实 验 观 测 无 法 妥 协, 理 论 家 们 于 是 宣 称 宇 宙 中 97% 的 物 质 是 观 测 不 到 的 暗 物 质 (Dark matter), 并 大 张 旗 鼓 地 推 动 对 暗 物 质 的 探 测 和 研 究 一 个 严 重 的 理 论

8 困 难 就 这 样 轻 易 地 化 解 了, 并 变 成 了 追 加 研 究 经 费 的 理 由 一 个 重 要 的 理 论 失 败 居 然 摇 身 一 变 为 重 大 发 现 对 于 实 验 天 体 物 理 学 不 太 了 解 的 人 们, 可 能 会 觉 得 暗 物 质 的 概 念 再 自 然 不 过 如 果 宇 宙 深 处 某 一 物 体 不 发 光, 你 就 看 不 见, 当 然 也 就 测 量 不 到 了 这 是 极 大 的 误 解 不 发 光 的 天 体 的 质 量 也 是 可 以 测 量 的 只 要 测 量 暗 天 体 的 某 一 发 光 卫 星 或 伴 星 的 速 度 和 半 径, 就 可 以 根 据 万 有 引 力 定 律 计 算 出 它 的 质 量 许 多 不 发 光 天 体 的 质 量 就 是 这 样 测 量 出 来 的 银 河 系 的 质 量 就 包 括 不 发 光 天 体 和 星 际 物 质 的 质 量 所 以 宇 宙 大 爆 炸 理 论 学 家 们 的 暗 物 质 其 实 是 指 用 万 有 引 力 定 律 都 无 法 测 量 到 的 物 质 有 人 假 设 暗 物 质 是 由 所 谓 的 弱 作 用 重 粒 子 (Weakly interacting massive particle, 简 称 WIMP) 组 成 有 的 假 设 中 微 子 有 质 量, 而 由 中 微 子 的 质 量 来 填 补 理 论 和 实 验 之 间 的 差 距 弱 作 用 重 粒 子 和 重 中 微 子 纯 系 为 了 摆 脱 理 论 困 难 杜 撰 出 来 的 毫 无 实 验 根 据 的 猜 测 宇 宙 大 爆 炸 理 论 的 基 础 是 引 力 方 程 逻 辑 上, 由 这 一 方 程 推 出 的 物 质 质 量 当 然 应 该 服 从 万 有 引 力 定 律 如 果 它 不 服 从 万 有 引 力 定 律, 又 怎 么 能 够 在 保 持 时 空 平 坦 中 起 任 何 作 用 呢? 所 谓 的 弱 作 用 重 粒 子 的 概 念 是 逻 辑 上 背 理 的 有 人 说, 宇 宙 大 爆 炸 理 论 是 巅 扑 不 破 的 (not falsifiable) 理 论 因 为 理 论 家 们 有 一 打 自 由 参 数 可 供 调 整 来 拟 合 某 些 实 验 数 据 ( 比 如 轻 元 素 的 丰 度 ) 如 果 理 论 和 实 验 相 悖 ( 比 如 宇 宙 的 物 质 密 度 ), 则 或 者 宣 布 实 验 不 可 靠, 或 将 理 论 和 实 验 的 不 符 解 释 为 理 论 发 现 ( 暗 物 质,WIMP 粒 子, 重 中 微 子 ) 如 果 计 算 结 果 发 散, 则 强 加 上 下 限 值 (cutoff) 而 使 其 收 敛 如 果 理 论 方 程 式 违 背 物 理 定 律, 便 宣 布 某 定 律 不 适 用 如 果 需 要 宇 宙 以 超 光 速 膨 胀, 便 宣 布 光 速 极 限 原 理 在 膨 胀 期 不 适 用, 爱 因 斯 坦 场 方 程 在 大 爆 炸 初 期 不 成 立 如 果 四 维 空 间 不 够 用, 便 加 成 十 维 或 二 十 六 维, 爆 炸 以 后 10 的 负 43 次 方 秒 时 再 把 高 维 空 间 关 掉 如 果 这 一 切 还 不 够, 索 性 宣 布 时 空 不 存 在 宇 宙 大 爆 炸 理 论 家 们 有 了 对 物 理 定 律 和 逻 辑 规 律 生 杀 予 夺 的 无 限 权 力, 他 们 的 理 论 当 然 也 就 巅 扑 不 破 了 可 是 看 不 见 皇 帝 的 新 衣 的 天 真 的 孩 子 仍 不 免 要 问 : 如 果 连 时 空 都 不 存 在, 你 们 怎 么 写 Higgs 场 方 程 呢? 负 责 产 生 真 空 扰 动 的 海 森 伯 原 理 又 如 何 表 述 呢? 不 存 在 于 时 空 中, 却 有 无 穷 尽 能 量 的 真 空 ( 还 得 借 用 这 个 空 字 ) 是 个 什 么 东 西 呢? 没 有 时 空, 能 量 如 何 表 述 呢? 六 ) 多 重 宇 宙 问 题 在 任 何 文 化 的 任 何 语 言 中, 都 有 一 个 词, 其 意 义 是 时 间 和 空 间 中 的 一 切 在 中 文 里, 这 个 词 便 是 宇 宙, 英 文 翻 译 为 universe 大 爆 炸 理 论 家 们 的 重 大 发 明 之 一 是 多 重 宇 宙 (multiverse) 的 概 念 一 般 人 从 科 普 读 物 或 好 莱 坞 科 幻 电 影 中 得 到 的 多 重 宇 宙 的 概 念 似 乎 是 在 我 们 的 宇 宙 外 面 存 在 着 许 多 宇 宙, 好 像 三 十 三 重 天, 天 外 有 天 的 意 思 这 又 是 一 种 错 觉 和 误 解 宇 宙 大 爆 炸 理 论 认 为 宇 宙 在 时 间 和 空 间 上 都 是 有 限 的, 在 这 个 限 度 以 外 一 切 都 不 可 知, 或 者 说 时 空 不 存 在 所 以 这 许 许 多 多 的 宇 宙 在 时 空 上 是 重 叠 的 多 重 宇 宙 的 概 念 产 生 于 上 世 纪 六 十 年 代 当 时 学 界 已 经 知 道 爱 因 斯 坦 场 方 程 的 一 个 解 析 解 -- 施 瓦 兹 查 尔 德 解 (Schwarzschild solution), 适 用 于 静 止 的 球 对 称 引 力 场 施 瓦 兹 查 尔 德 解 中 有 奇 点 存 在 当 半 径 等 于 ( 2 G M / c 2 ) 时, 施 瓦 兹 查 尔 德 解 发 散 这 个 特 殊 的 半 径 值 叫 施 瓦 兹 查 尔 德 半 径 为 了 补 救 这 种 发 散, 克 鲁 斯 科 (M.D. Kruskal) 于 1960 年 提 出 一 种 坐 标 变 换, 将 半 径 和 时 间 坐 标 (r,t) 变 换 成 (u,v) 坐 标 在 (u,v) 坐 标 中, 奇 点 消 失 了 问 题 是, 克 鲁 斯 科 变 换 不 是 一 一 对 应 的 变 换 每 一 个 时 空 坐 标 (r,t) 对 应 于 两 个 (u,v) 坐 标 这 样 在 (u,v) 图 表

9 中 就 有 两 支 时 空 曲 线 生 出 两 个 宇 宙 一 个 宇 宙 有 黑 洞, 另 一 个 有 白 洞 注 意 这 两 个 宇 宙 的 时 空 坐 标 (r,t) 是 一 样 的, 时 空 上 是 重 叠 的 即 是 说, 当 你 和 爱 人 在 窗 前 月 下 共 话 巴 山 夜 雨 时, 别 的 宇 宙 的 同 志 可 能 正 和 你 们 站 在 同 一 个 窗 户 边 上 吵 架, 并 且 他 们 的 身 体 和 你 们 的 可 以 重 叠, 可 以 互 相 穿 透 而 毫 无 感 觉 至 于 (u,v) 坐 标 到 底 是 什 么 东 西, 物 理 意 义 如 何, 谁 也 不 知 道 对 相 信 灵 魂 和 肉 体 同 时 存 在 的 朋 友, 双 重 宇 宙 的 图 像 似 乎 是 个 福 音 但 不 久 柯 尔 (R.P. Kerr) 找 到 了 爱 因 斯 坦 场 方 程 的 另 一 个 适 用 于 旋 转 的 球 对 称 引 力 场 的 解 析 解, 当 然 也 包 涵 奇 点 如 果 对 柯 尔 解 进 行 类 似 的 坐 标 变 换, 则 可 以 变 出 无 穷 个 宇 宙 来 而 一 个 肉 体 同 时 装 着 无 穷 个 灵 魂 的 故 事 在 任 何 文 化 的 任 何 神 怪 故 事 中 都 找 不 到 物 理 学 的 基 本 原 理 之 一 是 相 对 性 原 理 根 据 这 一 原 理, 宇 宙 中 的 物 理 现 象 是 客 观 存 在 的, 不 以 坐 标 系 的 选 择 而 不 同 某 些 理 论 家 们 却 以 为 通 过 坐 标 系 的 选 择 ( 仅 仅 是 数 学 手 段 ) 便 可 以 将 发 散 的 时 空 度 规 变 成 有 限 的 时 空 度 规, 单 个 宇 宙 可 以 变 出 双 重 宇 宙 或 多 重 宇 宙 对 相 对 性 原 理 的 违 反, 莫 此 为 甚 由 此 可 见, 所 谓 多 重 宇 宙 问 题, 完 全 是 数 学 家 们 非 一 一 对 应 数 学 变 换 的 产 物, 毫 无 物 理 意 义 我 们 可 以 举 一 个 浅 显 的 例 子 如 果 给 定 立 方 体 的 体 积 为 一 立 方 米, 边 长 是 多 少 呢? 只 要 开 立 方 就 行 初 中 生 的 答 案 是 一 米 可 是 学 过 复 数 的 高 中 生 说 不 对, 一 的 立 方 根 在 复 平 面 上 有 三 个 不 同 的 数 值 一 只 是 实 数 解, 其 他 两 个 复 数 解 属 于 两 个 不 同 的 宇 宙 如 果 允 许 复 数 的 相 角 不 局 限 于 0 到 360 度 的 主 值, 则 可 以 有 无 穷 多 个 解, 属 于 无 穷 多 个 不 同 的 宇 宙 这 种 理 论 有 没 有 任 何 物 理 意 义 呢? 排 除 没 有 物 理 意 义 的 解, 不 正 是 解 方 程 的 任 务 的 一 部 分 吗? 3 挑 战 宇 宙 大 爆 炸 的 各 种 理 论 因 为 上 述 各 种 困 难 的 基 本 性 质, 涉 及 到 是 否 要 抛 弃 物 理 学 赖 以 建 立 的 根 基, 诸 如 能 量 和 物 质 守 恒 定 律, 相 对 性 原 理, 光 速 极 限 原 理, 时 空 的 连 续 性, 因 果 律 等 等, 加 上 宇 宙 大 爆 炸 理 论 本 身 的 不 自 洽, 过 多 的 自 由 参 数 以 及 为 补 救 困 难 而 提 出 的 各 种 假 说 的 任 意 性 和 轻 率 性, 许 多 物 理 学 家 无 论 如 何 无 法 接 受 宇 宙 大 爆 炸 理 论 至 上 世 纪 末, 各 种 各 样 的 不 同 理 论 被 提 出 来, 试 图 取 代 大 爆 炸 理 论 比 较 有 代 表 性 的 有 疲 倦 光 子 理 论, 稳 态 宇 宙 理 论, 反 银 河 系 理 论, 时 变 引 力 理 论, 收 缩 宇 宙 论, 等 等 这 些 理 论 试 图 避 免 宇 宙 大 爆 炸 理 论 中 的 某 些 根 本 困 难, 但 未 能 提 供 重 要 的 理 论 预 言, 在 方 法 论 上 有 的 重 复 着 宇 宙 大 爆 炸 理 论 的 毛 病 这 些 替 代 理 论 (alternative theory) 仍 是 学 术 界 讨 论 的 话 题, 但 没 有 对 宇 宙 大 爆 炸 理 论 产 生 根 本 性 的 冲 击 4 宇 宙 红 移 的 色 散 衰 变 理 论 (DET 理 论 ) 2005 年, 我 在 物 理 文 献 (Physics Essays) 杂 志 上 发 表 了 宇 宙 红 移 的 色 散 衰 减 理 论 (Dispersive Extinction Theory of Red Shift, 简 称 DET 理 论 ) 一 文, 并 在 2006 年 四 月 美 国 物 理 学 会 年 会 上 报 告 了 这 一 理 论 DET 理 论 对 宇 宙 大 爆 炸 理 论 的 实 验 根 基 哈 勃 定 律 提 出 了 完 全 不 同 的 解 释 根 据 DET 理 论, 宇 宙 红 移 并 不 是 由 于 恒 星 或 银 河 系 的 运 动 速 度 造 成 的 多 普 勒 效 应, 而 是 由 于 宇 宙 空 间 媒 体 (space medium) 对 光 线 的 色 散 衰 减 ( 包 括 吸 收 和 散 射 ) 造 成 的 天 体 物 理 学 界 对 空 间 媒 体 的 色 散 衰 减 特 性 在 实 验 和 理 论 上 都 有 非 常 深 入 的 研 究, 积 累 了 大 量 的 实 验 数 据 在 可 见 光 频 谱 范 围 内, 空 间 媒 体 对 光 线 的 衰 减 差 不 多 和 波 长 成 反 比, 在 红 外 和

10 紫 外 频 段 呈 某 种 程 度 的 非 线 性, 在 波 长 等 于 2175 埃 时 有 一 个 共 振 吸 收 峰 空 间 媒 体 对 光 线 的 色 散 衰 减 使 恒 星 看 上 去 比 实 际 颜 色 要 红 (star reddening), 对 地 球 上 的 观 察 者 的 视 在 亮 度 比 实 际 亮 度 小 这 些 现 象 已 经 被 天 体 物 理 学 家 们 研 究 得 非 常 透 彻, 成 了 常 识 但 直 到 2005 年 以 前 谁 都 没 有 发 现 空 间 媒 体 的 色 散 衰 减 会 造 成 恒 星 谱 线 的 红 移 究 其 原 因, 是 因 为 在 宽 阔 的 频 谱 中 任 何 一 条 单 独 谱 线 看 上 去 都 像 只 有 单 一 频 率 的 细 线 加 上 哈 勃 定 律 先 入 为 主, 在 物 理 学 家 脑 中 将 宇 宙 红 移 归 因 于 多 普 勒 效 应 已 成 思 维 定 势 谁 都 不 曾 想 到 谱 线 宽 度 会 在 宇 宙 红 移 现 象 中 有 什 么 要 紧 事 实 上, 任 何 谱 线 都 有 一 定 的 宽 度, 而 不 是 只 有 单 一 的 波 长 我 们 知 道, 恒 星 光 谱 的 光 线 是 由 寿 命 有 限 的 波 包 组 成 的 不 相 干 光 理 论 上, 只 有 时 间 从 负 无 穷 大 到 正 无 穷 大 的 简 谐 振 动 才 有 单 一 频 率 任 何 有 限 波 包 的 频 谱 都 覆 盖 从 零 到 无 穷 的 整 个 频 谱 实 际 上, 大 多 数 恒 星 光 谱 的 谱 线 宽 度 约 为 几 个 埃 到 几 十 个 埃 射 电 类 星 体 (quasar) 的 谱 线 宽 度 可 以 宽 到 约 一 百 埃 谱 线 的 频 率 分 布 ( 或 波 长 分 布 ) 可 以 用 洛 仑 兹 曲 线 或 高 斯 曲 线 代 表 既 然 恒 星 光 谱 的 谱 线 是 有 宽 度 的 高 斯 分 布, 其 在 空 间 媒 体 中 的 传 播 当 然 要 受 到 色 散 衰 减 的 影 响 即 是 说, 高 斯 曲 线 的 蓝 色 成 分 比 红 色 成 分 衰 减 的 多 些, 这 就 造 成 高 斯 曲 线 的 峰 值 向 红 色 方 向 移 动, 也 就 是 谱 线 的 红 移 恒 星 离 我 们 越 远, 空 间 媒 体 的 厚 度 便 越 大, 红 移 也 越 大 计 算 表 明, 如 果 恒 星 或 银 河 系 离 我 们 不 太 远, 空 间 媒 体 的 色 散 衰 减 造 成 的 红 移 近 似 地 和 恒 星 离 我 们 的 距 离 成 正 比 这 就 是 哈 勃 发 现 的 红 移 和 星 等 的 近 似 正 比 关 系 -- 哈 勃 定 律 如 果 距 离 大, 并 考 虑 色 散 曲 线 的 非 线 性, 则 红 移 和 距 离 的 关 系 也 是 非 线 性 的 发 人 深 省 的 是, 哈 勃 终 其 一 生 对 宇 宙 红 移 的 多 普 勒 解 释 都 不 满 意 可 是 当 时 多 普 勒 效 应 似 乎 是 他 知 道 的 唯 一 能 造 成 红 移 的 物 理 机 制 如 果 当 时 有 了 DET 理 论, 他 也 许 不 会 把 宇 宙 红 移 归 因 于 天 体 的 运 动, 而 尔 后 的 宇 宙 学 也 许 会 是 完 全 不 同 的 面 貌 DET 理 论 不 仅 对 红 移 和 距 离 的 关 系 提 供 了 全 新 的 解 释, 它 还 揭 示 了 前 所 未 知 的 丰 富 内 容, 那 就 是, 宇 宙 红 移 不 仅 和 距 离 有 关, 还 和 谱 线 的 波 长 和 谱 线 宽 度 有 关 在 线 性 近 似 下, 宇 宙 红 移 和 谱 线 宽 度 的 平 方 成 正 比, 和 波 长 的 立 方 成 反 比 此 外,DET 理 论 还 可 以 成 功 地 解 释 宇 宙 本 底 辐 射, 并 可 解 答 奥 尔 伯 斯 悖 论 (Olbers paradox) DET 理 论 并 不 排 除 天 体 的 局 部 运 动, 只 是 排 除 宇 宙 的 总 体 膨 胀 正 如 我 们 说 大 海 没 有 膨 胀, 并 不 排 除 大 海 里 的 鱼 和 水 分 子 的 局 部 运 动 DET 理 论 依 据 的 是 天 体 物 理 确 立 了 多 年 的 有 关 空 间 媒 体 的 知 识, 没 有 强 加 任 何 违 背 物 理 定 律 的 假 设 所 用 的 数 学 极 为 简 单, 仅 仅 需 要 一 点 微 积 分 和 频 谱 分 析, 一 般 的 理 工 科 大 学 生 都 能 理 解 所 以 DET 理 论 可 以 让 所 有 从 事 理 论 和 实 验 的 科 学 工 作 者 来 检 验 在 这 一 点 上,DET 理 论 绝 然 不 同 于 那 些 依 靠 繁 复 的 数 学 来 隐 藏 基 本 假 定, 是 非 评 判 囿 于 一 个 理 论 小 圈 子 的 理 论 DET 理 论 并 不 扬 言 是 万 能 理 论 (theory of everything) 它 只 是 一 个 关 于 宇 宙 红 移 的 理 论, 和 诸 如 轻 元 素 丰 度 的 计 算 等 问 题 无 关 但 是 它 动 摇 了 宇 宙 大 爆 炸 理 论 的 实 验 基 础 而 支 持 一 个 在 空 间 和 时 间 上 无 穷 的, 稳 定 的 经 典 宇 宙 DET 理 论 和 大 爆 炸 理 论 孰 是 孰 非, 很 容 易 通 过 实 验 检 验 根 据 大 爆 炸 理 论, 从 同 一 个 天 体 来 的 不 同 谱 线 的 红 移 应 是 一 样 的 可 是 根 据 DET 理 论, 同 一 个 天 体 来 的 不 同 谱 线 的 红 移 却 可 以 因 波 长 和 谱 线 宽 度 的 不 同 而 不 同 大 量 射 电 类 星 体 (quasar) 的 特 点 之 一 就 是 不 同 谱 线 的 红 移 差 别 很 大 比 如 说, 射 电 类 星 体 Quasar 的 三 条 谱 线 Mg+, C3+, 和 H Lya 的 红 移 分 别 是 0.82, 1.95 和 2.43 因 为 这 些 谱 线 属 于 同 一 频 谱, 所 以 绝 对 是 从 同 一 个 天 体 来 的 这 是 对 大 爆 炸 理 论 的 直 接 反 证, 但 并 不 和 DET 理 论 冲 突

11 另 一 个 实 验 事 实 是 宇 宙 红 移 的 非 线 性 这 是 对 大 爆 炸 理 论 的 又 一 个 直 接 反 证, 但 并 不 和 DET 理 论 冲 突 DET 理 论 还 预 言 同 一 天 体 的 不 同 谱 线 的 红 移 和 谱 线 宽 度 的 平 方 成 正 比, 和 波 长 的 立 方 成 反 比 如 果 这 两 个 预 言 得 到 了 实 验 证 实, 则 DET 理 论 的 正 确 性 将 不 容 置 疑 对 这 两 个 预 言 的 实 验 验 证 应 该 是 不 太 难 的 我 们 期 待 实 验 天 体 物 理 学 界 这 方 面 的 进 一 步 研 究 和 检 验 我 也 在 寻 求 同 行 的 合 作 我 曾 希 望 能 从 已 经 发 表 的 文 献 中 挖 出 实 验 数 据 以 验 证 这 两 个 预 言, 可 惜 未 能 如 愿 大 抵 因 为 天 体 物 理 学 界 一 直 以 为 红 移 是 由 天 体 运 动 造 成 的, 不 知 道 谱 线 宽 度 和 波 长 会 对 红 移 有 影 响, 所 以 同 一 天 体 不 同 谱 线 的 红 移 都 被 简 单 地 平 均 了 ( 除 非 能 解 释 为 银 河 系 的 转 动 ); 而 谱 线 宽 度 的 数 据 或 者 没 有 系 统 地 记 录, 或 者 记 录 了 没 有 发 表 这 说 明 了 如 果 一 个 理 论 被 先 验 地 认 定 为 真 理, 对 实 验 研 究 会 产 生 多 么 深 远 的 影 响 5 宇 宙 到 底 有 穷 还 是 无 穷 大 爆 炸 理 论 的 存 在 还 有 哲 学 上 的 原 因, 那 就 是 宇 宙 的 有 限 性, 或 时 空 的 有 限 性 理 论 上, 任 何 基 于 宇 宙 有 穷 假 定 的 理 论 最 终 势 必 导 致 宇 宙 因 引 力 而 坍 塌 爱 因 斯 坦 的 有 限 球 对 称 宇 宙 一 开 始 便 陷 入 了 这 一 困 境 唯 一 可 能 抵 抗 万 有 引 力 而 避 免 坍 塌 的 力 只 有 因 转 动 产 生 的 离 心 力, 一 如 行 星 依 靠 围 绕 恒 心 转 动 的 离 心 力 维 持 轨 道 的 稳 定 可 是 爱 因 斯 坦 知 道 转 动 不 能 解 决 困 难, 因 为 除 非 我 们 违 背 相 对 性 原 理, 假 定 宇 宙 间 存 在 某 一 绝 对 参 照 系, 否 则 我 们 总 可 以 选 择 一 个 宇 宙 在 其 中 没 有 转 动 的 参 照 系 来 讨 论 问 题 另 一 个 使 爱 因 斯 坦 不 愿 触 及 转 动 的 潜 在 原 因 是 和 光 速 极 限 原 理 的 冲 突 即 是 说, 爱 因 斯 坦 时 空 是 无 法 转 动 的 详 见 拙 作 "Rotational Behavior of Einsteinian Space" [Ling Jun Wang, IL Nuovo Cimento (Italian Journal Of Physics), Vol. 115B, N.6, pp , 2000.] 于 是, 爱 因 斯 坦 提 出 了 一 个 大 胆 假 设, 即 宇 宙 中 可 能 存 在 着 一 种 万 有 斥 力 他 在 引 力 方 程 中 加 入 了 一 个 斥 力 项, 又 叫 宇 宙 项 问 题 是 这 种 假 设 的 万 有 斥 力 必 须 和 距 离 成 正 比 才 能 使 宇 宙 稳 定 即 是 说, 距 离 越 远, 这 种 作 用 越 强 生 活 在 地 球 上 的 人 感 觉 不 到 附 近 星 球 的 斥 力, 却 被 远 在 宇 宙 边 际 的 星 球 的 巨 大 万 有 斥 力 所 控 制 这 无 异 于 星 象 学, 在 科 学 上 是 背 理 的 爱 因 斯 坦 因 而 抛 弃 了 他 的 宇 宙 项 和 万 有 斥 力 假 设 大 爆 炸 理 论 家 们 认 为 这 是 爱 因 斯 坦 一 生 犯 下 的 最 大 错 误 他 们 重 新 捡 起 了 宇 宙 项, 并 比 爱 因 斯 坦 当 年 走 得 更 远 这 一 宇 宙 项 不 但 可 以 承 担 稳 定 宇 宙 的 艰 巨 任 务, 还 可 以 使 宇 宙 发 散 或 封 闭, 一 切 唯 理 论 家 之 命 是 从 其 实 爱 因 斯 坦 的 宇 宙 项 万 有 斥 力 假 设 是 被 宇 宙 有 限 的 前 提 逼 出 来 的 爱 因 斯 坦 的 困 难 反 证 了 宇 宙 无 限 哲 学 的 合 理 性 一 个 无 限 的 宇 宙 是 永 远 稳 定 的 宇 宙 有 无 极 限 问 题 是 比 任 何 所 谓 的 宇 宙 学 原 理, 诸 如 大 范 围 均 匀 原 理, 都 要 更 为 基 本 的 原 理, 也 是 划 分 不 同 宇 宙 学 派 最 主 要 的 特 征 和 分 水 岭 任 何 时 间 上 有 限 的 宇 宙 论 不 可 避 免 地 要 归 结 到 创 造 论, 因 而 无 法 回 避 宇 宙 如 何 从 无 到 有 的 问 题, 无 法 不 违 背 质 能 守 恒 定 律 因 此 可 以 说, 哲 学 上 创 造 论 和 非 创 造 论 的 分 野, 反 映 在 物 理 学 上 就 是 违 背 还 是 遵 守 质 能 守 恒 定 律 的 分 野, 在 宇 宙 学 上 就 是 有 穷 和 无 穷 宇 宙 的 分 野 6 海 森 伯 原 理 和 物 质 守 恒 定 律 前 面 谈 到, 大 爆 炸 理 论 家 们 根 据 海 森 伯 原 理, 假 设 真 空 扰 动 可 以 产 生 物 质 在 他 们 看 来, 海 森 伯 原 理 比 物 质 守 恒 定 律 更 为 基 本, 可 以 破 坏 物 质 守 恒 定 律

12 每 一 个 科 学 工 作 者, 无 论 是 理 论 家, 实 验 家 还 是 工 程 技 术 人 员, 都 知 道 物 质 守 恒 定 律 和 能 量 守 恒 定 律 的 重 要 性 和 基 本 性 可 以 说, 如 果 物 质 守 恒 定 律 和 能 量 守 恒 定 律 被 推 翻, 物 理 学 以 至 科 学 的 整 个 理 论 体 系 都 要 被 推 翻 我 们 知 道, 不 但 经 典 物 理 严 格 地 遵 守 物 质 守 恒 定 律 和 能 量 守 恒 定 律, 就 是 现 代 物 理 的 两 大 支 柱 相 对 论 和 量 子 力 学 的 建 立, 也 不 违 背 物 质 守 恒 定 律 和 能 量 守 恒 定 律 物 质 守 恒 定 律 和 能 量 守 恒 定 律 的 正 确 性 经 过 了 几 个 世 纪 不 知 多 少 实 验 的 检 验, 无 一 违 反 的 例 子 关 于 物 质 守 恒 定 律 的 重 要 性 和 基 本 性, 毋 庸 赘 述 至 于 海 森 伯 原 理, 在 薛 定 谔 最 初 建 立 量 子 力 学 时, 并 不 是 必 要 的 大 前 提, 而 只 是 薛 定 谔 方 程 的 一 个 结 果 只 是 在 量 子 场 论 中, 海 森 伯 原 理 才 被 赋 予 基 本 的 重 要 性, 与 之 相 连 的 对 易 关 系 被 用 来 定 义 玻 色 子 和 费 米 子 虽 然 我 们 不 能 根 据 爱 因 斯 坦 对 量 子 力 学 的 否 定 来 对 量 子 力 学 下 定 论, 但 毋 庸 讳 言 的 是, 量 子 力 学 和 量 子 场 论 仍 是 现 象 逻 辑 性 的 理 论 (phenomenological theory) 量 子 力 学 的 基 本 假 设, 尤 其 是 物 理 量 算 符 化 和 几 率 波 假 设, 没 有 办 法 用 独 立 的 宏 观 实 验 来 检 验 量 子 场 论 中 的 二 次 量 子 化 和 重 整 化, 又 是 两 条 追 加 的 无 法 独 立 检 验 的 基 本 假 设 量 子 理 论 对 氢 原 子 光 谱, 电 子 反 常 磁 矩, 兰 姆 移 动, 半 导 体 能 级 的 计 算 以 及 弱 电 统 一 模 型 使 我 们 对 这 一 理 论 有 些 信 心, 但 也 不 能 无 视 某 些 根 本 困 难 重 整 化 在 概 念 上 不 是 无 懈 可 击 的, 且 并 没 有 完 全 解 决 发 散 问 题 量 子 场 论 几 十 年 的 发 展 史, 某 种 意 义 上 可 以 说 是 一 个 驯 服 无 穷 发 散 的 历 史, 而 发 散 问 题 至 今 未 被 完 全 驯 服 虚 光 子 和 Higgs 场 机 制 仍 然 是 两 个 谜 磁 单 极 是 量 子 场 论 的 理 论 包 袱 量 子 理 论 仍 是 一 个 有 待 进 一 步 检 验 的 发 展 中 的 现 象 逻 辑 性 的 理 论 用 这 一 理 论 中 的 海 森 伯 原 理 来 否 定 物 质 守 恒 定 律, 显 然 是 站 不 住 脚 的 7 科 学 研 究 的 一 般 原 则 和 方 法 论 问 题 宇 宙 学 虽 然 是 一 个 很 窄 的 领 域, 大 爆 炸 理 论 却 代 表 着 二 十 世 纪 理 论 物 理 研 究 中 哲 学 和 方 法 论 上 的 极 端 唯 心 主 义 偏 向 在 这 些 理 论 家 看 来, 方 程 式 的 对 称 性 和 数 学 美 比 任 何 物 理 定 律 都 更 为 重 要, 更 为 基 本 ; 海 森 伯 原 理 比 物 质 守 恒 定 律 和 能 量 守 恒 定 律 更 基 本, 可 以 在 极 端 的 时 候 破 坏 这 些 守 恒 定 律 而 无 中 生 有, 创 造 整 个 甚 至 无 穷 多 个 宇 宙 这 些 理 论 家 的 一 个 共 同 特 点 是 非 常 随 意 地 提 出 许 多 和 物 理 定 律 相 违 背, 违 反 逻 辑 的 基 本 假 定 从 这 些 假 定 的 大 前 提 出 发 进 行 数 学 运 算, 如 果 结 果 和 实 验 不 符, 便 加 入 新 的 假 定, 直 到 得 出 和 实 验 结 果 相 符 的 数 值 初 看 起 来, 这 不 正 是 科 学 遵 循 的 以 实 验 检 验 理 论 的 传 统 方 法 吗? 其 实 不 然 传 统 科 学 有 时 也 需 要 提 出 一 些 大 胆 的 理 论 设 想 以 推 动 科 学 前 进, 但 这 种 新 的 科 学 设 想 的 提 出 往 往 遵 循 基 本 逻 辑 规 律 并 尽 量 尊 重 已 为 实 验 验 证 的 物 理 定 律 理 论 假 设 提 出 以 后, 需 要 通 过 大 量 相 互 独 立 的 宏 观 实 验 的 检 验 才 能 建 立 对 新 理 论 的 不 同 程 度 的 信 心 像 物 质 守 恒 定 律, 能 量 守 恒 定 律, 电 荷 守 恒 定 律, 因 果 律, 物 质 不 可 重 叠 性, 时 间 不 可 逆 转 性, 空 间 的 三 维 性, 等 等, 都 经 过 了 无 数 独 立 的 宏 观 实 验 检 验, 从 未 观 察 到 违 背 的 反 例 只 有 经 过 了 无 数 独 立 的 宏 观 实 验 检 验 过 的 定 理 才 可 作 为 进 一 步 研 究 的 前 提 大 爆 炸 理 论 家 们 却 反 其 道 而 行 之, 可 以 为 了 凑 出 某 个 实 验 数 值 而 随 便 塞 入 几 个 违 背 物 理 基 本 定 律 和 逻 辑 规 则 的 新 假 定 而 这 些 新 假 定 有 没 有 经 过 检 验 无 关 紧 要 这 是 大 爆 炸 理 论 和 传 统 科 学 研 究 方 法 的 一 个 主 要 区 别 许 多 人 奉 行 这 么 一 种 哲 学, 正 确 的 假 设 固 然 是 伟 大 的 发 现, 荒 唐 的 假 设 则 可 以 打 知 名 度 一 百 个 假 设 中 只 要 有 一 个 是 对 的, 就 可 以 成 大 功 名 人 们 只 记 得 伟 大 的 发 现, 而

13 会 原 谅 并 忘 却 荒 唐 的 假 设 这 种 心 态 鼓 励 人 们 把 严 格 的 科 学 研 究 变 成 一 种 荒 唐 比 赛 语 不 惊 人 死 不 休 语 不 荒 唐 死 不 休 当 理 论 预 言 与 实 验 结 果 相 悖 时, 科 学 的 态 度 是 一 方 面 检 查 实 验 的 可 靠 性 和 精 确 性, 一 方 面 检 查 理 论 的 严 密 性 和 大 前 提 的 合 理 性 理 论 与 实 验 结 果 明 显 相 悖 通 常 是 发 现 理 论 根 本 错 误 的 极 好 机 会 只 有 在 确 信 理 论 和 实 验 都 无 懈 可 击 的 时 候, 才 有 理 由 猜 想 新 的 机 制 和 现 象 可 是 大 爆 炸 理 论 家 们 在 这 种 时 候 往 往 异 乎 寻 常 地 武 断 和 轻 率 当 大 爆 炸 理 论 预 言 的 宇 宙 物 质 比 实 际 测 量 的 大 几 十 倍 时, 他 们 立 即 宣 称 97% 的 物 质 是 不 可 测 量 的 暗 物 质, 并 假 设 各 种 奇 奇 怪 怪 的, 没 有 任 何 实 验 根 据 的 粒 子 ( 当 然 也 应 该 是 不 可 测 量 的 ) 的 存 在 来 解 释 暗 物 质 的 质 量 当 地 平 问 题, 磁 单 极 问 题, 宇 宙 大 范 围 不 均 匀 问 题 等 等 揭 示 了 大 爆 炸 理 论 本 身 的 不 自 洽 时, 又 可 以 不 惜 违 背 光 速 极 限 原 理 和 质 能 守 恒 定 律 提 出 新 的 膨 胀 理 论 来 补 救 毫 不 夸 张 地 说, 每 当 学 界 揭 示 了 大 爆 炸 理 论 的 问 题, 人 们 不 太 可 以 指 望 这 些 理 论 家 们 对 理 论 本 身 的 检 讨 和 反 思, 而 可 以 期 待 更 多 的 奇 怪 假 定, 奇 怪 粒 子, 奇 怪 逻 辑, 奇 怪 概 念 和 奇 怪 理 论 的 出 现 大 爆 炸 理 论 家 们 在 违 背 物 理 定 律 和 逻 辑 规 则, 创 造 不 可 思 议 的 概 念 和 理 论 时 的 轻 率 和 武 断, 不 仅 按 照 科 学 的 标 准 是 惊 人 的, 就 是 按 照 神 话 创 作 的 标 准 也 是 惊 人 的 所 谓 检 验, 必 须 有 一 个 可 供 比 较 的 标 准, 比 如 说 公 认 的 定 律 或 实 验 结 果 而 在 宇 宙 大 爆 炸 理 论 面 前, 恰 恰 不 可 能 有 这 种 比 较 标 准 如 果 他 们 的 理 论 和 实 验 结 果 不 符, 他 们 可 以 宣 布 这 意 味 着 伟 大 的 发 现 被 否 定 的 不 是 他 们 的 理 论 而 是 实 验 结 果 如 果 他 们 的 理 论 违 背 公 认 的 定 律, 他 们 会 说 定 律 不 适 用, 被 否 定 的 不 是 他 们 的 理 论 而 是 公 认 的 定 律 真 可 谓 顺 我 者 昌, 逆 我 者 亡 他 们 可 以 今 天 否 定 经 典 物 理 定 律, 明 天 违 反 他 们 赖 以 建 立 宇 宙 方 程 的 相 对 性 原 理 和 光 速 极 限, 后 天 又 可 以 否 定 它 们 自 己 的 标 准 模 型 似 乎 科 学 上 已 经 没 有 是 非 可 言 了 无 宁 说, 大 爆 炸 理 论 就 是 标 准, 大 爆 炸 理 论 家 就 是 立 法 者 人 们 只 须 每 天 静 候 这 些 理 论 家 们 宣 判 哪 些 定 理 仍 是 对 的, 哪 些 今 天 已 经 过 时 了 就 好 像 股 票 市 场 上 可 怜 的 股 民 静 候 股 市 开 张 行 情 一 样 科 学 上 的 一 个 常 识 是, 我 们 对 实 践 和 空 间 上 离 我 们 比 较 近 的 事 情 知 道 得 比 较 详 细, 清 楚, 精 确 时 间 和 空 间 上 离 我 们 越 远, 知 道 得 就 越 模 糊 我 们 对 抗 日 战 争 知 道 得 非 常 清 楚, 对 玫 瑰 战 争 知 道 得 就 模 糊 得 多 对 伯 罗 奔 尼 撒 战 争 知 道 得 就 不 甚 了 了 大 爆 炸 理 论 却 一 反 常 理, 对 现 实 世 界 知 道 得 很 少, 不 能 解 释 诸 如 宇 宙 空 间 大 范 围 不 均 匀 结 构, 重 元 素 丰 度, 射 电 类 星 体 谱 线 的 红 移 异 常 等 等 摆 在 眼 前 的 现 象, 却 宣 称 对 于 遥 远 的 过 去 和 未 来 知 道 得 非 常 精 确, 时 间 可 以 精 确 到 10 的 负 43 次 方 秒, 密 度 常 数 精 确 到 小 数 点 后 面 五 十 八 位! 他 们 可 以 精 确 地 计 算 出 大 爆 炸 后 每 一 个 无 穷 小 时 间 中 宇 宙 如 何 变 化, 在 第 一 个 10 的 负 43 次 方 秒 钟 宇 宙 婴 儿 如 何 在 十 维 或 二 十 六 维 空 间 中 活 命, 过 了 10 的 负 43 次 方 秒 以 后 又 如 何 把 其 他 六 维 或 二 十 二 维 关 掉 ; 到 了 10 的 负 35 次 方 秒 如 何 启 动 全 宇 宙 的 超 光 速 膨 胀, 又 如 何 在 10 的 负 33 次 方 秒 的 瞬 间 膨 胀 了 五 十 几 个 数 量 级 之 后 突 然 关 油 门 他 们 不 仅 对 于 150 亿 年 前 的 宇 宙 能 有 如 此 精 确 的 计 算, 而 且 还 可 以 精 确 预 言 宇 宙 什 么 时 候 会 突 然 湮 灭, 真 是 匪 夷 所 思 至 于 理 论 的 数 学 表 述, 科 学 家 遵 循 的 原 则 是, 在 充 分 必 要 的 条 件 下 越 简 单 越 好 卢 瑟 福 曾 将 这 一 原 则 形 象 而 夸 张 地 表 述 为 : 一 个 好 的 理 论 应 该 连 酒 吧 女 郎 都 能 看 懂 可 是 大 爆 炸 理 论 家 们 在 这 方 面 也 反 其 道 而 行 之, 似 乎 理 论 的 正 确 性 和 数 学 的 繁 复 性 成 正 比 繁 复 的 数 学 也 为 偷 换 概 念, 偷 塞 假 定, 掩 盖 错 误 提 供 了 极 大 的 方 便, 同 时 又 是 保 护 理 论 免 受 批 判 的 最 好 屏 障 8 学 术 批 评 与 学 术 自 由 的 关 系

14 尽 管 大 爆 炸 理 论 不 可 思 议, 许 多 人 仍 然 表 示 不 同 程 度 的 容 忍 与 支 持, 原 因 之 一, 便 是 对 学 术 自 由 的 尊 重 与 珍 惜 我 们 宁 可 容 忍 一 百 个 错 误 理 论, 也 不 要 一 不 小 心 扼 杀 了 一 个 可 能 是 天 才 的 思 想 这 动 机 本 来 是 善 良 而 伟 大 的 可 是 这 里 必 须 澄 清 学 术 自 由 的 意 义 学 术 自 由 是 指 学 者 不 应 该 因 为 学 术 观 点 而 受 到 宗 教 迫 害 和 政 治 迫 害, 而 不 是 禁 止 正 常 的 学 术 批 判 没 有 正 常 的 学 术 自 由 就 没 有 科 学 的 健 康 发 展 ; 同 样, 没 有 正 常 学 术 批 判 也 不 会 有 科 学 的 健 康 发 展 这 关 系 其 实 很 容 易 把 握 : 科 学 家 不 能 因 为 他 们 的 思 想, 观 点 和 理 论 而 受 到 政 治 歧 视 和 迫 害, 不 等 于 任 何 荒 唐 的 理 论 都 不 需 要 经 过 学 术 界 的 严 格 检 验 就 可 以 接 受 为 物 理 理 论 政 治 上 的 自 由 和 学 术 上 的 严 谨 都 是 保 证 科 学 健 康 发 展 的 必 要 条 件 学 术 自 由 的 重 要 性 人 人 皆 知 学 术 批 评 的 重 要 性 却 为 许 多 朋 友 忽 视 有 的 甚 至 担 心 学 术 批 评 会 扼 杀 学 术 自 由 可 是 如 果 我 们 的 教 科 书 中 充 斥 着 大 量 违 反 自 然 规 律 的 理 论, 而 正 确 的 理 论 却 被 说 成 是 错 误 的 理 论, 整 个 学 术 界 将 被 引 入 歧 途, 年 轻 的 一 代 将 被 先 入 为 主 地 被 错 误 的 理 论 和 荒 唐 的 概 念 所 教 育 这 对 科 学 的 发 展 将 造 成 灾 难 性 的 影 响 这 决 不 是 危 言 耸 听 事 实 上, 宇 宙 大 爆 炸 理 论 最 集 中, 最 典 型 地 说 明 了 正 常 的 学 术 批 评 的 必 要 宇 宙 大 爆 炸 理 论 违 反 诸 如 物 质 守 恒 定 律, 因 果 律, 时 间 不 可 逆 性, 相 对 性 原 理 等 物 理 学 最 根 本 的 定 律 和 最 基 本 的 逻 辑 规 则, 而 试 图 代 之 以 诸 如 无 中 可 以 生 有, 时 光 可 以 倒 转, 时 空 有 限, 时 空 不 止 四 维, 时 空 可 以 转 换, 可 以 超 光 速 通 过 时 空 隧 道 旅 行, 物 理 现 象 取 决 于 坐 标 的 选 择 等 毫 无 事 实 根 据 的 概 念 和 理 论 年 轻 的 物 理 学 生 被 这 些 时 髦 的 概 念 和 理 论 教 育 得 对 经 典 理 论 毫 无 信 心, 被 训 练 成 一 切 从 方 程 式 出 发, 轻 视 实 验, 蔑 视 经 典 理 论 和 逻 辑 的 数 学 匠 (numerician) 对 违 背 物 理 定 律 和 逻 辑 的 理 论 的 放 纵 最 终 导 致 大 爆 炸 理 论 在 学 术 界 的 垄 断, 几 乎 窒 息 了 这 一 领 域 的 学 术 自 由 理 论 物 理 学 界 对 大 爆 炸 理 论 持 反 对 意 见 的 人 被 边 缘 化 宇 宙 学 界 的 学 术 文 章 和 科 研 经 费 的 审 定 基 本 上 由 大 爆 炸 营 垒 包 揽 至 上 世 纪 八 十 年 代, 对 大 爆 炸 理 论 持 反 对 意 见 的 文 章 非 常 难 得 发 表 在 一 个 不 发 表 文 章 就 完 蛋 (publish or perish) 的 社 会, 这 种 压 力 使 学 术 自 由 遭 到 极 大 的 伤 害 本 来 就 不 从 事 理 论 物 理 的 科 学 家 们 更 被 拒 之 于 学 术 讨 论 之 外, 好 像 不 懂 相 对 论 和 量 子 力 学 就 没 有 发 言 权 你 没 读 过 大 藏 经, 有 什 么 资 格 断 言 生 死 轮 回 和 再 世 因 缘 是 假 的? 许 多 朋 友 也 服 这 一 套, 总 以 为 自 己 接 受 不 了 大 爆 炸 理 论 是 因 为 自 己 数 学 修 养 不 够 我 有 时 候 想, 如 果 理 论 家 们 用 相 对 论 和 量 子 力 学 算 出 安 徒 生 笔 下 的 皇 帝 确 实 穿 了 新 衣 ( 这 应 该 比 算 出 一 个 宇 宙 或 无 穷 个 宇 宙 要 容 易 得 多 ), 只 不 过 是 高 维 空 间 的 相 对 论 量 子 衣 服, 只 有 理 论 造 诣 足 够 深 的 人 才 能 看 见, 一 定 会 有 不 少 人 说 确 实 看 见 了 皇 帝 的 相 对 论 量 子 新 衣 对 违 背 科 学 的 理 论 的 正 常 学 术 批 判 的 迫 切 性 还 在 于 保 持 后 代 健 康 成 长 的 需 要 宇 宙 大 爆 炸 理 论 中 的 许 多 离 奇 概 念 虽 然 使 科 学 家 们 感 到 惶 惑, 却 使 科 幻 小 说 作 家 感 到 兴 奋 他 们 把 这 些 离 奇 概 念 和 武 打 功 夫 糅 合 在 一 起, 加 上 电 脑 图 像 技 术 的 特 殊 效 果, 编 织 出 最 使 儿 童 们 着 迷 的 科 幻 电 影 毫 不 夸 张 地 说, 好 莱 坞 摄 影 棚 在 塑 造 儿 童 思 想 中 起 了 非 常 大 的 作 用 我 们 系 经 常 接 到 一 些 中 学 生 的 电 话, 询 问 如 何 通 过 时 空 隧 道 超 光 速 到 达 另 一 个 宇 宙, 如 何 坐 时 间 机 器 回 到 古 罗 马 的 角 斗 场 每 次 接 到 这 种 电 话, 我 就 心 情 激 动, 不 能 自 已 为 了 后 代, 我 们 实 在 没 有 权 利 沉 默 学 术 自 由 的 本 意 是 为 防 万 一 不 幸 扼 杀 了 天 才 的 发 现, 宁 可 容 忍 一 百 个 谬 论 只 要 学 术 界 坚 持 科 学 原 则, 容 忍 一 些 与 传 统 相 悖 的 理 论 似 乎 也 无 关 大 局, 有 益 无 害 可 是 宇 宙 大 爆 炸 理 论 对 科 学 原 理 原 则 的 违 背 已 经 远 远 超 过 并 违 背 了 这 种 学 术 自 由 的 本 意, 彻 底 颠 倒 了 是 非, 并 开 始 用 违 背 自 然 法 则 的 哲 学 和 世 界 观 来 铸 造 儿 童 的 灵 魂, 并 非 有 益 无 害 了

15 学 术 界 再 不 应 该 沉 默, 而 应 畅 所 欲 言, 坦 率 地 表 达 自 己 的 意 见 在 给 年 轻 人 介 绍 宇 宙 大 爆 炸 理 论 时, 不 能 报 喜 不 报 忧 既 要 介 绍 它 的 辉 煌, 也 要 介 绍 它 的 基 本 困 难 使 他 们 对 这 一 理 论 有 全 面 的 了 解 受 影 响 的 还 不 止 小 孩, 也 包 括 科 学 家 和 政 府 官 员 美 国 宇 航 局 某 一 实 验 室 的 研 究 规 划 中, 有 一 条 居 然 是 往 别 的 星 球 移 民, 在 此 名 义 下 支 持 反 粒 子 推 进 器 的 研 究 我 曾 问 实 验 室 主 管, 你 们 的 飞 船 的 目 标 速 度 是 多 少? 他 一 指 负 责 研 究 的 教 授 说, 他 知 道 这 位 教 授 会 后 告 诉 我 说, 应 该 可 以 达 到 光 速 的 三 分 之 一 吧 从 事 航 天 工 作 的 人 都 知 道, 这 是 多 大 的 谎 言 光 速 为 每 秒 钟 三 十 万 公 里 而 航 天 飞 机 的 速 度 在 每 秒 十 公 里 的 数 量 级, 相 当 于 光 速 的 三 万 分 之 一 航 天 科 学 家 们 知 道 要 让 速 度 增 加 一 个 数 量 级 多 么 困 难 即 使 航 天 速 度 增 加 一 百 倍, 也 不 过 是 光 速 的 三 百 分 之 一 以 这 样 的 速 度 要 飞 行 一 千 三 百 年 才 能 到 达 离 太 阳 系 最 近 的 恒 星 ( 上 帝 保 佑 这 颗 恒 星 有 一 个 适 合 人 类 居 住 的 行 星 ) 这 长 达 一 千 三 百 年 星 际 航 行 所 需 要 的 燃 料, 氧 气, 水, 食 品, 医 药, 教 育, 文 艺 体 育, 生 老 病 死, 政 治 制 度 等 等 问 题 如 何 解 决 呢? 我 经 常 告 诉 我 的 学 生 们, 如 果 你 看 到 的 不 明 飞 行 物 还 没 有 我 们 的 城 市 大, 那 一 定 不 是 外 星 人 的 飞 船 反 粒 子 推 进 器 只 是 这 类 应 宇 宙 大 爆 炸 理 论 之 运 而 生 的 研 究 项 目 之 一 类 似 的 还 有 暗 物 质 探 测, 重 中 微 子 探 测, 质 子 寿 命 探 测 等 等 美 国 和 西 欧 经 济 实 力 比 较 雄 厚, 有 能 力 支 持 一 些 猜 想 性 的 试 探 项 目 中 国 经 济 虽 然 在 近 三 十 年 有 长 足 的 进 步, 但 百 端 待 举, 基 础 工 业 和 国 防 建 设 任 重 道 远, 科 研 经 费 并 不 丰 裕 如 果 花 太 多 的 钱 在 不 切 实 际 的 项 目 上, 一 定 会 影 响 重 要 科 研 工 作 的 正 常 发 展 一 定 要 吸 取 美 国 超 导 超 高 能 对 撞 机 失 败 的 教 训, 对 费 时 费 钱 的 大 项 目 进 行 科 学 性, 合 理 性 和 可 行 性 的 充 分 论 证 中 国 的 科 学 研 究 也 像 经 济 建 设 一 样, 在 近 三 十 年 有 了 飞 跃, 令 人 刮 目 相 看 有 人 仅 凭 国 际 学 术 奖 项 的 评 比 来 评 论 中 国 的 学 术 水 平, 未 免 过 于 功 利 主 义 中 国 学 术 界 学 风 严 谨, 不 太 会 提 出 像 宇 宙 大 爆 炸 理 论, 超 光 速 宇 宙 膨 胀 理 论, 时 光 隧 道 旅 行 或 量 子 泡 沫 之 类 的 理 论 脚 踏 实 地, 遵 守 科 学 逻 辑, 正 是 中 国 学 术 界 的 长 处 在 思 想 开 放, 积 极 大 胆 地 广 泛 吸 收 西 方 学 术 思 想 的 同 时, 保 持 独 立 思 考, 去 伪 存 真, 才 是 中 国 学 术 界 的 希 望 人 云 亦 云, 是 非 不 明, 跟 着 权 威 摇 旗 呐 喊, 赶 国 际 时 髦, 以 功 利 主 义 取 代 科 学 原 则, 把 严 肃 的 科 学 研 究 看 作 是 敢 于 违 背 自 然 规 律 的 荒 唐 比 赛, 是 不 可 能 在 科 学 上 成 大 气 候 的 我 真 诚 地 希 望 得 到 各 位 前 辈 和 学 界 同 仁 的 批 评 也 希 望 中 国 学 术 界 对 宇 宙 学 能 有 一 个 自 由 的, 坦 率 的, 科 学 的 讨 论