接力大爆炸宇宙模型的設(shè)想

邱學(xué)堯+羅瓊

摘 要：現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型認(rèn)為宇宙由奇點(diǎn)爆炸產(chǎn)生，本文對(duì)該模型中的奇點(diǎn)密度和膨脹加速動(dòng)力等方面提出了質(zhì)疑，并提出了接力大爆炸宇宙模型的設(shè)想。接力大爆炸模型認(rèn)為現(xiàn)有的宇宙由基本粒子連續(xù)爆炸產(chǎn)生，可以合理的解釋宇宙微波背景輻射、星系紅移、星系加速退行、星體自轉(zhuǎn)及公轉(zhuǎn)等問(wèn)題。根據(jù)接力大爆炸宇宙模型可以推導(dǎo)出宇宙中星系的分布、星系退行速度、宇宙的熱量分布由爆炸中心向外加大的等推論，同時(shí)也提出了幾個(gè)探索宇宙爆炸中心的建議。

關(guān)鍵詞：宇宙大爆炸；奇點(diǎn)；微波背景輻射；星系紅移；退行；加速膨脹；自轉(zhuǎn)；公轉(zhuǎn)

宇宙是怎么來(lái)的，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型認(rèn)為宇宙由一個(gè)奇點(diǎn)爆炸產(chǎn)生，本文稱之為奇點(diǎn)大爆炸宇宙模型。奇點(diǎn)發(fā)生劇烈的爆炸后產(chǎn)生了宇宙的時(shí)間、空間及一切物質(zhì)；大爆炸時(shí)宇宙暴脹的速度極快，三分鐘就產(chǎn)生了可見(jiàn)宇宙；由于萬(wàn)有引力的減速作用宇宙的暴脹速度被減慢；后來(lái)空間變大后宇宙又出現(xiàn)了加速膨脹過(guò)程，科學(xué)家猜測(cè)加速的原因可能是暗能量[1]。

由于奇點(diǎn)大爆炸宇宙模型所預(yù)言的微波背景輻射、宇宙膨脹等結(jié)論被天文觀測(cè)所證實(shí)，逐漸成為了當(dāng)前公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型，被天文界所廣泛接受。但是奇點(diǎn)也被賦予了許多神秘色彩，如無(wú)限大的物質(zhì)密度，無(wú)限大的壓力，無(wú)限彎曲的時(shí)空等，但是該模型難以解釋奇點(diǎn)無(wú)窮大密度、星系加速退行以及星體的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)等問(wèn)題。為了更合理的解釋現(xiàn)有的各種天文觀測(cè)現(xiàn)象，本文提出了接力大爆炸宇宙模型的設(shè)想。

一、對(duì)奇點(diǎn)大爆炸宇宙模型存在疑點(diǎn)的分析

雖然奇點(diǎn)大爆炸宇宙模型已經(jīng)成為了天文界的主流共識(shí)，但是從該模型的提出開(kāi)始到現(xiàn)在，一直都受到各種聲音的質(zhì)疑。本文主要從如下幾個(gè)方面分析該模型存在的疑點(diǎn)。

（1）分析奇點(diǎn)大爆炸宇宙模型的基本假設(shè)條件有兩個(gè)方面；首先要存在物質(zhì)密度無(wú)限大的事物；其次存在一種原動(dòng)力瞬間突破奇點(diǎn)無(wú)限大萬(wàn)有引力，并將質(zhì)點(diǎn)瞬間加速到三分鐘到達(dá)可見(jiàn)宇宙邊界。

關(guān)于奇點(diǎn)無(wú)限大物質(zhì)密度的問(wèn)題，奇點(diǎn)大爆炸宇宙模型也承認(rèn)在三維空間難以解釋，于是引入了四維時(shí)空概念。增加了時(shí)間維度后，三維空間不能成立的事物在四維時(shí)空就可以成立，只具有三維空間思維能力的人理解不了四維的奇點(diǎn)?？墒沁@個(gè)奇點(diǎn)本身就是宇宙的開(kāi)始，也就是說(shuō)這個(gè)奇點(diǎn)在時(shí)間維度上的坐標(biāo)為0，在時(shí)間維度確定后，奇點(diǎn)也只能算是一個(gè)三維的概念，在三維空間里奇點(diǎn)無(wú)限大物質(zhì)密度的特性無(wú)法解釋。如果說(shuō)時(shí)間本身是奇點(diǎn)的產(chǎn)物，不能評(píng)判還沒(méi)有時(shí)間概念的奇點(diǎn)，那么時(shí)間產(chǎn)生后，宇宙在四維時(shí)空模型中任何一個(gè)時(shí)刻都可以投影出一個(gè)三維模型，其中在0時(shí)刻上，宇宙在三維空間的投影同樣是一個(gè)無(wú)限大物質(zhì)密度的事物。由此看來(lái)奇點(diǎn)大爆炸理論用四維概念來(lái)解釋奇點(diǎn)無(wú)限大物質(zhì)密度的特點(diǎn)有掩蓋問(wèn)題嫌疑。

關(guān)于爆炸原動(dòng)力的問(wèn)題，原動(dòng)力可能由奇點(diǎn)內(nèi)的物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生，當(dāng)然具有無(wú)限大物質(zhì)密度的奇點(diǎn)，其反應(yīng)也可能產(chǎn)生比無(wú)限大萬(wàn)有引力更大的原動(dòng)力，只是瞬間將質(zhì)點(diǎn)加速到可以三分鐘之內(nèi)到可見(jiàn)達(dá)宇宙邊界，比較難以解釋。

（2）奇點(diǎn)大爆炸前三分鐘就暴漲產(chǎn)生了可見(jiàn)宇宙，這三分鐘質(zhì)點(diǎn)退行速度必然遠(yuǎn)大于光速；目前的可見(jiàn)星體均未超光速退行，說(shuō)明從爆炸至今經(jīng)歷過(guò)減速膨脹過(guò)程，減速的原因可能是萬(wàn)有引力；近代天文觀測(cè)又發(fā)現(xiàn)星系退行正在加速，奇點(diǎn)大爆炸理論難以解釋加速原因，認(rèn)為可能是暗能量導(dǎo)致加速。

目前科學(xué)界普遍認(rèn)為暗能量是隨著宇宙膨脹空間增大后才逐漸超過(guò)萬(wàn)有引力作用，導(dǎo)致星系退行加速的。但是暗能量的來(lái)源及類型尚無(wú)定論，只能作為大爆炸宇宙模型的一種假設(shè)條件，用來(lái)解釋宇宙膨脹加速現(xiàn)象。

（3）在距離奇點(diǎn)爆炸位置等距離的沖擊波上的質(zhì)點(diǎn)所受的加速減速過(guò)程一致，這些質(zhì)點(diǎn)與周邊質(zhì)點(diǎn)難以產(chǎn)生大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這就導(dǎo)致星體與周邊星體難以產(chǎn)生大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生公轉(zhuǎn)。

對(duì)于星體自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)現(xiàn)象的解釋屬于大爆炸宇宙模型的空白，接力大爆炸宇宙模型則可以合理解釋星體的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

由上述分析可以看出，奇點(diǎn)大爆炸用四維概念來(lái)解釋奇點(diǎn)的無(wú)限大物質(zhì)密度的特性有掩蓋問(wèn)題嫌疑，原動(dòng)力瞬間突破無(wú)限大萬(wàn)有引力將質(zhì)點(diǎn)加速到三分鐘之內(nèi)到達(dá)可見(jiàn)宇宙邊界比較難以解釋，用暗能量來(lái)解釋宇宙加速膨脹問(wèn)題也是在基本假設(shè)條件之外又增加一個(gè)假設(shè)條件而已，另外該模型還難以解釋星球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。存在這些問(wèn)題，為什么奇點(diǎn)大爆炸還能成為標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型，受到天文界廣泛認(rèn)可呢？

二、奇點(diǎn)大爆炸模型的由來(lái)

奇點(diǎn)大爆炸宇宙模型主要由弗里德曼、勒梅特和伽莫夫等科學(xué)家根據(jù)愛(ài)因斯坦將廣義相對(duì)論推導(dǎo)而來(lái)，其成功預(yù)測(cè)的宇宙膨脹以及微波背景輻射，被哈勃觀測(cè)到的星系紅移現(xiàn)象以及彭齊亞斯和威爾遜觀測(cè)到的宇宙微波背景輻射所佐證，才逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型的[2]。

但是星系紅移只能證明星系在遠(yuǎn)離，并不能直接推導(dǎo)出星系就來(lái)源于一個(gè)奇點(diǎn)；宇宙微波背景輻射來(lái)源于大爆炸，也不能說(shuō)明這個(gè)爆炸全部集中在一個(gè)奇點(diǎn)上。本文在取消奇點(diǎn)概念的基礎(chǔ)上，提出了接力大爆炸宇宙模型的設(shè)想，這個(gè)模型不需要引入四維空間，也不需要引入暗能量，就可以解釋星系紅移，星系加速退行以及宇宙微波背景輻射等問(wèn)題。

三、接力大爆炸宇宙模型的概念及假設(shè)條件

本文所說(shuō)的接力大爆炸宇宙模型指的是，宇宙物質(zhì)由分布在空間中的基本粒子爆炸產(chǎn)生，基本粒子被引爆后產(chǎn)生的沖擊波繼續(xù)引爆外層基本粒子，如此接連爆炸產(chǎn)生宇宙物質(zhì)，這些物質(zhì)逐步演化為星體、星系以及星際物質(zhì)。

由上述定義可以看出，接力大爆炸宇宙模型存在如下兩個(gè)假設(shè)條件

（1）在大爆炸之前，宇宙空間中分布著的光子、電子、夸克等基本粒子中的一種或多種，這些基本粒子達(dá)到了爆炸濃度。

（2）這些基本粒子在正常情況下并不發(fā)生反應(yīng)，而某個(gè)時(shí)刻宇宙空間中出現(xiàn)了光、撞擊、高溫等因素引爆了基本粒子。

四、接力大爆炸的演化

接力大爆炸宇宙模型的演化過(guò)程如下endprint

（1）如同粉塵爆炸一樣，宇宙空間中某個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)了光、撞擊、高溫等因素引爆了基本粒子，爆炸的沖擊波不斷的引爆外層基本粒子。

（2）基本粒子爆炸反應(yīng)產(chǎn)生了原子、分子等宇宙物質(zhì)，物質(zhì)由離子態(tài)、氣態(tài)逐漸凝結(jié)為液態(tài)、固態(tài)。由于星體主要在離子態(tài)、氣態(tài)和液態(tài)時(shí)聚集，所以呈球狀，若在固態(tài)或半固態(tài)聚集則星體的球狀會(huì)不規(guī)則。

（3）由于爆炸沖擊波施加給基本粒子背向爆炸中心的力，因此基本粒子反應(yīng)產(chǎn)生的星球及星系也在遠(yuǎn)離爆炸中心，由于爆炸沖擊波不斷的累加，因此離爆炸中心越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離的速度越快。

（4）爆炸沖擊波由爆炸中心向外不斷的累加，因此宇宙星系由爆炸中心向外不斷加密，爆炸波內(nèi)遠(yuǎn)離爆炸中心一側(cè)的質(zhì)量密度大于靠近爆炸中心一側(cè)的質(zhì)量密度，不在爆炸中心的星系受到遠(yuǎn)離爆炸中心的萬(wàn)有引力，因此星系退行在加速。類似規(guī)則氣球內(nèi)的不在幾何中心的質(zhì)點(diǎn)受球面的引力方向是背向球心的。

（5）由于爆炸發(fā)生在沖擊波所在的面上，基本粒子受到不同于背向爆炸中心的力，基本粒子反應(yīng)產(chǎn)生的星球之間擁有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度滿足其中一個(gè)星球沿一定軌道圍繞另一星球轉(zhuǎn)動(dòng)的要求時(shí)，就產(chǎn)生了星球的公轉(zhuǎn)。不滿足該速度要求的要么就被甩出軌道相互遠(yuǎn)離，要么相互撞擊而合并。星系圍繞其中心轉(zhuǎn)動(dòng)也是如此。

（6）在星球的公轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于星球之間的萬(wàn)有引力產(chǎn)生的力矩使星體產(chǎn)生了自轉(zhuǎn)，比如月亮使地球上的海洋發(fā)生潮汐，就是這種力矩的一種體現(xiàn)。

接力大爆炸也有爆炸放熱反應(yīng)，因此不難解釋宇宙微波背景輻射的現(xiàn)象；由于接力大爆炸沖擊波作用力總體背向爆炸中心，因此可以合理解釋星系退行現(xiàn)象；由于爆炸沖擊波的累加作用，因此距離爆炸中心越遠(yuǎn)的星系退行速度越快；由于距離爆炸中心越遠(yuǎn)宇宙星系越密，因此星系退行速度在加快；由于接力大爆炸的爆炸發(fā)生在沖擊波波面上，星體間能發(fā)生大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生公轉(zhuǎn)并導(dǎo)致自轉(zhuǎn)。與奇點(diǎn)大爆炸相比，接力大爆炸模型對(duì)這些宇宙現(xiàn)象的解釋更為合理。

另外接力大爆炸是否能夠解釋宇宙中氦元素豐度的現(xiàn)象，是否能夠解釋引力波宇宙觀測(cè)現(xiàn)象。筆者無(wú)從判斷，愿得相關(guān)學(xué)者和專家多多指教。

五、接力大爆炸推導(dǎo)出的推論

奇點(diǎn)大爆炸和接力大爆炸都認(rèn)為宇宙發(fā)生過(guò)爆炸，都能解釋宇宙微波背景輻射的熱量來(lái)源，都能解釋宇宙發(fā)生膨脹的現(xiàn)象。但是作為現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型之外的另一種宇宙模型，接力大爆炸宇宙模型最突出的特點(diǎn)是，爆炸波由爆炸中心外不斷的累加，這也推導(dǎo)出了：①宇宙物質(zhì)由爆炸中心向外加密，②能量由爆炸中心向外加大，③星體退行速度由爆炸中心向外加快等推論。

（1）關(guān)于星體退行速度由爆炸中心向外加快的推論，已經(jīng)被“距離地球越遠(yuǎn)的星系紅移越大”的天文觀測(cè)所佐證。

（2）關(guān)于宇宙物質(zhì)由爆炸中心向外加密的推論，可分析宇宙中星系的分布，分析是否有有球面變化規(guī)律，并分析是否是球面半徑越大，星系分布越密。

（3）關(guān)于能量由爆炸中心向外加大的推論，可精確分析宇宙微波背景輻射，確定是否有球面變化規(guī)律，并分析是否是球面半徑越大，輻射值越大。

（4）由上述物質(zhì)有中心向外加密，可進(jìn)一步推導(dǎo)出，宇宙在某一時(shí)刻密度達(dá)到黑洞密度，成為一個(gè)無(wú)法跨越的黑洞外殼。星體退行速度由中心向外加快，可進(jìn)一步推導(dǎo)出，爆炸波在某一時(shí)刻將超過(guò)光速向外退行。這兩個(gè)推論又聯(lián)合推導(dǎo)出宇宙在某一時(shí)刻之后以一個(gè)無(wú)法跨越的黑洞外殼為邊界超光速向外膨脹。

當(dāng)然上述這些推論隱含了兩項(xiàng)假設(shè)，一項(xiàng)假設(shè)是宇宙中均勻分布著基本粒子，另一項(xiàng)假設(shè)是接力大爆炸的爆炸中心只有一個(gè)。如果基本粒子分布不均或者是出現(xiàn)兩個(gè)以上的爆炸中心，那么接力大爆炸推導(dǎo)出的宇宙模型將更為復(fù)雜，可能出現(xiàn)的推論會(huì)更多。當(dāng)然在奇點(diǎn)大爆炸作為標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型的今天尚且沒(méi)有人推導(dǎo)出多個(gè)奇點(diǎn)的爆炸模型，目前尚不成熟接力大爆炸模型也沒(méi)必要推導(dǎo)出多個(gè)爆炸中心，或者爆炸前基本粒子分布不均的情況下的其他爆炸模型。

六、尋找爆炸中心的建議

上述這些推論都和爆炸中心有關(guān)，那么如何找到這一個(gè)爆炸中心，在此提出幾個(gè)思路供天文學(xué)家、物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家們參考。

（1）根據(jù)宇宙星體總體由爆炸中心向外發(fā)散，爆炸波球面上的局部爆炸產(chǎn)生星體相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生公轉(zhuǎn)的推論可以看出，宇宙中心與星系盤面有關(guān)系，或者星系盤面的延伸經(jīng)過(guò)爆炸中心，或者穿過(guò)星系中心的星系盤面垂線經(jīng)過(guò)宇宙中心，確定3個(gè)以上星系盤面即可確定爆炸中心。

（2）可精確研究可見(jiàn)宇宙中星系的分布情況，分析是否有球面變化規(guī)律，并根據(jù)球面半徑等找到爆炸中心。

（3）可精確研究宇宙微波背景輻射，分析是否有球面變化規(guī)律，并根據(jù)球面半徑等找到爆炸中心。

（4）可精確研究星系紅移參數(shù)，分析是否有球面變化規(guī)律，并根據(jù)球面半徑等找到爆炸中心。

七、接力大爆炸宇宙模型的科學(xué)性分析

根據(jù)波普爾的證偽說(shuō)：“所有的物理規(guī)律都是永遠(yuǎn)無(wú)法被證實(shí)的”[3]，那么接力大爆炸宇宙模型也無(wú)法被證實(shí)，但是與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型相比卻能更好的解釋各種宇宙現(xiàn)象。

（1）根據(jù)奧卡姆剃刀原理，需要假設(shè)最少的解釋往往是接近真理的解釋[3]。奇點(diǎn)大爆炸宇宙模型的假設(shè)條件主要有三個(gè)，首先四維空間存在無(wú)限大的物質(zhì)密度的事物，其次存在原動(dòng)力沖破奇點(diǎn)無(wú)限大引力并使質(zhì)點(diǎn)瞬間加速到三分鐘之內(nèi)到達(dá)可見(jiàn)宇宙邊界，再次存在暗能量使星系退行加速。接力大爆炸宇宙模型的假設(shè)條件主要有兩個(gè)，首先是空間中分布有達(dá)到爆炸密度的基本粒子，其次是有引爆基本粒子的因素。從假設(shè)條件的數(shù)量來(lái)看，接力大爆炸宇宙模型更接近真理。

（2）奇點(diǎn)概念是因?yàn)樾窍低诵卸赐瞥觯械挠钪嫖镔|(zhì)在最初都集中在一個(gè)點(diǎn)上；而爆炸沖擊波施加給外層基本粒子遠(yuǎn)離爆炸中心的力，也可以使基本粒子爆炸反應(yīng)產(chǎn)生的星系遠(yuǎn)離爆炸中心；只是前者反推出來(lái)的奇點(diǎn)十分神秘，后反推出來(lái)的基本粒子相對(duì)合理。

（3）奇點(diǎn)大爆炸難以解釋星體公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，而接力大爆炸模型下的星體與周圍星體可以發(fā)生大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以可以發(fā)生公轉(zhuǎn)并產(chǎn)生自轉(zhuǎn)。

由以上分析可以看出，雖然奇點(diǎn)大爆炸宇宙模型與接力大爆炸宇宙模型均能夠解釋宇宙微波背景輻射、星系退行等天文觀測(cè)現(xiàn)象；但是后者的假設(shè)條件更少，后者對(duì)星系加速退行、星球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)等天文觀測(cè)現(xiàn)象的解釋更為合理；同時(shí)后者由星系退行反推到基本粒子也比前者反推到奇點(diǎn)更為合理；由此看來(lái)奇點(diǎn)大爆炸宇宙模型比接力大爆炸宇宙模型更容易被證偽，所以后者更具科學(xué)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]武偉軒.宇宙通史.2005（4）：99-106

[2]李宗偉，肖興華.天體物理學(xué).2001（5）：426-445

[3]汪潔.時(shí)間的形狀.2012（1）：9-10endprint