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浅谈宇宙的膨胀与收缩摘要：本文认为宇宙是从收缩转化为膨胀的过程中诞生的，宇宙不是起源于“奇点”，也不是从绝对的“虚无”中创生的。宇亩演化向上发展的基本特征是膨胀占据矛盾的主导方面，从而使宇宙发生辐射温度从热到冷、物质密度从密到稀的变化，并改变着物质成分，推动宇宙从一个阶段过渡到另一个阶段。宇宙演化的基本规律是循环，它是由收缩和膨胀的相互转化造成的。关键词：宇宙 膨胀 收缩本文试图运用自然辩证法中吸引（收缩）与排斥（膨胀）这对范畴与大爆炸宇宙论的科学成果来分析宇宙的起源与演化过程，目的在于证明，在宇观物质层次上辩证法的规律也是自然界实在的发展规律。这里讲的“宇宙”是指“我们的宇宙”、“观测宇宙”，即总星系，是有限的宇宙，与哲学上讲的宇宙即无限的宇宙是不同的。一、宇宙起源于收缩转化为膨胀关于宇宙的起源，目前存在有以下几种看法:第一种观点，认为我们的宇宙起源于“原始原子”或“原始火球”。1932年，勒梅特根据观测到的红移现象提出了宇宙膨胀的思想，并在这个基础上逆推回去，进一步探索宇宙的起源问题。他认为宇宙的全部物质，最初聚集在一个很小的“原始原子”里，它的密度极大，很不稳定，因而发生了蜕变，于是物质便向四面八方散开，产生了一个至今还在膨胀的宇宙。四十年代末，伽莫夫发展了勒梅特的思想，提出宇宙起源于一个温度和密度都高的“原始火球”。那里的物质以基本粒子形态出现，在基本粒子的相互作用下，发生一次巨大的爆炸，并且向四面八方均匀地膨胀下去。第二种观点，认为宇宙起源于“奇点”。1970年，英国物理学家霍金从理论上严格证明了，在广义相对论中，“奇点”是不可避免的东西，致使许多大爆炸宇宙学的支持者认为，宇宙的起点是“奇点”，并且主张用“奇点”来描述“原始原子”或“原始火球”。所谓“奇点”，根据广义相对论是说，宇宙过去曾经有过这样的初始状态，那时候宇宙的年龄t=0，字宙的曲率半径R=0，宇宙的物质密度P=。这就是说，“奇点”是一个没有大小的几何点。t=0尚可以理解，因为“我们的宇宙”是有限的，任何有限的事物都有自己的发生和发展的历史，我们当然也可以把宇宙诞生时刻取做t=0。但是对R=0和P=的情形却是无法解释的。因为不可能出现密度为无限大的所有的物质，最初都聚集在一个几何点里。因此“奇点”问题给大爆炸宇宙学带来很大的困难，因而遭到不少人的反对。例如，宇宙学家纳里卡认为，“S=0的物理意义是什么？回答是：在宇宙时间轴上标着t=0的时候，任何两个星系的距离是零。因此整个宇宙的体积为零。事实上是说，在零时刻的一次巨大爆发（因此叫大爆炸）中，整个宇宙突然出现了。眼前星系都在退行就是这一时期激烈活动的迹象。但是，这个大爆炸是怎样发生的？为什么在这个时刻发生？在这以前又怎样？t=0以前物质存在吗？还是物质产生于这次大爆炸？如果是后者，那么物质是如何在明显违背物质和能量守恒定律的情况下产生出来？”温伯格甚至明确地指出：“宇宙从来就没有真正达到过无限大密度状态”。近年来，一些宇宙学家认为，“奇点”已经不能应用包括广义相对论在内的已知的物理规律，人们正在建立一种新的物理理论量子引力理沦，去代替经典广义相对论。第三种观点认为，宇宙是从“虚无”中创生出来的。1980年以来，美国物理学家古斯在他的爆胀宇宙模型中提出了一种大胆的主张：“膨胀模型最彻底改革的方面，也许是可观测宇宙中的所有物质和能量几乎都可能是从虚无中产生的观点。”这种观点与稳恒态宇宙论提出的宇宙中物质是从虚无中创造的不同之处在于，它是以大统一理论作为根据的。在古斯等看来，观测宇宙具有巨大的重子数和巨大的能量，如果这些重子数和能量仍然遵循守恒定律，那就不能说观测宇宙的物质和能量是从“虚无”中创生的，否则，上述观点就可以成立。古斯指出：第一，随着大统一理论的出现，重子数不守恒似乎是十分可能的，如果这个预言是正确的，那就不存在已知的守恒定律阻碍观测宇宙可以从虚无中演化出来，第二，宇宙中的能量总可以分成为引力部分和非引力部分。其中引力能可以粗略地说是负的，并且可以精确地抵消掉非引力能，使总能量为零。这就同宇宙是从虚无中演化出来是一回事了。应当看到，爆胀宇宙模型在克服大爆炸宇宙学的一些困难问题（如均匀性问题、平度问题、磁单极问题等）以及在探索宇宙起源问题方面做出了待有的贡献。但是把观测宇宙中的所有物质和能量说成是起源于绝对“虚无”的观点，是不妥当的。即使根据膨胀宇宙模型自身所阐明的理论也得不出这个结论。因为爆胀宇宙模型认为，宇宙在大爆炸之后的1043秒的瞬息中，曾经经历过一个急剧爆胀的短暂时期，这时候发生了从对称的假真空自发破缺到不对称的真真空的一级相变，就如同水冻成冰后放出潜热一样，它也将放出潜热，再一次使宇宙加热，然后再按大爆炸宇宙棋型冷却下去。在从假真空跃迁到不对称的真真空之前，宇宙中的物质是以真空能的形式存在着的，而不是空无一物，只是当一级相变发生时，真空能才被释放出来，而变成通常的基本粒子态物质。可见，观测宇宙中巨大的物质和能量是从假真空中释放出的能量转化而来的，并且这种真空本身也是一种物质状态，用古斯的话来讲，“叫做假真空的特殊物质状态”所以，宇宙创生于绝对“虚无”的观点是不正确的，如果把这种“无”理解为相对的“无”，即尚未被观测到和认知到的某种特殊的物质形式和能量形式，那么宇宙创生于“无”的观点就无可非议了。需要指出的是，虽然爆胀宇宙模型也主张宇宙是从原始火球开始的，但是并没有深入地研究过原始火球的来源问题，只是以原始火球这个起点为前提，着重阐明了在大爆炸之后头一秒钟这段时间内，观测宇宙的生成问题。由于它也主张用“点”模型去描述原始火球，因而在研究宇宙起源问题时同样摆脱不了“奇点”的困扰。大爆炸宇宙模型与爆胀宇宙模型之所以常常陷入困境，除了科学发展水平的限制外，重要原因之一是不善于分析吸引（收缩）与排斥（膨胀）的辩证关系。当我们用这对范畴去考察宇宙的起源时，就会在下述几个方面有所发现。首先，收缩和膨胀是相互联系的、互为前提的。恩格斯说：“一切运动的基本形式是接近和分离，收缩和膨胀”。对膨胀的宇宙而言，它的起源必然有一个收缩过程作为补充，也就是说，在当前，宇宙不仅要经历一个膨胀阶段，而且在过去，它也应该经历过一个收缩阶段。其次，收缩与膨胀不仅是互相联系而且是相互转化的。恩格斯说：“吸引转变成排斥和排斥转变成吸引的过程是经常发生的，可见，观测宇宙就是在收缩转化为膨胀的过程中诞生的。温伯格说得好，“宇宙现在的膨胀可能开始于从前的一次收缩的末尾。”第三，运动和物质是不可分割的，在天体物质中，与收缩和膨胀两种运动的基本形式相对应，存在着两种基本的物质状态，即超密物质状态和弥漫物质状态。不难看出，原始火球这种超密物质，就是在收缩运动转化为膨胀运动中，伴随着弥漫物质状态转化为超密物质状态的过程中产生的。这样，原始火球既是膨胀宇宙的起点，也是收缩宇宙的终点。在这里，起点与终点是辩证的统一，是可以互相转化的。既然原始火球是两种基本物质状态的转折点，那么物质从它的弥漫状态转化为超密状态的过程中，不可能收缩为一个密度为无限大的“点”，只能收缩为一个有限密度的“球”。还是温伯格说得对，“当时宇宙的密度达到了一个非常髙的，但仍然有限的密度。”从而避免了“奇点”的出现。第四，原始火球发生爆炸的内因是吸引与排斥的相互作用。在相当长的时间内，原始火球中的吸引是矛盾的主要方面，排斥是矛盾的次要方面，使宇宙收缩在一个极小的体积内。但是在超髙温、超髙密的原始火球中，吸引与排斥始终激烈地斗争着，因而使原始火球越来越不稳定，在某个时刻，当排斥（因温度和辐射而产生的向外推力）超过吸引（引力）最终失去控制时，原始火球中的物质迅速向外抛射，发展成巨大的爆炸，于是一个以收缩为主导地位的宇宙就转化为一个膨胀的宇宙。宇宙的起源是一个正在探索中的十分复杂的问题，它会碰到许多困难，其中既有自然科学也有哲学的问题。如果能够将上述辩证法的观点与现代自然科学成果（如量子化的引力理论等）紧密地结合起来，将会有新的突破。二、宇宙演化向上发展的基本特征是膨胀占据优势恩格斯曾经指出，我们的宇宙演化过程要经历着“向下和向上的分歧”。所谓向上的分枝，是指我们的宇宙经历着产生和发展的过程，所谓向下的分歧是指我们的宇宙要过渡到衰亡的阶段。而在宇宙演化向上发展过程中，膨胀自始至终占据着优势。在这时期，随着宇宙的不断膨胀，辐射温度从热到冷、物质密度从密到稀地演化，物质成分也发生变化。随着这些条件的变化，在宇宙长时期的膨胀过程中，还会经常发生局部性的质的变化，从一个阶段过渡到另一个阶段。下面我们按照大爆炸宇宙学简要地考察一下，在膨胀成为矛盾主导方面的情况下，宇宙演化各个阶段的主要特征。第一，基本粒子形成阶段，又叫宇宙的极早期阶段。在大爆炸后第一秒钟之内，宇宙便进入了基本粒子阶段，在这个阶段，主要是强子和轻子的生成和湮灭。首先，从奇点到普朗克时间，即从宇宙的零秒到10-43秒的阶段，这时候宇宙的温度极高，物质密度也极高，物质的存在形式一般说来不清楚。有人认为轻子（如介子、电子，中微子等），夸克（层子）和质子大概是这时候生成的。其次是强子生成的阶段。随着宇宙的膨胀，温度继续下降，在10-8秒时，宇宙中最活跃的是进行强相互作用的基本粒子强子，它包括介子和重子（如质子、中子、超子等）。再次是轻子起主导作用的阶段。在大爆炸发生后10-2秒时，宇宙中的温度下降到大约为1011K，物质密度下降到1011克/厘米3。这时候宇宙中物质成分以电子、中微子、介子为主，所以是轻子起主导作用阶段。这个阶段的主要特征是轻子的分解和正反粒子的湮灭，如中子衰变为质子，放出电子和中微子，电子和正电子相遇湮灭变成了光子。由于在这个过程中以上两个反映是不断进行的，因而产生了大量光子和中微子，以至当溫度降到1010K时，相对于实物粒子来讲，光子（辐射）占优势，于是宇宙的演化进入下一个阶段。第二，辐射阶段，又叫元素起源阶段。这一阶段主要是考查在爆炸后宇宙演化的时间从一秒到三分钟期间宇宙演化的情况。在大爆炸发生一秒钟时，宇宙中物质的密度降到107克/厘米3，这时候宇宙不仅在整体上膨胀占优势，而且各处都处于排斥（辐射）为主的阶段。在辐射为主阶段的后期，实物（我们把光子称为辐射，其它粒子，如质子、中子、电子等称为实物粒子）已开始发生很大的变化，当温度降到109时，这时宇宙时约为三分钟，中子开始失去自由存在的条件，开始与质子合成重氢（氘）、氦等核素，于是就形成了几种不同的化学元索。因为原子核是由核子（质子和中子）合成的，所以这个阶段又叫核合成（即形成元素）的阶段。核合成结朿时，氦的含量按质量计算约占25-30%，氘占1%，其余大部分都是氢。由于氦十分稳定，所以这些氦能够一直保留到今天。在元素核合成的辐射阶段，随着空间的不断膨胀，实物密度下降得比辐射密度慢，到了某一时刻，当实物密度占优势时，宇宙将从辐射阶段转入实物阶段。以后，宇宙变为透明的，今天所看到的背景辐射就是那时遗留下来的。第三，实物阶段。大约在大爆炸以后一万年，随着宇宙的膨胀，温度下降到约为105K，实物密度大于辐射密度，辐射（排斥）退居次要位置。辐射（排斥）减退后，宇宙间主要是气状物质，由于这种实物物质不再受辐射的影响，当发生某种非均匀扰动时，有些气体物质在吸引（引力）的作用下凝聚成气体云，气体云再进一步收缩就产生了各种各样星的体系，成为我们今天看到的宇宙。在无数恒星演化中产生了太阳、太阳系。太阳系和地球继续演化，出现了生命、万物、最后产生了人类。在这里，我们不仅看到宇宙有整体性的膨胀，而且看到，在膨胀占优势时，在一定条件（如非均匀扰动）下，局部地区的收缩也可以占主导地位。这种具有鲜明特色的收缩与膨胀的对立统一关系，是自然界辩证法的又一个生动的体现。正是遵循这个规律，才使我们的宇宙及其中一切具体事物，从原始星云到太阳系，从无机界到有机界，从原生生物到人，经历了个由简单到复杂、由低级到高级的发展过程。以上就是大爆炸宇宙学为我们描绘的宇宙演化向上发展的大致图景。这幅图景尽管还有不少推测性，但是它却得到了以下重要观测事实的有力支持：第一，河外星系的谱线红移是宇宙膨胀的观测根据，红移是怎样产生的？有许多机制都能引起谱线红移，其中只有一种机制能够比较全而地解释河外天体谱线红移的持点，这就是多普勃效应。这个效应表明，当发光的物体内远离我们的方向运动时，我们接收到的光就要发生红移，并且远离的速度越大，红移量也越大。笫二，观测发现氦丰度相当高，是宇宙大爆炸的另一个重要事实根据。我们知道已发现的天然的化学元素有110多种，它们在自然界中的含量是很不均匀的，从天体的尺度来贵，氢的丰度占70%，氦的丰度约占30%，其余元索的总和仅仅占约1%。宇宙空间为什么含冇这么多的氦？令人困惑不解。如果按普通已知的热核反应方式（即在高温高压条件下，由四个氢原子核聚变成一个氦原子核）来解释，就会出现以下两个矛盾：首先，天体上目前不可能含有这么多氦；其次，不同年龄天体上氦的含量就应当不一样。如果用大爆炸的观点加以说明，问题就容易迎刃而解。因为在宇宙的早期，温度极高，这个阶段也可以生成氦，在大约半小时内，就可以将宇宙中三分之一的物质变成氦，而氦又非常稳定，所以能够一直保留到今天。第三，宇宙微波背贤辐射的发现，是大爆炸最有力的根据。大爆炸中宇宙论认为不同时期宇宙部有一个确定的温度。根据宇宙膨胀的速度和氦的丰度等，可以计算出宇宙在各个时期的温度数值。本世纪四十年代末，阿尔费尔和赫尔曼就曾根据这个道理和盖莫夫的宇宙大爆炸起源说提出一个重耍科学预言：做为大爆炸遗迹，今天宇宙中应该存在溫度为5k的黑体背景辐射。1965年，美国的两位科学家彭齐亚斯与威尔逊果然在微波波段上探测到了具有热辐射性质的背景辐射及相应宇宙温度大约是3k。这个结果与过去的预言大致相符的，因而是大爆炸宇宙论的又一个有力的证据。三、宇宙演化的基本规律是物质的循环律恩格斯曾经指出，物质运动的循环律是自然界的基本规律，他说：“整个自然界被证明是在永恒的流动和循环中运动着”。在自然辩证法“导言”中，恩格斯在恒星（包括太阳系）的物质层次上论证了宇宙演化的永恒循环规律。现代宇宙论在宇宙（总星系）层次上也为这一规律提供了新的证据。首先，未来宇宙有两种可能衰亡的途径。我们的宇宙从爆炸开始以后，迄今已经有大约200亿年的演化历程了，宇宙未来衰亡的可能途径，将取决它属于那种宇宙模型。本世纪二十年代，弗里德曼、罗伯逊、沃克在解爱因斯坦引力场方程时，得到三个非静态解，即三种宇宙模型。第一种宇宙模型的空间曲率为负值，第二种为零，第三种为正值。笫一、二种叫开模型，对于开模型，宇宙将一直膨胀下去，其中的所有恒星和星系将因它们内部核燃料日益减少而变得越来越衰老，最后耗尽了核燃料，宇宙便变成一个黑暗世界。第三种叫闭模型，对于闭模型，宇宙膨胀到某一最大体积后，开始转化为收缩，温度也随之回升得越来越商，终于又恢复到原来的原始火球（或奇点）状态。然后在一定条件下，宇宙又一次进行爆炸，又一次膨胀。随着膨胀和收缩的无限更替，我们的宇宙不断有生有灭，再生再灭，所以人们把它称之为振荡式宇宙。我们的宇宙究竟按照哪种模型走向衰亡，天文学界还没有一致的认识。其次，在确定了宇宙未来衰亡途径的质量密度的条件之后，我们再来进一步研究宇宙演化的基本规律循环律不同的表现方式。笫一种方式，对于闭模型的宇宙而言、“宇宙的永远童复的连续更替”，即物质演化的循环律是非常明显的。因为在这种模型中，生与死，收缩与膨胀是无限转化的，因此我们的宇宙并设有什么绝对的起点，这一代宇宙起源于上一代宇宙的末日，而这个结局又为下一代宇宙开创了新的起点。不难看出，闭模型宇宙的循环具有两个特点：一、在这个循环中，基本上是一个“我们的宇宙”在不断的振荡中自我更新着；二、由于初始大爆炸具体条件不同、所以各代宇宙演化的过程就不完全相同，这就避免了形而上学的简单循环论。第二种方式，对于开模型的宇宙而言，虽然实现物质演化的循环律要困难得多，但是从理论上讲，并不是不可能的。这是因为，首先，吸引与排斥，收缩与膨胀是相互联系的，不可分割的。正像恩格斯所指明的，吸引与排斥、收缩与膨胀“这两极的分离和对立、只存在于它们的相互依存和相互联系之中，反过来说，它们的相互联系，只存在于它们的相互分离之中，它们的相互依存、只存在于它们的相互对立之中。”这样一来，宇宙中永远只有膨胀运动，而没有收缩运动的情形就不存在了。其次、吸引与排斥，收缩与膨胀又是相互抵偿、相互补充的。恩格斯又指出，一切运动都存在于吸引（收缩）和排斥（膨胀）的相互作用中，“然而运动只是在每一个吸引被另一个地方的与之相当的排斥所抵偿时，才有可能发生。否则一个方面会逐渐胜过另一个方面。于是运动最后就会停止。”因此，“运动既不能消灭也不能创造这一定律，就采取这样的表达方式：宇宙中有一个吸引运动，就一定打个与之相当的排斥运动来补充，反过来也一样。”根据这样表述的运动不灭定律，不难得到下面的推断，在此处，“我们的宇宙”在膨胀、在排斥，在别处，另外的“宇宙”在收缩、在吸引。而这个另外的“宇宙”，既可能发生在“我们的宇宙”的过去，使得目前正在膨胀的宇宙开始于从前一次收缩的末尾；又可能发生在未来，使得走向衰亡的“我们的宇宙”放射到无限太空中去的物质和能量的一部分，参与到这个另外的正在收缩的“宇宙”中去，重新转化为一个新的原始火球，并在定的条件下，发生新的爆炸、新的膨胀。如此有生有灭，再生再灭，永不停息。在自然科学中，吸引与排斥，收缩与膨胀相互抵偿、相互补充的情形，在一定裎度上也得到了证明。例如，有人认为，原始火球是由非常稀薄的气体组成的宇宙，这种极稀薄的气体出于受到它的自身范围里分布的引力场的作用。慢慢地在几十亿年时间里，因气体不断收缩而使这种宇宙变得越来越“紧凑”。当这种宇宙的物质分布变得更加紧密时，引力场就变得比以前更强