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专业: 宇宙学

[交流] 大爆炸理论和广义相对论的一个矛盾----时间计量

大爆炸理论和广义相对论的一个矛盾----时间计量
爱因斯坦最初的宇宙学模型并不是大爆炸的宇宙模型，但由于爱因斯坦后来自己宣布放弃宇宙学常数，承认宇宙大爆炸理论，所以现在人们一提起宇宙大爆炸理论，常常把宇宙大爆炸理论和广义相对论联系在一起。我在‘评宇宙大爆炸理论的数学根据’中已经指出，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的必然结论。而且宇宙大爆炸理论和广义相对论在有关时间计量这个重要问题上还相互矛盾。
在宇宙大爆炸理论中，对整个宇宙的演化过程有大约如下的描述：
宇宙是诞生于大约137亿年前。如果把这一时刻记为t=0。则
在t=10的- 43次方秒时，大爆炸开始，
在t=10的- 35次方秒时，暴涨开始，
在t=10的- 4次方秒时，中子和质子出现，
……                电离态的氢和氦元素逐步形成
在t=30万年时，       电离态消失，只有中性态，辐射和物质退耦
……                宇宙继续膨胀，辐射温度下降
在今天                辐射温度下降到3K，形成今天的微波背景辐射
对宇宙演化过程做这样的描述显然要求对‘整个宇宙’应当存在有一个统一的时间尺度，这样的时间概念被称为‘宇宙时’。这个‘宇宙时’的时间计量单位如何定义？这个时间计量单位和我们现在地球上的时间计量单位有什么样的定量关系？
在我们日常生活中，古人是利用两次日出的间隔来定义‘一天’这个时间单位。现在我们有许多不同的方法来定义时间单位。目前通用的是原子时时间单位‘秒’。卢昌海先生在他的个人网站上有一篇文章，比较系统地介绍了时间计量的发展历史及其应用。现在原子时时间单位“秒” 的定义是：铯-133 原子基态两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的 9192631770 个周期所持续的时间。这两个超精细能级分别为基态 62S1/2 的外层电子自旋向上与向下的状态。
关于宇宙时这个基本物理量的定义，在百度百科中有这样一个定义：‘宇宙时是全宇宙都适用的统一时间，也称宇宙标准时或普适时。它用演化着的宇宙本身作为时计来计量。宇宙中存在一些宇宙标量场(例如微波背景辐射温度)，处处都是单调递减的，利用这种宇宙标量场就能确定宇宙时’。
百度百科这个定义显然很不严格，首先它存在一个循环逻辑问题。为了描述宇宙演化，需要定义一个在‘整个宇宙’都适用的统一时间标准，而要定义这样一个在‘整个宇宙’都适用的统一时间标准，又需要用演化着的宇宙本身作为计时的‘时计’进行计量。其次对具体的计量时间的单位如‘秒’，没有给出任何具体的定义。百度百科定义中提到，用微波背景辐射温度这样宇宙标量场的单调递减可以定义具体的时间单位，这实际上根本不可能。根据标准宇宙学模型，微波背景辐射是在宇宙诞生‘30万年’之后才开始形成，即使在微波背景辐射形成后，可以用微波背景辐射定义一个时间单位，那么在微波背景辐射形成之前，宇宙时的时间计量单位又该如何定义？
在标准宇宙学模型中，为了在膨胀的宇宙中，描述天体在宇宙空间中的运动所用的参考系是‘共动坐标系’（co-moving coordinate system）。宇宙空间中每个星系都可以作为坐标系原点建立一个共动惯性参考系，用它来描述天体的哈勃运动。但和各个星系相联系的‘共动坐标系’之间是存在相对运动。根据爱因斯坦的广义相对论，由于存在有‘运动时钟变慢’效应，对宇宙空间中这些和不同星系相联系的参考系，它们的时钟应当有不同的时间计量单位。我们是无法确定那一个参考系中的时间单位可以作为对‘整个宇宙’都适用的时间标准。因此在宇宙大爆炸理论中提出这个‘整个宇宙’都适用的时间标准概念，是和广义相对论有关时间标准的基本概念相互矛盾的。
另外一个矛盾是在大爆炸的不同阶段，也不可能有统一的时间标准。因为在宇宙大爆炸的不同阶段，宇宙的物质密度有很大变化，因此引力场在演化过程中也会有很大变化。而根据广义相对论，引力强度的变化也会导致计时用的时计的计量标准发生变化。因此在宇宙演化过程的不同阶段，也不可能有统一的时间计量标准。
如果宇宙中存在有一个对‘整个宇宙’（包括所有空间和时间）都适用的统一时间计量标准--宇宙时，我认为这个宇宙时概念和牛顿的‘绝对时间’概念没有什么本质区别。只是在标准宇宙学模型中，宇宙学家人为地把所谓‘宇宙诞生’之前的时间从宇宙中抹掉，把这段时间留给上帝，让上帝为创造宇宙做好准备工作。
宇宙大爆炸理论创始人之一的勒梅特Lemaitre, Georges ( 1894.7.17 - 1966.6.20 )本人是一个宇宙学家，同时又是一个罗马天主教的牧师。1981年在梵蒂冈由教皇科学院组织的宇宙学大会上，教皇对物理学家发出警告，要防止对宇宙是如何形成或为什么开始的问题挖掘太深，这完全是神学家的事情。
目前似乎还没有理论物理学家或宇宙学家愿意对宇宙时中的时间计量单位给出严格的定义。北京大学俞允强教授在他为宇宙学科研工作者而写的‘热大爆炸宇宙学’一书中，全面地讨论了宇宙学中各种问题，唯独没有对宇宙时这样一个基本物理量加以讨论。大部分学者都只是在默认有这样一个‘宇宙时’的时间计量单位存在的基础上，对宇宙演化中各种问题进行讨论。
卢昌海先生文章地址：
http://www.changhai.org/articles/technology/misc/clocks.php

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