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专业: 宇宙学

[交流] 评宇宙大爆炸理论的数学根据

评宇宙大爆炸理论的数学根据
在现在的宇宙学研究中，不可否认宇宙大爆炸理论已为大部分学者所认可，因此也为大部分公众所熟悉，成为宇宙学领域的主流理论。但这并不说明宇宙大爆炸理论已经是完美的理论，完全可以解释我们现在所观测到的天文现象。恰恰相反，引进暴涨理论，提出暗物质和暗能量概念，这些都说明宇宙大爆炸理论现在已经遇到许多无法克服的危机，需要借助虚构的概念和没有根据的假设来进行修补。只是理论物理学家和宇宙学家都还不愿意承认这个事实罢了。出现这种情况的原因是多方面的。既有学术方面的原因，也有非学术方面的原因。非学术原因我现在先不讨论。下面我只讨论宇宙大爆炸理论中的数学根据。
宇宙大爆炸理论的建立确实是用到了广义相对论引力方程，但宇宙大爆炸理论并不是广义相对论引力方程成立的必然结论。因为广义相对论引力方程在数学上很难对直接求解，因此要对它求解首先必须引进某些假设来简化它。目前主要的简化假设有两个：爱因斯坦的宇宙学原理假设和俞允强教授的‘球对称的引力场’假设。不管引进这两个简化假设中的那一个，广义相对论引力方程都可以得到三个类型的解。而且这三个类型的解和用牛顿力学方程得到的三个类型解是完全一致，都是合理的解，在宇宙中都有可对应的例子。只有在所应用的天体系统中出现了‘高强度引力场和高运动速度’情况时，这些解的相对论的效应才显现出来。只有在这种情况下，才需要对用牛顿力学方程得到的解，进行相对论修正。实际宇宙中出现这种情况并不是普遍现象，所以牛顿力学为基础的天体力学在天文研究中现在仍然具有旺盛的生命力。
引力方程三个类型解是：‘束缚态’，‘散射态’和‘吸收态’。其中束缚态类型解，就是爱因斯坦所偏爱的‘稳定宇宙解’。这个类型解是在宇宙学原理假设的基础上，宇宙学常数取不为0的数值时由爱因斯坦自己得到。宇宙学常数为0时的解，则是后来由弗里德曼首先得到的。它有‘散射态’和‘吸收态’两个类型解。从数学上考虑，宇宙学常数只不过是在解引力方程过程中的一个积分常数，因此它可以取任意值。不同的积分常数对应不同类型的解。有不同的运动状态的天体系统是被不同类型的解所描述。因此广义相对论引力方程在宇宙学原理假设下，数学上是有三个类型解，而且这些解物理上也都是合理的解。并不是只能有一个和宇宙大爆炸理论相对应的‘散射态’类型解。由于爱因斯坦最初坚信宇宙是稳定的，所以他认为宇宙学常数应当有不等于0的数值。我不知道爱因斯坦当时是对宇宙学常数为0的方程不会求解，还是根本就没有考虑要去解宇宙学常数为0的方程。从数学上看弗里德曼只不过是在宇宙学原理假设下，把广义相对论引力方程中宇宙学常数取为0时的方程给解了出来。它只是填补了爱因斯坦所遗漏的另外两个类型解。北京大学俞允强教授在引进更符合实际情况的‘球对称的引力场’假设后，可以直接从广义相对论引力方程得到所有三种类型的解。根据俞允强教授的推导以及和牛顿力学方程解比较，我们可以看到，三种类型解对应的积分常数是由天体系统中能量和角动量这两个参数的数值确定。在广义相对论引力方程用宇宙学原理简化后得到的方程中，如果把宇宙学常数和天体系统的角动量联系起来，它同样可以回归到牛顿力学运动方程。这一点我已经在‘试解宇宙学常数之谜’的博文中讨论过。宇宙学常数为0相当于这个天体系统的角动量为0。当天体系统的角动量为0时，单个天体在引力作用下，当然只能膨胀或塌缩。到底是膨胀或塌缩，这取决于这个天体的能量值。
我的‘试解宇宙学常数之谜’博文地址：
http://blog.51xuewen.com/zyjblog/article_15651.htm
广义相对论引力方程的三个可能类型的解，可以描述宇宙中三种不同类型运动状态的天体系统。天体系统的运动状态到底应该用哪一个解来描述，这由天体系统的能量和角动量这两个参数值确定。宇宙各个层次中稳定的成团结构天体系统，对应于‘束缚态’类型解，它们是宇宙中最普遍存在的天体运动状态。而‘散射态’和‘吸收态’这两个类型的解，则只和宇宙中某些天体演化过程中某个阶段的运动状态相对应。如恒星演化过程中新星和超新星爆炸阶段，对应的是‘散射态类型’解；而恒星演化阶段中的吸积过程对应的则是‘吸收态类型’解。因此，不论从数学上还是从宇宙的实际情况来看，宇宙大爆炸理论都不应当看成是广义相对论的引力方程唯一可能的解。宇宙大爆炸理论并不是广义相对论引力方程成立的必然结果。
否认其它类型解的存在，把反对宇宙大爆炸理论和反对相对论相提并论，我认为有‘拉大旗作虎皮’的嫌疑。是想利用爱因斯坦的科学威望以达到压制不同意见的效果。遗憾的是许多学者和有关领导似乎没有看透这其中的奥秘。
宇宙大爆炸理论之所以能够为大部分学者所认可，关键在于哈勃定律被认为是宇宙膨胀的直接观测证据。而把哈勃定律认为是宇宙膨胀的直接观测证据的关键是，把用于建立哈勃定律的星系红移看成只能用多普勒效应加以解释。因此要推翻宇宙大爆炸理论的关键就是必须提出一个站得住脚的非多普勒红移机制来解释哈勃定律。

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1楼 2011-04-21 06:29:18

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