关于宇宙的起源,始终是个难以回答的问题,而也许一些最根本的问题皆与起源有关。今天许多天文学家和物理学家,都自认为已找到了答案。他们相信,宇宙始于热爆炸的一个瞬间,称为大爆炸,而物质的基本结构已在最初的10-36秒时决定了。但这一猜想具有严重缺陷,COBE卫星的探测结果只是突出了这一点。

据大爆炸论,在甚早的高能时期,物质粒子与辐射密切地相互作用。在宇宙只有3分钟的时期,形成了轻原子核。约在10万年后,物质和辐射分开。这些原始的物质“种子”生长成今日天文学家观察到的星系和较大的结构。在辐射冷却时,给出了2.7 K左右的微波背景辐射。

60年代中期,当彭齐斯和威尔逊首次探测到微波背景时,这幅图景受到了广泛的支持,同时,天文测量所揭示出的轻元素核丰度,跟热大爆炸论的预言十分接近,在过去的这些岁月中,大爆炸论的信念取得了加强。去年,COBE报告了背景中的温度起伏,它是今天已变成大尺度物质结构的种子的印记。显然,这一结果应该使任何怀疑的人确信这个理论。

事情远非如此,COBE的结果已经排除了众多有关星系形成的、富有竞争性的理论,其中有些享誉公众。例如,建立在纯热暗物质和纯冷暗物质基础上的理论。幸存下来的理论,不仅应解释COBE的结果,还要跟大尺度结构方面的数据联系起来。诸如,众星系在大尺度上的运动。COBE使大爆炸宇宙论日子难过,这要比任何人料想到的还要严重。

大爆炸模型有三个问题。第一,作为一个物理理论,由于它违反了能量和物质的守恒定律,从而破坏了基本自然法则。在大爆炸瞬间,整个宇宙从所谓一个独一的事件(或“奇点”)中创生出来。第二,微波背景被认为是大爆炸的最可靠的证据。但是,辐射的一个基本特征,如其温度,不能从早期宇宙的任何计算中推导出来。其数值是假定的。

第三个问题,大爆炸宇宙论是为解释最轻核的起源而提出的,虽然它成功地解释了氦和氘的形成,但是在其他诸如锂、铍和硼核的问题上,却遇到了麻烦,即使就氘而论,它在宇宙允许多少重子物质(由质子和中子构成的“普通”物质)的问题上,给出了一个严格的上限,这迫使天文学家提出“暗”物质,想必它们以奇异形式构成了物质中的极大部分。

还有,最为流行的一种大爆炸模型,涉及到暴胀,这意味着宇宙的年龄跟我们银河系、球状星团和其他星系的相比,显得太小了。

在COBE开始工作的年月里,纠缠着大爆炸理论家的难题使得霍伊尔(F · Hoyle)、巴比及(G · Burbidge)和我相信,我们应该认真地为宇宙学开拓另一个理论框架。在这我们称之为准稳态宇宙论(QSSC)的框架中,物质和能量是按物理理论的常规途径创生的。我们能正确地估算出微波背景的现在温度,以正确的量值解释轻核的形成,用不着求助于非重子的暗物质,并且避免了“年龄难题我们的理论试图把宇宙的大尺度特征和高能物理现象联系起来。在谈宇宙学之前,先来看一下天文事件吧。

太阳的驱动力

到1960年事情变得清楚了,对于解释恒星能量很起作用的核聚变过程,在很多种甚猛烈的现象(从类太阳恒星到红巨星和超新星)中,被证明既不适当也不适用。现在,这些现象包括X-射线双星系、我们银河系的核心、河外射电源、类星体和活动星系核。到1964年,一些早先曾在恒星内的原子核合成问题上从事创造性研究的天体物理学家(霍尔、乔勿拉、M · 巴比及W · 福拉),提出结论说,多数这些天体的产能线索是在引力物理中,而不是在核物理中。这些源的能量产生于密实区域,那里的引力非常强烈,统治所有其他的已知的力。

今天,对于这些现象的流行看法是,在天体中心有一个大质量的旋转黑洞,它拉入物质形成一个厚而热的、围绕着它的“吸积盘”。人们相信,大部分观察到的发自这些天体的辐射,系来自这个热盘。几年来,这一基本观念已扩大到适用于许多最近的观察,这使人联想起古希腊人把额外本轮嫁接到他们的行星运动模型的做法。

例如,在典型的双瓣射电源中,相隔几十万光年的两瓣,都是被来自中心的射束的轰击所“激活”。黑洞把周围的物质吸入吸积盘,后者不知怎么地又辐射出狭长的射束。这些方向相反的射束,想必含有以近光速运动的等离子体。但是既没黑洞,也没有吸积盘被直接观察到。不清楚怎么可能形成吸积盘,尽管天体具有强烈的外向辐射压力。在典型的天体物理过程中,能量十分低效率地(通常的效率系数低于1%)转变成更有用的形式(辐射或动力运动)。例如在太阳中,仅0.7%的物质转换成辐射。但黑洞的吸积过程,要求10~30%的引力能转变成X-射线和其他辐射。最后,说明黑洞存在的间接证据,远未能解释黑洞的半径。

正如美国天体物理学家艾巴秀曼(V · A?Ambartsmian)在60年代早期所强调的,甚至更早可推溯到1929年,齐恩斯(J · Jfans)早就推测:绝不是物质落入黑洞;观察到的迹象表明,物质和辐射是从密实区域喷出。但是这些想法当时在理论家中未受到多少支持。主要是因为它们违反了物质和能量的守恒定律。一个独有的远古时的爆炸(如我们在大爆炸论所看到的),看上去并不太坏;直到发现类星体、活动星系核、射电源等时,才有了疑问,因为这些现象都在说明爆炸正在进行。现在,大爆炸论看来难以解释这些猛烈事件的持续发生。宇宙学必须跟那些不牺牲守恒定律的理论妥协。

我们的尝试是基于一个具有一系列“微爆炸”的模型,来替代独一的大爆炸。这些“微爆炸”始于一种类似于物质落入经典黑洞的物理过程,但是并非任何物质都被无限止地吞没,到了某个由斥力“场”的尺寸所确定的临界点上,物质被巨大的力所推出,很像一种爆炸,跟大爆炸不同,大爆炸是自发和无因的,而这些较小的创生事件是一个正在进行的过程的组成部分。物质被不断创生的概念(称稳态模型)是由庞迪(H · Bondi)和戈德(T · Gold)于1948年提出的,霍伊尔还打算把物质的创生跟相对论协调起来。

大创生和小创生

我们现在提出一个宇宙处在“大”创生相和“小”创生相交替变换的模型。在大创生相时,通过更频繁或更大的爆炸,刨生出更多的物质,故大创生时,随着物质的飞离,加速了宇宙膨胀,但这加速同时也减小了由物质创生所引起的斥力场的强度,膨胀过程遂慢下来,直至到了某一点,更多更多的爆炸再次发生,就此整个过程自我重复。其全貌是这样的,慢和稳态的指数律爆炸经历10000亿年,继而是200~400亿年的短期“摆动”。

目今,测量出的哈勃常数(H)是50~100公里/秒 · 百万秒差距,星系的退行速度跟它与我们的距离有关,即星系处在离我们100万秒差距的地方,则其离开我们的速度为50~100公里/秒。此常数具有与时间成反比的量纲,1 H在100~200亿年之间。在我们的模型里,我们认为哈勃常数是短周期“摆动”的量度。

宇宙的大尺度测量(应用射电天文学和光学天文学)最终将表明。这两种时-标的概念是否正确。QSSC模型是否正确,很大程度上,将视其能否解释轻核和微波背景的起源来判定。

在大爆炸论中,早期宇宙的核合成过程,都能说明观察到(宇宙中)的氘的量,但宇宙重子物质密度有一个严格的上限为10-30克/厘米3),这就留下了一个宇宙中暗物质是由什么东西构成的问题。若我们把暗物质加到物质密度上,又超过了这个上限,这使得大爆炸论宇宙学家提出暗物质必是一种奇异的、非重子形式,且不参与氘的合成。

在QSSC模型中,整个核合成过程是不同的,故在氘的产生上,不需有一个物质密度的上限。在这模型中,第一种被创生的粒子为普朗克粒子。它的质量是由3个物理参数所决定的:光速、普朗克常数和引力常数,这种粒子行几十微克重,但其寿期极短,约为10-43秒,它随即哀变成更轻、更稳定的一些粒子:中子、质子和6种其他较不稳定的重子。由于创生过程是连续的,且偏爱于创生现存物质——一代粒子构成物质,故下一代仍然构成物质。

在大爆炸宇宙论中,物质与反物质没有固定的区分,两者同等对待,故物理学家现在有一种困惑,为何今日宇宙看上去物质占主导地位。再者,大爆炸宇宙论并不解释为何在辐射背景中,轻粒子(光子)在数量上远超过物质粒子(重子),约达10亿倍。

在QSSC模型中,重子和辐射都是普朗克粒子衰变的产物,我们熟悉的有2个重子家族:中子和质子,组成重子家族八重态的部分。除此而外,留下6种甚短寿粒子,并衰变成质子,后者形成我们今日所见的氢原子核。另方面,起初,质子和中子是成对的。结合成氦原子核,故我们可期望,25%的宇宙物质是氦,其余为氢,更为详细的计算,把氦的份额下降到23%,据对轻核诸如氘、氚、锂-6、锂-7、铍-8和硼的计算,很好地跟其原始丰度的估计(据其现代丰度的观察所导出)相吻合,这个模型也允许少量元素者如如碳、氧和铁的形成。

现在来谈微波背景辐射。在大爆炸宇宙论中,背景辐射被看成是热起始的余烬。在QSSC中是没有起始的,故我们要表明,现存的稳态背景,为何随着宇宙膨胀而不断地取得补充。我们认为,这个补充工作主要靠星光被物质吸收,继而又作为能量被辐射的这一称之热化的过程。在这幅图景中,微波背景辐射源是先前摆动留下的星光。计算一直来(即从最近那个最小振荡相开始迄今)摆动中所产生的星光量,我们推导出一个周期到下个周期所能移下的星光量,从而估算出背景辐射的温度。我们发现这一热化过程产生的星光,确实具有约2.7 K的温度。

由于获得了正确的温度值(这是一项迄今可否定大爆炸的成就),下一步我们要解释,微波背景辐射是如何产生我们所观察到的完全的“黑体谱”,其实,只要辐射通过一系列吸收-再辐射过程,就会出现黑体谱,在QSSC模型中,我们认为,来自上一个摆动的辐射,不断地被针尖形的尘粒所吸收和再辐射,主要在振荡的最小点上(热化是一个连续过程,但在最小点上热化特别强烈,因为此时密度高)。铁针粒约为1毫米长,,0.01微米宽,就会产生这种现象。实验表明,金属蒸汽倾向于凝成须状。这种铁蒸汽可能出于超新星爆发和微爆炸时的核合成过程,估计在宇宙铁丰度中,只有一个很小的份额可能要借助于热化过程。这个过程将需较长的时间,才能产生一个全黑体谱和一个近似的各向同性(各个方向上的均相同)。

QSSC对天体物理学也有影响。在QSSC中,被认为在旋涡星系(包括我们星系)中大量存在的暗物质,很可能只是燃尽恒星的残余。银河星系的估计质量可能是通过几个周期的物质创生所积累起来的。一些周期长达200亿年,如此长的时期,足以使得某些星团暗弱得无法见到。一个类似论据,适用于星系团中的暗物质。在QSSC中,时-标也相当长,足可使星系团合并成超星系团。

几种未来的观察将会支持本模型。例如,现在已计划的引力波探测,可能是寻找微爆炸的方法之一,由于这种爆炸将产生引力波。若发现引力波,因这种爆炸在形态、强度和时间间隔上是不规则的,故与其他的引力波源(诸如爆炸天体、收缩着的双中子星。)能区分开的,通过毫秒级脉冲星效应,引力波背景也可探测到,不过迄今的脉冲星测量,尚未灵敏到足以测出这个背景。

这里所描述的框架仅作为一个始点,与大爆炸模型不同,它不是作为宇宙学一个有定论性的理论,而只是一个理论模型。我们希望,至少它能引起一些辩论。

(New Scientist,1993年6月19日)