邱學堯+羅瓊

摘 要：現(xiàn)有的標準宇宙模型認為宇宙由奇點爆炸產(chǎn)生，本文對該模型中的奇點密度和膨脹加速動力等方面提出了質疑，并提出了接力大爆炸宇宙模型的設想。接力大爆炸模型認為現(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、星體自轉及公轉等問題。根據(jù)接力大爆炸宇宙模型可以推導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，同時也提出了幾個探索宇宙爆炸中心的建議。

關鍵詞：宇宙大爆炸；奇點；微波背景輻射；星系紅移；退行；加速膨脹；自轉；公轉

宇宙是怎么來的，現(xiàn)有的標準宇宙模型認為宇宙由一個奇點爆炸產(chǎn)生，本文稱之為奇點大爆炸宇宙模型。奇點發(fā)生劇烈的爆炸后產(chǎn)生了宇宙的時間、空間及一切物質；大爆炸時宇宙暴脹的速度極快，三分鐘就產(chǎn)生了可見宇宙；由于萬有引力的減速作用宇宙的暴脹速度被減慢；后來空間變大后宇宙又出現(xiàn)了加速膨脹過程，科學家猜測加速的原因可能是暗能量[1]。

由于奇點大爆炸宇宙模型所預言的微波背景輻射、宇宙膨脹等結論被天文觀測所證實，逐漸成為了當前公認的標準宇宙模型，被天文界所廣泛接受。但是奇點也被賦予了許多神秘色彩，如無限大的物質密度，無限大的壓力，無限彎曲的時空等，但是該模型難以解釋奇點無窮大密度、星系加速退行以及星體的公轉和自轉等問題。為了更合理的解釋現(xiàn)有的各種天文觀測現(xiàn)象，本文提出了接力大爆炸宇宙模型的設想。

一、對奇點大爆炸宇宙模型存在疑點的分析

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

（1）分析奇點大爆炸宇宙模型的基本假設條件有兩個方面；首先要存在物質密度無限大的事物；其次存在一種原動力瞬間突破奇點無限大萬有引力，并將質點瞬間加速到三分鐘到達可見宇宙邊界。

關于奇點無限大物質密度的問題，奇點大爆炸宇宙模型也承認在三維空間難以解釋，于是引入了四維時空概念。增加了時間維度后，三維空間不能成立的事物在四維時空就可以成立，只具有三維空間思維能力的人理解不了四維的奇點?？墒沁@個奇點本身就是宇宙的開始，也就是說這個奇點在時間維度上的坐標為0，在時間維度確定后，奇點也只能算是一個三維的概念，在三維空間里奇點無限大物質密度的特性無法解釋。如果說時間本身是奇點的產(chǎn)物，不能評判還沒有時間概念的奇點，那么時間產(chǎn)生后，宇宙在四維時空模型中任何一個時刻都可以投影出一個三維模型，其中在0時刻上，宇宙在三維空間的投影同樣是一個無限大物質密度的事物。由此看來奇點大爆炸理論用四維概念來解釋奇點無限大物質密度的特點有掩蓋問題嫌疑。

關于爆炸原動力的問題，原動力可能由奇點內的物質反應產(chǎn)生，當然具有無限大物質密度的奇點，其反應也可能產(chǎn)生比無限大萬有引力更大的原動力，只是瞬間將質點加速到可以三分鐘之內到可見達宇宙邊界，比較難以解釋。

（2）奇點大爆炸前三分鐘就暴漲產(chǎn)生了可見宇宙，這三分鐘質點退行速度必然遠大于光速；目前的可見星體均未超光速退行，說明從爆炸至今經(jīng)歷過減速膨脹過程，減速的原因可能是萬有引力；近代天文觀測又發(fā)現(xiàn)星系退行正在加速，奇點大爆炸理論難以解釋加速原因，認為可能是暗能量導致加速。

目前科學界普遍認為暗能量是隨著宇宙膨脹空間增大后才逐漸超過萬有引力作用，導致星系退行加速的。但是暗能量的來源及類型尚無定論，只能作為大爆炸宇宙模型的一種假設條件，用來解釋宇宙膨脹加速現(xiàn)象。

（3）在距離奇點爆炸位置等距離的沖擊波上的質點所受的加速減速過程一致，這些質點與周邊質點難以產(chǎn)生大的相對運動，這就導致星體與周邊星體難以產(chǎn)生大的相對運動而產(chǎn)生公轉。

對于星體自轉和公轉現(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和公轉現(xiàn)象。

由上述分析可以看出，奇點大爆炸用四維概念來解釋奇點的無限大物質密度的特性有掩蓋問題嫌疑，原動力瞬間突破無限大萬有引力將質點加速到三分鐘之內到達可見宇宙邊界比較難以解釋，用暗能量來解釋宇宙加速膨脹問題也是在基本假設條件之外又增加一個假設條件而已，另外該模型還難以解釋星球自轉和公轉的現(xiàn)象。存在這些問題，為什么奇點大爆炸還能成為標準宇宙模型，受到天文界廣泛認可呢？

二、奇點大爆炸模型的由來

奇點大爆炸宇宙模型主要由弗里德曼、勒梅特和伽莫夫等科學家根據(jù)愛因斯坦將廣義相對論推導而來，其成功預測的宇宙膨脹以及微波背景輻射，被哈勃觀測到的星系紅移現(xiàn)象以及彭齊亞斯和威爾遜觀測到的宇宙微波背景輻射所佐證，才逐漸成為標準宇宙模型的[2]。

但是星系紅移只能證明星系在遠離，并不能直接推導出星系就來源于一個奇點；宇宙微波背景輻射來源于大爆炸，也不能說明這個爆炸全部集中在一個奇點上。本文在取消奇點概念的基礎上，提出了接力大爆炸宇宙模型的設想，這個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題。

三、接力大爆炸宇宙模型的概念及假設條件

本文所說的接力大爆炸宇宙模型指的是，宇宙物質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，這些物質逐步演化為星體、星系以及星際物質。

由上述定義可以看出，接力大爆炸宇宙模型存在如下兩個假設條件

（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，而某個時刻宇宙空間中出現(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程如下endprint

（1）如同粉塵爆炸一樣，宇宙空間中某個點出現(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）基本粒子爆炸反應產(chǎn)生了原子、分子等宇宙物質，物質由離子態(tài)、氣態(tài)逐漸凝結為液態(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，因此基本粒子反應產(chǎn)生的星球及星系也在遠離爆炸中心，由于爆炸沖擊波不斷的累加，因此離爆炸中心越遠，遠離的速度越快。

（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，爆炸波內遠離爆炸中心一側的質量密度大于靠近爆炸中心一側的質量密度，不在爆炸中心的星系受到遠離爆炸中心的萬有引力，因此星系退行在加速。類似規(guī)則氣球內的不在幾何中心的質點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，基本粒子反應產(chǎn)生的星球之間擁有相對運動，相對運動的速度滿足其中一個星球沿一定軌道圍繞另一星球轉動的要求時，就產(chǎn)生了星球的公轉。不滿足該速度要求的要么就被甩出軌道相互遠離，要么相互撞擊而合并。星系圍繞其中心轉動也是如此。

（6）在星球的公轉過程中，由于星球之間的萬有引力產(chǎn)生的力矩使星體產(chǎn)生了自轉，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，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的星系退行速度越快；由于距離爆炸中心越遠宇宙星系越密，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)生大的相對運動而產(chǎn)生公轉并導致自轉。與奇點大爆炸相比，接力大爆炸模型對這些宇宙現(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現(xiàn)象。筆者無從判斷，愿得相關學者和專家多多指教。

五、接力大爆炸推導出的推論

奇點大爆炸和接力大爆炸都認為宇宙發(fā)生過爆炸，都能解釋宇宙微波背景輻射的熱量來源，都能解釋宇宙發(fā)生膨脹的現(xiàn)象。但是作為現(xiàn)有標準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是，爆炸波由爆炸中心外不斷的累加，這也推導出了：①宇宙物質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“距離地球越遠的星系紅移越大”的天文觀測所佐證。

（2）關于宇宙物質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）由上述物質有中心向外加密，可進一步推導出，宇宙在某一時刻密度達到黑洞密度，成為一個無法跨越的黑洞外殼。星體退行速度由中心向外加快，可進一步推導出，爆炸波在某一時刻將超過光速向外退行。這兩個推論又聯(lián)合推導出宇宙在某一時刻之后以一個無法跨越的黑洞外殼為邊界超光速向外膨脹。

當然上述這些推論隱含了兩項假設，一項假設是宇宙中均勻分布著基本粒子，另一項假設是接力大爆炸的爆炸中心只有一個。如果基本粒子分布不均或者是出現(xiàn)兩個以上的爆炸中心，那么接力大爆炸推導出的宇宙模型將更為復雜，可能出現(xiàn)的推論會更多。當然在奇點大爆炸作為標準宇宙模型的今天尚且沒有人推導出多個奇點的爆炸模型，目前尚不成熟接力大爆炸模型也沒必要推導出多個爆炸中心，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，那么如何找到這一個爆炸中心，在此提出幾個思路供天文學家、物理學家和數(shù)學家們參考。

（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)生星體相對運動而產(chǎn)生公轉的推論可以看出，宇宙中心與星系盤面有關系，或者星系盤面的延伸經(jīng)過爆炸中心，或者穿過星系中心的星系盤面垂線經(jīng)過宇宙中心，確定3個以上星系盤面即可確定爆炸中心。

（2）可精確研究可見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性分析

根據(jù)波普爾的證偽說：“所有的物理規(guī)律都是永遠無法被證實的”[3]，那么接力大爆炸宇宙模型也無法被證實，但是與現(xiàn)有標準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，需要假設最少的解釋往往是接近真理的解釋[3]。奇點大爆炸宇宙模型的假設條件主要有三個，首先四維空間存在無限大的物質密度的事物，其次存在原動力沖破奇點無限大引力并使質點瞬間加速到三分鐘之內到達可見宇宙邊界，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條件主要有兩個，首先是空間中分布有達到爆炸密度的基本粒子，其次是有引爆基本粒子的因素。從假設條件的數(shù)量來看，接力大爆炸宇宙模型更接近真理。

（2）奇點概念是因為星系退行而反推出，所有的宇宙物質在最初都集中在一個點上；而爆炸沖擊波施加給外層基本粒子遠離爆炸中心的力，也可以使基本粒子爆炸反應產(chǎn)生的星系遠離爆炸中心；只是前者反推出來的奇點十分神秘，后反推出來的基本粒子相對合理。

（3）奇點大爆炸難以解釋星體公轉和自轉現(xiàn)象，而接力大爆炸模型下的星體與周圍星體可以發(fā)生大的相對運動，所以可以發(fā)生公轉并產(chǎn)生自轉。

由以上分析可以看出，雖然奇點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現(xiàn)象；但是后者的假設條件更少，后者對星系加速退行、星球的自轉和公轉等天文觀測現(xiàn)象的解釋更為合理；同時后者由星系退行反推到基本粒子也比前者反推到奇點更為合理；由此看來奇點大爆炸宇宙模型比接力大爆炸宇宙模型更容易被證偽，所以后者更具科學性。

參考文獻：

[1]武偉軒.宇宙通史.2005（4）：99-106

[2]李宗偉，肖興華.天體物理學.2001（5）：426-445

[3]汪潔.時間的形狀.2012（1）：9-10endprint