宇宙学中的指标性问题-从量子动态宇宙的角度探讨

本节将列举出一些宇宙论中存在着争议和影响重大的基本问题，叙述主张这些问题存在的主要观点，同时也指出存在的某些不同探讨理论与看法。本书以后有关章节，我们在介绍量子动态宇宙的同时，也将阐述该宇宙理论与这样一些问题的关系和看法。

1）大爆炸宇宙论

为论述方便，这里的大爆炸宇宙论，主要是针对大爆炸宇宙论中，大爆炸事件存在的宇宙阶段。简言之，这一阶段是由零尺度和极高（无穷大）温度与密度的点产生大爆炸的Planck尺度附近的宇宙阶段。所有经典大爆炸理论，都包含有这样的阶段。在这之后，按这种理论，经不断演化，便产生了现在的宇宙。大爆炸理论都认为，宇宙就是起始于这样的大爆炸事件，同时对后来空时的形成与粒子的生成，做了些简单的规划。

宇宙大爆炸理论对世人影响之深，甚至达到妇孺皆知的地步。然而，持不同意见者也可谓甚多。有的研究者就尖锐地指出，大爆炸理论是根据宏观空时理论，在方法与原理不充分的条件下，向微观尺度做简单倒推而逼出的一种似是而非的牵强结果。它在理论上所依据的广义相对论与R-W度规理论，是探索宇宙的行之有效的工具，但目前已普遍认为，它们二者都可能不是研究空时、引力和宇宙的唯一定型理论。以模型近似下得到的单纯宏观空时理论，不加任何改变地用来解释整个微观世界空时与物质的生成，这显然在方法上是缺乏根据的。特别是，当深入到微观Planck尺度附件时，由于无有任何公认的物理学成功理论的存在，简单提出大爆炸事件，实际上更多的是用一种毫无科学属性的东西无奈地填塞连续思维所造成的逻辑空白。这种超现实的充塞，当然不能导致对空时的形成、物质粒子的产生的任何有效解释。一些研究者甚至指出，目前大爆炸理论具有的所谓支持，都不外乎只是一种充满重大推理断层的虚拟臆想。大爆炸理论并非属于由概念和逻辑推理形成的严格物理学理论；而是由概念和过度虚构组成的一种非数理逻辑的几乎宗教式信条的产物。也有的作者认为，宇宙大爆炸实际上是脱离物理学验证的一种伪命题。

关于这一问题，Rovelli（罗咸立）等人曾指出，在Planck尺度附近，空时与物质世界应当用其他发展而来的新图景所取代。

2）R-W度规

我们知道，R-W度规是在一定假设下把宇宙空时作为研究对象，在满足爱因斯坦方程的条件下，得到的一种具有宇宙整体探索意义的特定的空时度规。在这一度规的框架下，宇宙学获得了长足的发展。R-W度规在广义相对论的宇宙学应用，哈勃的宇宙学测量理论的建立，宇宙膨胀的发现等诸多宇宙学问题的研究上，促成了许多成功结果。可以讲，目前只有R-W度规和广义相对论，是宇宙论中得到了某些验证的空时理论。不过也有人指出，R-W度规对宇宙空时的模型式研究理念与所使用的假设，近年来已开始遭受到不同程度的争议。有的研究者认为，空时在微观、宏观与宇观上的性状是各不相同的，R-W度规所使用的假设，即使在宇观和宏观暂时不遇到问题，但对于以离散与量子化为基本特征的微观探索，R-W度规建立所使用的假设及度规自身，将可能不再适用。对于宇宙空间整体的平坦开放、双曲面开放和封闭球面的三种可能的几何描述形式，是宇宙论在R-W度规支配下，从宏观得到的结果，而对于空时的微观、宏观和宇观的一体研究，由于空时性状在不同尺度上的不同，不能排除微观空时与引力理论的建立将会与宏观不同，并会对宏观的宇宙学研究产生影响，甚至是全面、深刻的影响。也不能排除在宇观巨大、基至趋向无穷大尺度上，宇宙学的空时理论将不受R-W度规理论的支配。宇宙空时只从宏观开展研究且只能以如上三种形式、特别是后面两种形式而存在，被怀疑可能是R-W度规假设下的数学结果。无法排除宇宙空时应具有不受R-W度规的操作及其三种形式约束的更为复杂与多变的微观、宏观与宇观性状的可能。比如，有的研究指出，宇宙可能是个空间与时间上均无限的无外形可言且运动着的4维流形，这样的宇宙并不需要由R-W度规的推理而得到。

3）空间均匀与各向同性

首先指出，这里的空间指的是节1.2由广义相对论或R-W度规理论描述的4维宇宙空时中的3维经典空间，这种空间概念之中，可以包含引力场。

按着R-W度规，传统宇宙论认为，这样的空间是均匀且各向同性的，并且这是它不可动摇的理论基础。不过首先应当指出的是，对于广义相对论而言，空间均匀并非是一个永恒的假设。广义相对论通常是在利用爱因斯坦方程求解引力度规解时，依具体物质分布特征确定它的空时几何特征的。一些研究理论中的所谓“弯曲时空”其实是由平坦Minkowski空时与施加某些有关均匀性与各向同性要求的引力场共同形成。

空时、引力与物质间的关系属于物理学的基本问题，目前不仅在宏观而且在宇观和微观，也开始开展了对它们的探索。不同领域的研究表明，不同研究者对这些问题的关注点并不尽相同，而且已经走向多元化，同时也展开了对它们之间联络的探讨。例如，量子引力和超弦M—理论均认为，在微观普朗克尺度附近，空间几何应是非对易的。这种非对易性，被推断可能与空间的非各向同性以及量子力学的不确定性原理相关。

至于宇宙论中使用的空间的均匀性，应当说它只是一种不涉及空间本质的对空间有条件的平均描述。这种描述可以得到许多正确的结果。但也具有在空间尺度研究上的经典局限性。目前，在某些空时量子化的研究中，已并不需要采用空间均匀与各向同性作为假设来建立理论，并且可以做到，空时与引力是被分开研究的两个需要区别的不同概念。

4）空间中物质均匀分布

显然这是一种与空时中物质分布实际状况不彻底相符的平均假定。它对空时与物质及引力的描述，也不能彻底摆脱宏观唯象性质。物理学已经告诉我们，物质在空时中均匀分布，最多也只是在一定条件和一定尺度之下具有近似意味的描述方式，离开了一定的条件与尺度，物质分布并无均匀性可言。例如，当进入到微观粒子物理的物质世界之后，并用与粒子大小可比的尺度进行考察，粒子的分布却寥若晨星，它们的存在不仅是不连续的，甚至无有用物质平均密度的概念进行描述的必要。

当然，在宏观大范围，物质连续分布是一种目前无可取代的有效描述方式；但进入微观世界后，物质构成的聚合性质，以及圈量子引力新近研究表明的空时组合性质，却是那里的共同特征。这种特征的共同本质，是离散的和量子化的。显然，“平均”实际上只是对“不平均”的一种描述（或掩盖）而已。它可以得到具有观测价值的结果，甚至建立一种理论；但它本身永远不是真实的。近似虽然是物理学的常用手段，在一定条件下它可以得到被物理实验验证、并被人类实践接受的结果；但它本身信息的人为缺失也经常会导致对事务本质揭示的脱离、甚至会使之走向误区。

目前宇宙学的研究中，物质均匀分布与空间均匀几乎成了一致的概念，并且这里的“空间”实际上是包含了其中的引力的。然而，正如前述，在与量子力学的结合研究中，目前量子引力正在探索一种新的空时与引力理论，其中的空时与引力是分开描述的，并且空间特征具有与物质分布特征相独立的性质。该理论指出，二者的一致，只是它们的一种有条件的特殊状态，并非是世界的本性。

5）空时奇点

潘若斯和霍金认为，4维空时中存在曲率为无穷大的点，并称其为空时奇点。他们研究的奇点定理，就是向学术界证明关于空时奇点存在的著名定理。然而关于这种奇点到底在空时中是否存在的问题，物理学界也多有看法。以Ashtekar等人为代表的研究者认为，空时中并不存在奇点。之所以认为它存在，是利用了解析和连续逻辑极限的推理方法进行的思维所至。描述物理世界的解析坐标系可以延续到世界的任何地点，比如无穷大或无穷小地点，应当说这只是某些物理学家的一厢情愿。我们不能排除那里的物理世界也可能早已发生了改变，而不再适于这种逻辑方法的描述。Ashtekar等人就建议，当探索所谓极点附近的物质世界时，其物理状态应当用其他图景代替。从而，从物理现实性的角度，重解了空时奇点存在的问题。

6）黑洞与坐标系

黑洞是相信坐标系具有任意延展适应性的条件下，由广义相对论直接得到的著名结果。以史瓦茨西尔德（Schwarzschild）黑洞为例，在恒星中心为原点的球极坐标系（x0，x1，x2，x3）≡（x0=ct，r，θ，φ）描述下，恒星半径r星满足关系式

时，这一恒星便具备形成黑洞的条件。这里，GN为牛顿万有引力常数，M为恒星质量，c为光速。这是因为，由广义相对论的如下线元形式的史瓦茨西尔德度规

可知，由r=2m标定的球面上的度规将发生如下奇异：

产生这种奇异的半径和球面，分别称为史瓦茨西尔德半径和史瓦茨西尔德球面。

度规的如上奇异，将造成星体内部发出的光，在如上坐标系描述下，无法使之具有穿越史瓦茨西尔德球面，即视界的可能；或者，在其他坐标系描述下，这样的光若达到观测者，则需要无穷大的时间。这里指出，这实际上是两种有差异的来自不同坐标系的论述结果，我们略去这种不同，只取它们相一致的结果，那就是视界外面的观察者将会看不到恒星发出的光。如果我们属于这种观察者，我们便称这样的恒星为黑洞。按黑洞理论的描述，它的内部将是个十分奇特的空时与物质的世界。那里的空间与时间将可能发生相互对换，物质存在的形态也将发生根本改变。物质也可采取粒子的方式从黑洞向外辐射，直至使黑洞完全蒸发并可将其视为时间与之反演的白洞。

对于这一连串物理学中少有的惊人流畅的思维推理，由于相当长时间内宇宙学家似乎多感于不存在重大逻辑障碍与缺失，在理论上对黑洞的存在未见更多异议，甚至有相当多的人抱着乐观其存在的态度。

不过，对于发光却被我们看不见的天体的理论研究，却不止黑洞一种。利用圈量子引力研究中发展出来的“空时膨胀”的可能结果，在十分极端的空时区域，并在相信坐标系忠诚的条件下，也可以推测宇宙中可能存在另一种恒星，它们发出的光由于其周围空时度量的迷向性质，也将会被外界无法捕捉，从而这种恒星虽然存在，但却是一直在隐藏着，可称其为隐星。不过与黑洞不同，隐星并非是个“无底洞”，隐星内部的空时特征与物质形态可以与通常恒星有类似之处，并且不排除有少量的光射向外界。关于这一问题，在第6章中还将进一步提到。

对于坐标系在物理学中的使用问题，历史上物理学中也多有不同看法，应当指出的是，在不同物理领域中，这种使用是各不相同的。某些物理学领域使用的坐标系，实际上只是在空时有限范围，甚至微小范围内，这种坐标系的可靠性通常无须质疑。但对于空时与引力物理而言，由于它们需要从空时的零尺度到几近无穷大尺度代表空时的真实存在，同时又要反映空时和物质存在形态间的特殊关系，这里指出，将不能排除坐标系可能会发生坐标反常。坐标反常将会向我们提供不符合实际的由坐标关系表达的错误信息。这是因为，在空时理论中，坐标系不仅是用来进行表达的参照系，而且，它的坐标还将与空时自身及其反映的真实性有关，即坐标本身也可能是涉及空时性质的研究对象。简言之，在这种理论中，坐标系不仅是参照系，同时又可能代表被研究的对象。物理学在进行空时、引力与物质间的关系的全面深入探索时，特别是特殊条件下的探索时，这里指出，应当进一步审视有否默认与预设进入以及是否存在坐标反常和其结果是否真实存在的问题。对于这种仅由坐标计算作为主要支撑得到的结论，对于建立全面的空时与引力理论而言，其可行性应受到进一步的论证与考验。目前，并不能将其当成是被接受了的发展宇宙学的根据。(www.xing528.com)

如果认为存在这样的问题，我们一贯认为，宇宙论中的某些论题，例如黑洞的存在问题，将面临被否定的命运[2]。

这里必须指出，同时也许是无独有偶，对黑洞理论的建立做出巨大贡献的宇宙学家——霍金，竟于2014年元月又郑重著文明确否定了黑洞的存在，并认为那种天体中可以释放出能量与信息。由于黑洞在宇宙学中的重要地位，我们认为，这种根本上的否定信号在宇宙学的全面探索中，将具有异乎寻常的指标性意义。这将使对黑洞等有关问题的探索，走上更为复杂和戏剧性的局面。而且，宇宙学理论甚至在多方面将面临重新改写的重大改变。应当讲，这种否定与改变，在宇宙学研究的高端已经形成，并将有力地推动宇宙学的再行发展。

7）空间时间膨胀

空间与时间　空间与时间的概念，从牛顿的绝对空时观到狭义相对论再到广义相对论，经历了一个不寻常的发展历程。这一过程中，空时的所指，已经发生了改变，其含义也已有所不同。我们认为，牛顿的绝对空时与狭义相对论研究的Minkowski空时，应当说是真正的纯粹空时。而广义相对论研究的空时则不然，一些理论中的所谓“弯曲时空”，实际上是一种4维流形。它的流形实体，是Minkowski空时与引力的混成物；而在度量规定上，是Minkowski度规ημv与引力扰动hμv（x）的一种组合：

式中，gμv（x）为4维流形的度规，不失普遍性，常数k可以略去。从而，有的研究者认为，在广义相对论中只有作为背景的Minkowski空间才是空时，而引力扰动的参与所形成的4维连续统并不再是空时，否则，当理论深入发展时，将发生混淆。

这种连续统（或流形）的弯曲是由于引力的存在所造成，这种弯曲这里称之为引力弯曲。

圈量子引力也是探索空时与引力的理论，目前认为，它是研究空时与引力量子化的一种理论。这里需要指出的是，圈量子引力为空时与引力的分别研究，已经提供了体制上的基础。换句话说，在圈量子引力之中，空时与引力可以不再是混为一谈的概念。目前，圈量子引力研究中发展起来的圈线法[3]，在尝试对空时与引力进行彻底的分离表述，同时也从不同角度探索了二者之间的关联。

空时膨胀　关于空时膨胀，传统空时观认为，R-W度规描述的宇宙空时，是不分时间和地点一直地在膨胀着。这种膨胀着的空时，是前述传统意义下的4维空时，它的度规将满足爱因斯坦方程。其膨胀的原因，也只能最终归结为宇宙中物质或能量在广义相对论体制下的引力作用所致。我们称这种膨胀为引力膨胀，即度规表式（2.4）中，由于引力扰动hμv（x）所造成的膨胀。然而，按着圈量子引力关于空时与引力的研究，目前对空时膨胀有了完全不同的定义。圈量子引力的某些新近研究结果表明，空时应不指引力，引力也并不指空时，空时与引力在任何条件下都是完全不同的两个概念。不过引力必须与空时组合在一起，才能进行它对世界的全面描述。引力可以引起世界的膨胀，即引力膨胀，空时也可以引起世界的膨胀（含负膨胀），称为空时膨胀，这种空时膨胀与传统的时空膨胀，具有根本的区别，它是空时自身的膨胀，与物质、能量及引力的存在与否及它们的特征无关。在圈量子引力的意义下，引力膨胀实际上并非是空时自身的膨胀，或者说，与空时膨胀无关。

8）暗物质与暗能量

基于宇宙观测，人们认为，宇宙目前时期处于加速膨胀状态，而约在70亿年之前，却处于减速膨胀状态。对于这样的一个对宇宙膨胀特征的描述，在维护宇宙论的相对论基础的考虑之下，存在的解释不胜枚举。其中宇宙学研究中引入的分别使它的空间具有内压（加强引力）和外推（产生斥力）性质的暗物质和暗能量两种机制，是当前的主流解释。为了与观测及宇宙学理论推算相符，目前认为，宇宙中有23％的物质是暗物质，还有占73％的暗能量。而常规物质只是这剩下的4％。这也是当前宇宙学的一个叹为观止的对宇宙中物质构成的论断。在多见这样的醒世惊人的观点之后，一些研究者可能在略有疑虑保留的同时，通常并不排除这种可能性的存在，同时也乐见宇宙具有如此宏大的气魄与多样性，并积极参与对它的追求。

对于暗物质粒子和暗能量迹象的存在，一些国家都在展开理论研究的同时，大举进行实验观测。据作者所知，目前得到的实验结果还过于微弱，尚不足以证明它们确实存在。

不过，这里指出，对于空时膨胀的加速与减速的估算，除了利用传统宇宙学理论进行之外，还存在着其他的探索渠道。例如，前面指出的空时自身的可能膨胀机制，也可以造成同样的结果。如果利用空时自身的膨胀特征解释这种观测结果，将至少会有助于减轻对宇宙中暗能量与暗物质如此巨大存在数量的依赖。

9）马赫原理

马赫原理的表述形式不止一种，它在力学与广义相对论中多有讨论。简单说来，马赫原理认为，宇宙中物体的总体存在，决定了物体的惯性。在相对论中，也有人把马赫原理表述为，空时中物质的分布特征，决定了空时几何。

马赫原理抽象而简捷，内容根本且富于启发性。不过，一些研究者看来，它除了具有牛顿力学与相对论给出的可能描述外，还可能与空时和物质之间的深层联系相关，仅限于经典图景，恐怕不能明确和完整地表达这一原理的意义。这里并不着重剖析这一原理的表现形式与不同场合中的不同观点，而是着重指出，在广义相对论和圈量子引力的有关空时与物质间关系的研究中，有的研究者认为，这一原理并不成立。在圈量子引力发展起来的空时与引力的分离表述理论中，物质只能决定空时中的引力，而不能决定空时本身。空时具有独立于物质和引力之外的自身自由及选择。这里我们指出，在没有把空时与引力的区别和联系彻底阐述清楚之前，利用笼统的“空时几何”图景，并不便于从根本上建立这一原理。对这一问题的进一步讨论，可见本书第6章的有关内容。

10）光谱的巨大红移

由广义相对论可知，光在引力场中传播时，由于引力的存在，当它爬出引力场时，因为能量的过多消耗，将会使它的谱线向红端移动。这种现象称为光谱的引力红移。

在广义相对论体制下，在地球周围的宏观观测尺度之内，光谱的引力红移早已被发现，并被认为是广义相对论准确性的一个重要验证。

光的谱线红移，是宇宙中的一种普遍现象。当宇宙学的观测尺度扩大到宇观的更宏大尺度时，研究发现，那里天体发出的光到达地球时发生的谱线红移，变得异乎寻常的巨大。这种巨大的谱线红移，目前用引力红移和由光源运动造成的多普勒（Doppler）红移都无法给出令人满意的解释。例如，利用宇宙学中的有关理论对类星体的巨大红移量进行计算时，将得到类星体正以0.8c（或更高）的速度在远离我们而去的结果，这里c为光速。这将表明，宇宙正在膨胀，而且认为，离地球越远的天体，逃离地球的速度越大，甚至大到逼近了光速。

光谱红移现象的存在，在宇宙观测上居十分重要的地位；然而对它产生原因的解释及做出的判断，一些研究认为，可能并非那么简单。揭示产生这种结果的原因，是宇宙学正在研究的一项重要内容，试图解释这样一些现象的观点与理论也很多。不过可以指出的是，当前所有用以解释宇宙学现象的理论，大都与确立宇宙学体制的R-W度规理论有关。这一体制下，宇宙中物质系统的行为将几乎全部归结为与引力有关的行为或“弯曲时空”的行为，即使偶有其他观点出现，例如，认为宇宙膨胀是由于大尺度上偏离广义相对论的几何效应所致，但这种几何效应的来源并不清楚，同时也大都并未涉及空时自身。

但是，如果考虑到量子引力对于宇宙膨胀赋予的一种新的可能，即空时膨胀，则可认为，这种巨大红移量将不可避免地与空时自身的膨胀有关。也就是说，空时自身膨胀的同时，裹挟了悬浮其中的星系、星系团、超星系团等宇宙结构在一同地膨胀，从而其中的一种可能是，造成了巨大的红移。这里把这种红移称之为空时与引力红移。而且可以认为，越是在宇观超巨大的尺度上，这种膨胀对我们而言，越是不被了解，从而不排除越发显得明显，但也越发带来了观测上的困难。

这里指出，对于宇宙论中有关物理学理论的探索而言，其正确性必须由观测实验决定；故，观测以及如何由观测做出结论，对宇宙学而言，往往是一件充满困难但必须开展的基础研究。由于宇宙观测对象的遥远与过于复杂以及一些场合用来计算的依据或许还不够充分，在重大成功观测结果存在的同时，不同领域和观测目的得到的结果，并不是总能够达到一致的精确度。某些由观测而得的数据结果的可能误差，比起人们的通常想象，要大得多，而且由于条件有限，无法克服。

最后，应当说明的是，当前宇宙学研究中的标志性问题，远不止这些。甚至在不同研究者心目中，也不尽相同，其中不同乃至对立的观点，也早已无法计及。如上列举的，仅是作者认为最为重要的十个问题。对这些问题的关注点，是为而后发展书中内容所简单选取的，这里并非是对相关问题争议的全面论证。

[1]例如，宇宙大爆炸理论称，宇宙边缘离我们有137亿光年。也有理论称，宇宙是无限的，它目前容纳的计算尺度可达数百亿光年以上。

[2]《空间与时间——从经典到量子理论》一书中，已从根本上明确对黑洞的存在、及宇宙大爆炸等提出公开质疑和否定。该书成书于2010年4月，经使用，于2013年10月正式出版。

[3]参见参考文献［2］、［3］。