谁引爆了宇宙

—引力起源与引力红移   

陈绍光著

绪论

大爆炸宇宙论认为,宇宙是在100多亿年之前的一次大爆炸中诞生出来的。这个学说问世后几十年来在科学界中得到了愈来愈多人的认可，尤其是得到了许多科学泰斗如爱因斯坦（A.Einstein）、温伯格（S. Weinberg）等人的支持，加之媒体广为宣传，大爆炸宇宙论便成了公认的标准理论。

最近John K.Webb（韦伯）^【1】等人研究60至100亿年前的类星体的红移率z时发现：同一个类星体中，不同元素的吸收光

λ_m－λ_n

谱线彼此之间的波长间距  ———— ，不同于现在实验室中的

z +1

波长间距 λ_m0－λ_n0 （z＝0） 。这一现象用宇宙膨胀的多普勒

v

（Doppler）速度红移z＝——是无法解释的。因为同一吸收云c

中的不同元素有同一宇宙膨胀速度v ，从而有完全相同的红移

λ－λ₀

率^* z。由定义  z ≡  ————   或 λ≡（z +1）λ₀ ， 有

λ₀

λ_m－λ_n

λ_m0－λ_n0 ≡ —————，因此，不应该有上述波长间距不同

z +1

的现象产生。以前宇宙膨胀的多普勒速度红移在解释一些观测事实方面也遇到过不少困难，例如反常红移和类星体红移远远偏离哈勃(Hubble)定律等。对这些解释不了的观测事实，曾用引进新的假定和分类弥合数据等方法来避开困难。现在Webb等的最

  * 红移是指远处来的光谱线相对实验中同种原子的光谱线整体地向波长λ 增大的红端移动，波长的相对增大被定义为红移率。

新观测结果带来的困难却是无法回避的。因为如果坚持将哈勃红

移解释为宇宙膨胀速度的多普勒红移，P.C.W.Davies^【2】（戴维斯）等人从上述Webb等人的观测结果得出了光速保恒原理不成立，爱因斯坦的相对论将被推翻的结论。由此表明，作为相对论基础的光速保恒原理与作为大爆炸宇宙论基础的宇宙膨胀速度红移两者不能共存。或者说，相对论与宇宙大爆炸论两者之中总有一个是错误的。由于相对论经受的实验检验比大爆炸宇宙论充分得多，本人就曾与合作者一起用实验检验双向平均光速的各向

Δc

同性已达到了 —— ＜1×10^-18的精度^【3】。因此本人对光速保

c

恒原理的信任度远大于对宇宙膨胀速度的信任度，至少，对宇宙是否真的在膨胀，是否有过大爆炸心存怀疑。  

大爆炸宇宙论惟一的一根支柱就是将观察到的哈勃红移解释为多普勒速度红移，并由此论断宇宙正在膨胀，追溯到过去宇宙就应集中成一个点，从而得出结论：宇宙是在100多亿年前由一个质点爆炸产生出来的。

质疑宇宙膨胀和大爆炸宇宙论主要是质疑对哈勃红移的解释。若哈勃红移是有别于多普勒速度红移的其他机制引起的，则宇宙就没有膨胀速度，宇宙不膨胀也就不存在大爆炸。质疑对哈勃红移的解释主要有以下三个方面：

一是从红移理论出发，提出新的红移机制取代宇宙膨胀速度红移。自1929年红移与距离成正比的哈勃定律发现直至1948年伽莫夫（Gamow）等人建立大爆炸‘核子合成理论’解释氦丰度并预言微波背景辐射，这段时间‘宇宙膨胀说’尚未像现在这样普及。曾有人提出过‘光子衰老说’企图取代宇宙膨胀速度红移，但由于未能说明光子衰老红化的物理原因，因而难于被人们接收。后又有人在Maxwell (马克斯威尔)方程中加入一个阻尼项来解释光子红化的衰老机制，但因为未说出阻尼项修正的理由，只不过是从一个假定换到另一个假定，所以还是不被人接收。1946年爱因斯坦在《相对论的意义》^【4】第二版附彔中针对‘光子衰老说’指出：“一些企图用不同于多普勒效应的方式解释哈勃的谱线频移，无论如何，己知的物理事实不支持这样一种想法，根据这样一个假设可以用一刚性杆连接两个星S1和S2，若光沿着杆的波长数在途中随时间变化，单色光从S1发出到达S2再返回S1时的频率将不同于出发时的（由S1中的钟测量），这意味着局部测量的光速将依赖于时间，这甚至跟狭义相对论也相抵触”。爱因斯坦的批评使‘光子衰老说’从此消亡了。

二是从观测事实出发，找出宇宙膨胀不能解释的红移观测事例。这方面的红移论争从１９２９年至今持续了几十年。20世纪70年代初，Ａｒｐ等人总结了大量的宇宙膨胀不能解释的红移观测事例，并且由Field 、Arp和Bahcall三人发表了专著《红移论争》^【5】。由于遥远天体的距离很难确定，看起来在一起的天体，离我们的真实距离却可能不同。因而任何红移与距离关系的事例都有可争议的余地，如果个人信念因素介入到某一观测结果的解释之中，则对观测结果的解释永远没有定论。大爆炸宇宙论预言的微波背景辐射，在1965年被Penzias（彭斉亚斯）和Wilson (威尔逊)观测到了， Penzias和Wilson因此还获得了1978年度的诺贝尔奖，大爆炸宇宙论从此名声大振，反面的声音也就渐渐地微弱了。

三是从大爆炸宇宙论的理论依据出发，找出了宇宙膨胀论所依据的红移理论与广义相对论的矛盾。目前公认的引力红移率公式为：

υ₂－υ₁       U ₂－U ₁

 β≡ ———— ＝－ ————                    （1）

υ₁            c²

此式表明：只有发射点2与接收点1引力势（位）U之差才引起光波频率 υ 的红移，路途中的引力场决不会使光波产生引力红移。温伯格在《引力和宇宙，广义相对论的原理和应用》^【6】一书的P80中说：“若点1和点2静止在稳定引力场中，则一个波峰从点2传僠到点1的时间是一个常数，这可由〈3.2.10〉式全路径积分求出，所以相继波峰到达点1之间的时间将等于它们的离开点2之间的时间dt ₂…...”温伯格是用相继波峰到达接收点1的时间间隔dt ₂¹等于它们离开发射点2的时间间隔dt ₂来论证光波的周期（频率）在途中不会变化，是‵正证法′。爱因斯坦的前述论证是用光波若在途中频率变化会与狭义相对论相抵触的‵反证法′。两人都得出‘光在引力场中传僠时频率不能变化’的结论，本人怀疑此结论有误，主要表现在以下几方面：

（a）此结论直接跟他们各自强调的‘引力作用下单独物质的能量不守恒’的结论不相洽。因为引力场自身具有能量-动量密度，物质可与引力场交换能量-动量，从而单独物质的能量-动量守恒原理不成立。正如爱因斯坦在《相对论的意义》^【4】P83中指出的：“必须记住，除了物质的能量密度之外也应该有引力场的能量密度，使得对单独物质不能说能量和动量的守恒原理，这由数学公式〈95〉式中的第二项表明，用〈95〉式不能推出存在公式〈49〉形式的积分方程。引力场转移能量和动量到〝物质〞，它施加力的同时给它能量；这由公式〈95〉中的第二项表示。”温伯格在《引力和宇宙，广义相对论的原理和应用》^【6】P171中也指出：“不能让Θ_μk正比于单独物质的能量-动量张量T_μk，因为物质可以与引力交换能量和动量，所以T_μk不能满足公式〈7.6.27〉。我们计算时，Θ_μk项中必须包括h_μk自身……。”爱因斯坦和温伯格强调的‘引力作用下单独物质的能量不守恒’已在脉冲双星的引力辐射观测中得到了证实。光经过太阳引力场的偏折也证实了光子的确与引力场交换了动量。由于单独物质（光子）能量不守恒，光子经过太阳引力场时会与引力场交换能量，使光子的频率（能量）不能保持不变。

（b）这个结论与光的偏折和雷达回波时延的理论预言和实验观测结果不相容。根据狭义相对论，光子的能量与动量应构成四维矢量。光的偏折表明，在光子经过太阳附近的途中，四维矢量的动量分量因引力场改变了，四维矢量的能量分量也应该因引力场而改变，因此光子的频率不能保持不变。雷达回波时延是指雷达波从S1出发到达S2再反射回S1时，在此往返途中，雷达波经过太阳引力场比不经过太阳引力场花费的时间更多。若是从S1到S2排列的连续波的波长和频率在有引力场和无引力场是一样的，则两种情怳下往返花费的时间是相同的，从而不会有时延。但时延确实观测到了，因此光在引力场中传僠时的频率相对无引力场而言不能不变化。

（c）这个结论所依据的（1）式，爱因斯坦早在1911 年^【7】就已经用牛顿引力定律和光子说推导出来了。他同时还推导出了

2GM

光的偏折率公式 α ＝ ————  ，D是光线与质量M的垂直

c² D

距离。1916年爱因斯坦发表广义相对论时对1911年导出的偏

4GM   

折率公式作了更正，得出广义相对论的偏折率 α＝———— ，

c² D

是用牛顿引力定律导出的偏折率的两倍。但是爱因斯坦对1911年用牛顿引力定律推导出的式（1）直至去世都没有作过更正，至今仍然公认公式（1）。难道用广义相对论跟用牛顿引力定律会导出同一个引力红移率公式？本书将在第4章专门探讨此问题。在此先要说明的是，牛顿引力是一种超距作用力，牛顿力学中的引力场不具有动量和能量密度，仅仅是一个数学符号；牛顿引力场中的引力势U只由所在点的位置决定，两点间的引力势能之差与经历的路径无关，正因为如此，才有动能加势能之和为不变量的单独物体的能量守恒定律。1911年爱因斯坦也正是从光子的能量守恒出发推导出公式 (1) 的。牛顿的超距作用与广义相对论的场论有本质上的区别，不可能导出同一个公式，用广义相对论严格求解得出的正确的引力红移率公式确实与式（1）不同。

（d）这个结论跟量子场论相抵触：1989年本人由量子场论真空涨落的粒子-反粒子偶与质点的碰撞压力推导出了一个真空极化压力公式^【8】，跟牛顿引力定律形式相同。本人认为此真空极化压力就是引力，引力就起源于量子场论真空涨落的极化机制。并由此得出引力具有屏蔽效应，表现为非质点的牛顿引力常数

G＝G_∞（1－q），G_∞ 是质点的引力常数，q是正的修正项，称为屏蔽系数。用引力的屏蔽效应可以解释七八十年代第五种力探测热潮中出现的各种看似互相矛盾的实验结果，以及现代的和历史上各种引力异常的观测结果。此后本人进一歩根据弱-电统一理论的真空极化机制推导出了一个修正的牛顿引力定律形式的真空极化压力公式：

G m M    r     v

f＝ ——— (— ＋ — )

r ²     r     c

v是质奌m与M之间的相对运动速度，c为光速。将此公式应用到v＝c的光子，则又推导出了广义相对论的Schwarzschild（施瓦兹希尔德）度规。由此可见，量子场论对牛顿引力定律的修正，等效于广义相对论对牛顿引力定律的修正。从修正后的牛顿引力定律中包含一个依赖于速度的耗散力项可以得出：质点m在质点M产生的引力场中运动时，总是单调地减小能量而不会增加能量。相应于光子（m）在太阳（M）附近经过时，能量变化的频移是红移而不是紫移。

综上所述，‘光在引力场中传僠时频率不能变化’的结论是从超距作用的牛顿定律推导出来的，它既与基本理论（广义相对论和量子场论）相矛盾，也不符合于时延和偏折的观测事实。由此本人开始怀疑爱因斯坦和温伯格对此问题的论据可能有错：

首先，爱因斯坦的‵反证法′的理由是不可信的。因为在光波频率 υ 变化的同时，波长 λ 也会变化，两者之积的光速c＝υλ 并不会变化。爱因斯坦的论据中，由沿杆的波长数变化直接就得出频率变化所根据的正是光速不变。若光速可随频率变化，则波长就与频率没有确定的关系，波长变化时频率可以不变化，就不能由沿杆的波长数变化直接得出频率变化。由此可见，‵反证法′的理由中有个逻辑错误：以光速不变为前提，后又推导出光速会变的结论。而且刚性杆的假定也有问题，用刚性杆反驳光子衰老说尚可以，若用来否定途中引力红移则会陷入自相矛盾之中，因为连接S1和S2的杆不管用什么材料做，即使是划一条理想直线，也会随引力场而变化长度。刚性杆假定的前提条件不能成立，则其推论也不可能正确。

另外，温伯格的‵正证法′的理由也是站不住脚的。物理学大师薛定锷（E.Schrödinger）1956年在其专著《膨胀的宇宙》^【9】中说：“只要简单地想想就可得到，观察的波长必须是直接地正比于光速 (在世界时! )，即是说，正比于 √g₄₄ , 因为所有发射的脉冲都到达此接受器，并且到达过程都用了相同的世界时间，事实上必须小心，不要理解为是频率不变：对于世界时频率是没有观测意义的”。薛定锷的观奌符合广义相对论最基本的原则，一切可观测的量必须由固有时构成。在广义相对性原理中所有坐标系等效，对一个有引力场的世界时坐标系，可用另一个相对它有加速度的世界时坐标系取消其一部分引力，在这两个世界时坐标系中就有不同的观察结果，因此用世界时构成的频率是没有确定值的，从而没有观测意义。温伯格在有引力的坐标系中用世界时来论证频率不会变化是沒有观测意义的。而且温伯格的‵正证法′推导中，在光发射与接收的量子跃迁过程中用的是固有时频率，在从发射点到接收点的光传僠过程中用的是世界时频率，频率的定义这样随意改变是不符合推理逻辑的，单从这一点说其结论也是不可信的。

根据广义相对论，在引力场中存在钟慢与尺缩两个效应，钟慢使光波的频率 υ 减小，尺缩使光波的波长 λ 增大。光波的能流密度一方面会随单位时间内波振动次数（频率）的减少而减小，另一方面会随单位体积内（对单色平面波就是单位长度内）波的数目的减少（因波长增长）而减小。因此光波的能流密度的减小，是由钟慢引起频率 υ 减小和尺缩引起波长 λ 增大共同作用的结果。由光波的能流密度与光子的能量 hυ 相对应可知，光子频率 υ 减小的红化是由钟慢与尺缩两个效应共同作用的结果。严格计算可得出：钟慢引起的频率 υ 减小的红移和尺缩引起的波长 λ  增大的红移，各对光子频率的红化（由化学感光的量子跃迁过程形成的光谱记彔下来）作一半的贡献。频率减小与波长增大是同时发生的，严格的计算可得出，波长 λ 的增大率跟频率 υ 的减小率相等，两者之积 υλ 恒为一个常数，因此，红移过程光速总是保持不变的。由于钟慢和尺缩都是相对无引力时的度规而言的，光子频率的红化自然也是相对于无引力时的局部惯性系而言的，是光经过太阳附近跟不经过太阳附近相比较而言的红移或红化（一个坐标系中无所谓红移，因为没有参照系就无法测量红移）。经过的路途愈长，从恆星旁边穿过的机会愈多，累积的红移也会愈大，这与哈勃红移定律正好相符。用广义相对论途中光波的引力红移或途中光子的引力红化就可解释哈勃红移，宇宙膨胀的假设完全是多余的。因此，用爱因斯坦的广义相对论严格求解就能完全解释观测到的宇宙，自然界不存在宇宙膨胀和宇宙大爆炸，是爱因斯坦的失误导致了宇宙膨胀的假设。

本书第1章“引力的起源”深入讨论引力是如何产生的，得出引力不是一种独立的作用力，引力只是弱作用力真空极化效应的一种表现形式，它有如电磁作用的真空极化效应的Casimir（卡西米尔）力。首先从泡利 (Pauli) 不相容原理要求的在物理真空中最低能态中微子ν₀分布的均匀各向同性出发，推导出真

空极化压力公式：

G m M    r     v

f＝ ———( — ＋ — )

r ²     r     c

然后由此公式推导出广义相对论的度规方程和等效原理，并论证此弱作用力的真空极化压力就是通常意义下的引力。引力只是中微子ν₀与核子（或夸克）通过Z⁰玻色子弱作用的统计平均结果，已知的自然界四种相互作用力只有强、弱、电磁三种作用力是独立的，现有的U(1)×SU(2)×SU(3) 模型就已经实现了四种相互作用力的统一。第2章“量子引力效应”首先讨论引力作用下能量不守恒的理论预言及其实验观测检验，并找到了时间流逝一去不复返的物理根源。接着讨论引力的屏蔽效应、温度效应以及引力对速度的依赖，这些新的量子引力效应实际上已隐含在广义相对论的爱因斯坦方程之中。第3章“途中引力红移”首先讨论可观测的引力红移的正确定义，接着分别从量子场论和广义相对论推导出途中引力红移公式，再由此公式推导出统计意义的哈勃定律，并用实测的宇宙光度质量密度计算出‘途中引力红移’的哈勃常数，并与观测的哈勃常数相比较，得出哈勃红移正是途中引力红移。途中引力红移的预言与光的偏折和雷达回波时延的预言相洽。第4章“爱因斯坦的失误与宇宙膨胀”首先分析现今公认的引力红移公式为什么是牛顿近似的引力红移，再探讨爱因斯坦为何本该预言到却没有预言到途中引力红移以及雷达回波时延的原因。爱因斯坦的这个失误导致了宇宙膨胀假说的产生。第5章“途中引力红移的实验与观测检验”总结了已有的有关引力红移的实验和观测结果，通过分析证明广义相对论的严格引力红移公式已经得到了已有的实验的充分检验，是完全正确的。第6章“真实的宇宙”用量子场论和广义相对论推导出的途中引力红移公式和统计意义的哈勃定律，解释反常红移、哈勃曲线的弥散性、丢失质量、类星体之谜、光度佯僇、微波背景辐射和氦丰度等观察结果。广义相对论的光在传播途中的引力红移预言与观察结果完全一致，从而直接地得出一个和谐统一的、自然的、局域化的宇宙，不需要任何新的理论与假设，也不需要宇宙膨胀和大爆炸的猜想。

参考文献

【1】 J.K.Webb, et al., Phys.Rev.Lett. 82, 884-887（1999）；87，091301（2001）

【2】 P.C.W.Davies，et al., Nature 418，602-603（2002）

【3】 陈绍光等，北京大学学报（自然科学版）32（5），612-620（1996）；33（5），595-599（1997）；

   5514533 INSPEC Abstract Number: A9708-0330-001

5864420 INSPEC Abstract Number: A9809-4260K-001

【4】 A. Einstein, The Meaning of Relativity  second   edition 1946 , P.128 ； P.83

【5】 G.B.Field , H.Arp and J.N.Bahcall,The Redshift Controversy W.A.Benjamin, Inc. Advanced Book Program Reading, Massachusetts ,London 1973

【6】 S.Weinberg,Gravitation and  Cosmology: Principles and Applications of the General Theory of Relativity Wiley new York 1972 , P.80 ； P.171

【7】 A.Einstein，Annalen der physik Vol.4 35，898-908（1911）

【8】 Chen Shao-Guang , I L Nuovo Cimento 104 B ，611~619 (1989)

【9】E.Schrödinger，Expanding Universes Cambridge University press 1956, P.50