六、现代宇宙论的本质
宇宙论也叫做宇宙观、时空观、世界观、物质观。现代宇宙论以牛顿宇宙论和相对论宇宙论为代表,下面我们简单介绍一下。
(一)、牛顿宇宙论
牛顿宇宙论也叫做牛顿时空观,起源于牛顿力学体系,尤其是万有引力理论。牛顿力学理论是在4个基本假设之上建立起来的:1、存在惯性运动,2、速度无限,而且是绝对的,3、同时事件间的关系由欧几里德几何描述,4、惯性观测者之间相对作匀速运动。在牛顿力学方程中没有宇宙中心的位置,任何时空点都是平等的,空间各向同性,任何时空点的物理规律都一样。在宇宙里,动者恒动,静者恒静。要求引力在无穷远处为零。由于牛顿力学不能够解释天体的动力原因,于是提出了上帝学说:“上帝使天体转动,然后天体自己靠引力和惯性运动不息”,主张有上帝第一推力存在(爱因斯坦也有上帝观念存在)。炁学提示:其实,牛顿空间就是炁体空间,因为炁粒和炁流都不能够满足这些条件。牛顿以他对科学的直觉,使用了炁体空间,对炁体空间有了一定的了解——炁体空间处处平等、没有中心、各向同性、无限大、天体无限多、恒静、引力在无限远处为零、绝对静止的特征,实在是一个伟大的天才的科学家,简直是一个科学神人。然而,牛顿时空观却被指责为“仍然有亚里士多德式的绝对观念”,引起了很多科学家的批判,主要代表人物有伽利略、康德、奥尔勃斯、马赫、爱因斯坦等。
伽利略的运动的相对性原理从根本上否定了绝对空间的概念。炁学提示:运动是炁粒和炁流的根本属性,同炁体没有关系,炁体是没有运动性的,因此并没有否决绝对空间的存在(绝对静止的空间就是炁体空间)。
康德于1755年在其作品里引用了牛顿的万有引力去阐述天体现象时发现了不足,天才地引入了斥力的观点,同时用引力和斥力成功地解释了一些只用引力无法解决的天体问题。他对牛顿的“恒静空间”提出了批判,认为不可能存在这样的空间,因为他在运用引力和斥力的时候,不需要这样的空间。炁学提示:没有炁体形成的炁海,如何有引力炁流和斥力炁流存在?这个就如同没有水又哪来水流?没有引力炁流和斥力炁流,哪里来的引力和斥力?既然要用引力和斥力阐述问题,就必须承认引力和斥力的物质性,就必须承认引力炁流和斥力炁流的存在,就必须承认引力炁流和斥力炁流的源泉——炁体和炁海的存在。
德国的奥尔勃斯在1826年提出了一个著名的佯谬命题,证明了牛顿的绝对时空理论的错误。他在四个假设的前提下,利用微积分这个数学工具,论证得出“黑夜与白天一样亮,天空处处同亮,与太阳亮度无异”的荒唐结论。这四个假设是:1、宇宙无限大,2、宇宙中充满物质,星数无限,3、总体上说,恒星的密度不变,平均光度不变,4、星光传播规律与地球上一致,照度与距离平方成反比。因此,照度,其中K为发光系数,ρ为恒星密度。证明过程似乎没有错误,怎么会导致这样的怪论呢?问题到底出现在哪里呢?炁学提示:问题就出现在假设3和4上!西学观测到的天文事实表明,虽然银河系是由千亿颗以上的恒星组成的,但是这些恒星并不是均匀散布在炁海(天空)里的,而是聚集在一起形成了星群——恒星群,最后形成银河系,银河系的直径只有25KPC。银河系外面是更加广泛的空间,里面没有一颗恒星,直到另外一个河星系才有恒星出现。而且银河系里的恒星分布,总是使外面的恒星把里面的很多恒星和光炁流都遮挡住了。我们所看见的星光只是一部分的星球发出的半边的光。这就使得对于远处的观察者来说,整个银河系的光效果与一个大的恒星无异,看见的只是一个点或者一片云(所以河外星系也叫做星云)而已,这一点从河星系的照片上就可以得到证实。离银河系最近的河星系是大小麦哲伦云,距离为20万光年。就是说,在炁海里天体总是高度聚集在一起成为星系的,星系所占据的空间是十分有限的,星球并不是均匀分布的。如此高的密集度,说明假设3是不成立的,怎么能够用假设3来计算呢?另外,在天空炁海里到处有星际气粒(气体和尘埃)和天体炁流存在(五行炁流存在生克作用关系),它们起到了星际消光和星际红化的作用,就是会吸收、遮挡、削弱和阻尼星光炁流。这种作用同距离成正比,光炁流传播得越远衰减越厉害。在如此遥远的距离上,怎么能够用地面近距离的光学规律来计算呢?因此假设4也是不成立的。星际气粒对光炁流的削减作用大家比较容易理解,就是气粒对光的吸收、散射、折射、衍射、反射等作用,而对炁流削减光炁流的作用大家就比较难于理解了。我们知道,在天空炁海里有大量的射电波炁流存在,就是3K微波背景辐射。波炁流属于木炁,光炁流属于土炁,易学里说“木克土”,就是说波炁流会使光炁流减弱,就是电磁波使光线减弱的效应,从而出现星际消光和红化现象。结果是银河系的1200亿个恒星发出的光炁流,经过聚集、遮挡、星际消光和红化作用,光炁流不能够简单地叠加积分。对于河外星系和总星系也是这样的情况。因此奥尔勃斯的论证方法是错误的。
马赫的批判:如果有绝对空间,物体相对于这个绝对空间的运动就应该是可以测量的。这就要求必定存在一些物理规律,含有这个绝对速度,而且沿绝对速度方向与垂直绝对速度方向的规律方向的规律应有区别,因而空间可能又变成各向异性了。这与牛顿力学要求的时空点处处平等相矛盾,这会在理论上引起困难,而在观测中也没有发现这种现象。炁学提示:炁体空间(绝对空间)是一个整体,没有质点,无法作为参考系,尽管有绝对运动存在,但是我们没有办法测量到这个绝对运动。西学的科学规律只是关于炁粒和炁流的规律,对于炁体不适用,因为炁体是无法量度的。
爱因斯坦的批驳:牛顿力学假设引力势在无穷远处为零,但是牛顿的物质均匀充满的无限宇宙是不能够实现这个条件的。而如果认为天体并不是均匀分布整个无限空间,而只是占据有限范围,则这个体系是不稳定的,必将坍缩或者瓦解。炁学提示:这是西学对炁体和引力的本质不认识的缘故,事实上是完全可以实现这个条件的。引力炁流就是阴炁流,在炁体形成的炁海里流动,在无穷远处为零,而实际上不用在无穷远处就能够为零,因为引力炁流的强度是同距离平方成反比关系的,很快就减弱了。引力炁流就像流向泄水孔的水形成的水流一样,都能够引起吸引力,而这样的水流的速度和强度与距离的平方成反比,在不远处就看不见感觉不到水流的影响了,根本不用在无限远才为零,在“非生物学·炁流作用”一章节里已经介绍过了。天体的确是集中在一起形成了星系,而且一直在进行着天体链的公转和自转运动。牛顿空间是炁体空间,相对论空间是炁粒空间和炁流空间,二者都没有错,都是正确的。
(二)、相对论宇宙论
洛伦兹在研究电磁现象时,针对伽利略的相对运动变换公式(x′=x—vt,y′=y,t′=t)进行了下面的洛伦兹变换:
当v很小时,二者是统一的。由于洛伦兹有以太论的思想,不能够理解电磁现象的相对性原理,无法揭示时空的本质。以太论认为在天空里有静止的作为波、光的传播介质的以太这种物质存在,人们把相对于以太的运动当作是绝对运动。麦克尔逊认为光在以太里传播,光速是光的传播速度和以太速度的合成,并且为此测量了一辈子还是没有测出来。爱因斯坦抛弃以太学说,提出了两个基本假说(相对性原理和光速不变原理)和设计了理想电梯实验,进一步推导得到了狭义相对论方程和广义相对论方程:
式中,l、l0分别是物体相对于仪器运动、静止时测得的长度,△t、△t0分别是在静止、运动的参考系中用静止、运动的时钟测得的时间间隔,m0为静止质量,m为运动质量,E、m、c分别为能量、质量、光速,V、U、K分别为势能、动能、曲率常数。
对这些公式的解释是:运动的物体发生收缩,运动的时钟要变慢,运动的物体质量要变大。由此认为已经揭示了电磁场的本质:电磁场是物质的一种形式,也具有质量、能量和动量,但是没有静止质量,只有运动质量。任何物质的速度都不可能大于光速,引力也不是超距离的,因此必然有引力场、引力波和引力子存在。时空是与物质有关的时空,而不是牛顿的与物质运动无关的绝对时空。相对论推翻了牛顿的绝对时空观,论证了辩证唯物主义时空观。狭义相对论证明了空间和时间的相互联系,时空随物质形式和运动状态的变化而改变。广义相对论证明了物质的分布状态使时空结构发生了变化,使得充满物质的宇宙空间,不是欧几里德空间,而是非欧几里德空间。爱因斯坦的宇宙学原理指出:任一时刻宇宙物质空间分布在大尺度上是均匀和各向同性的,宇宙无中心。
相对论证明了均匀各向同性的空间的曲率为常曲率,K=1/R(球面为1/R2)。宇宙曲率为正,因此是一个有限无边的宇宙。宇宙体积是有限的,但是没有边缘。光线在引力场中将弯曲,并且被观测所证实。相对论空间会随时间而胀缩。哈勃定律显示,河外星系都有红移,距离越远红移越大,说明宇宙空间在随时间而膨胀之中,这就是空间运动的证据。因此,宇宙大爆炸理论产生了。这个理论提出了宇宙从奇点起源的问题:宇宙从0体积的奇点膨胀到现在这样巨大,而且还在以近光速膨胀着。奇点没有体积却能够生出时间、空间和宇宙里的所有物质。奇点处一切物理规律甚至时间、空间、物质的概念也发生了很大改变。宇宙膨胀演化关系:RT=常数(R、T分别为宇宙尺度和宇宙温度)。宇宙从小到大演化着。西学规定奇点的宇宙年龄为零。现在的宇宙是200亿年前形成的,因为最老的天体只有200亿年历史。200亿年前,有一个叫做奇点的东西,它的体积为零而温度无限大,形成宇宙后温度剧降,在1秒钟之内从无限大降到1010K(百亿开),时间、空间、各种量子诞生了。首先是在10-43秒(叫做普朗克时间。普朗克时间以前目前的理论全部失效)内生产出无限多的量子,降温到1032K,几分钟后,量子合成氦气,温度降到109K,在40万年后形成星云气体,物质诞生了,温度降到4000K,之后是星云气体凝结成固体或者液体,20亿年后,固体和液体凝结形成星球和星系,温度降到几十度。由于宇宙是膨胀的,密度必然从密到稀演化。由星系估算所得的宇宙平均密度约为10-31g/cm3,这些可视物质加上暗物质很可能接近宇宙的临界密度ρc=2×10-29克/厘米3。
在宇宙形成过程中,有一个核子和自由电子结合形成氢的过程,形成氢后辐射与物质分离,辐射变成自由光子在空中传播并随着宇宙膨胀,能量越来越弱,形成了现在的微波背景辐射,宇宙从此变成透明了。为了修正大爆炸理论存在的奇点问题,1980年美国的古斯提出了宇宙暴胀模型理论,指出宇宙膨胀得很快,在极短的时间就膨胀了1050倍,可以大大地超过光速。而理论证明,光速是不可超越的,只有静止质量为零的粒子(例如光子、引力子)才可以达到光速,因此当时可能有一种超光速的未知的物质形式存在。稳恒态宇宙预言有这种物质存在,起初宇宙密度为零,没有粒子存在,物质以另外一种形式寄寓在那时的空间中。这种物质形式处于高温相(这种物质发生相变的温度是1027K),随着一股巨大的斥力使宇宙作指数膨胀,温度急剧下降,粒子从虚无中产生出来,粒子形式处于低温相。粒子产生会释放宇宙潜能,加热空间,使空间温度回升。然而星系计数表明宇宙早期密现在稀,宇宙在作减速膨胀,而不是稳恒态预言的加速膨胀。
表5.1宇宙形成史
宇宙年龄
温度
说明
0
∞
奇点,时空处于量子化阶段
10-43秒
1032K
超统一时期,粒子创生。超引力作用。量子效应开始。普朗克时间
~10-35秒
1027K
强弱电大统一,重子偶形成
~10-6秒
1013K
强子时代,质子偶湮灭
1秒
1010K
轻子时代,电子偶湮灭。中子质子从平衡态脱离出来
若干分钟
109K
辐射时代,核合成,氦形成
约10万年
?
微波背景辐射形成
~40万年
4千K
物质为主时期,星气星云
~20亿年
几十度
星系形成
炁学提示:西学是关于炁粒和炁流的学问,是关于炁粒本身、炁粒之间的关系和炁粒同炁流之间的关系的学问。牛顿时空是关于炁体和炁粒的时空,相对论时空是关于炁流的时空,相对论没有推翻牛顿的绝对时空——炁体时空。相对论宇宙论是关于总星系的理论,不是关于宇宙的理论,也不是关于空间和时间的理论。很显然,相对论宇宙(时空)指的只是总星系天体空间,并不包括总星系外的空间。结合星云起源理论,可以得出西学的天体起源理论的大体模式是:
从虚无的奇点产生出空间、时间、量子,然后量子结合成为原子,原子结合成为分子,接着分子结合成气体并且形成星云,星云气体靠自身引力作用聚结成为星球和星系,其后天体迅速膨胀,处于爆炸状态,膨胀速度近光速。一方面,宇宙从奇点起源膨胀到现在的模样,另一方面,分散在宇宙里的量子又凝结成为原子、分子、气体、星云,最后聚结成星球和星系。引力从无到有又到小,从小到大又到黑洞的无限大。这些是什么逻辑?有什么科学依据?
相对论指出,旋转的天体会拖拽空间,使空间运动,发生偏转扭曲变形,如同水的旋涡一样。拖拽的不是空间,而是炁流,就像呈阿基米德螺旋线状流动的太阳风和太阳磁力线,炁体是拖不动的。拖拽的炁流使附近的天体随之运动。
相对论预言引力能够使时空发生弯曲,例如光线在引力场中要弯曲,并且计算得出太阳会使经过太阳附近的星光弯曲1″.75。这个预言在日蚀中得到了证实。1919年,爱丁顿测出星光在太阳的引力作用下发生了弯曲现象,观测值是1″.98±0.16,之后人们多次观测值都在1″.75附近,弯曲角度与相对论的预言十分相近,这是证明“空间在运动在变形”的证据,证实了相对论的预言:空间在引力作用下会弯曲。事实上,这不是空间或者宇宙在运动变形,只是光炁流的运动方向发生了变化,是光的折射现象而已。大气层形成一个巨大的“聚光镜”,星光射入光密的太阳大气层,会向太阳一边靠拢,发生折射现象。