第二章·大爆炸理论争议与挑战

“星系与地球距离越远，红移越大，距离越近，红移越小”。这一规律是哈勃等人对系外天体观测结果得来的，是客观存在，而宇宙膨胀以及此后的“宇宙大爆炸”理论，则是哈勃等人根据这一观测现象推论出来的，时至今日并没有得到实质性验证，也还是一个假说。

对于这一假说，也有不少人并不认同，如与哈勃同时代的一名叫做茨威基科学家。就在1929年，也就是哈勃发现哈勃定律的同一年，茨威基就对红移现象代表着宇宙膨胀这一观点提出了质疑。

茨威基等人认为，星系的红移并不是空间膨胀造成的，而是因为距离太远，星光传播的时候“疲劳”了，也就是损失了能量，在被我们接收到以后，我们就看到了星光红移，然后误以为这是多普勒—菲索效应造成的，才得出了宇宙在膨胀的结论。

这个茨威基，就是最早发现星系团中星系运动速度异常，第一个发现星系团中质量缺失的人，为暗物质问题的提出作出了贡献。

无法解释的现实

依照宇宙大爆炸理论，宇宙诞生于138亿年前的一次大爆炸。在此之前，没有宇宙、没有时间、没有空间、没有物质，甚至于没有“之前”。但随着人类科技的不断进步，我们渐渐地发现了许多宇宙大爆炸理论难以解释的现象。例如，观测发现不少比宇宙年龄还要大的恒星，这也就相当于出现了好多孩子比母亲还年长的情况，这是一件不可思议的事情。再如，宇宙中存在超大质量黑洞、巨引源、宇宙长城、超级空洞等结构，这些结构的分化，都是宇宙在短短138亿年中难以完成任务。

一、比宇宙还老的白矮星

根据恒星演化理论，质量大约在3倍以下太阳质量的恒星，在生命周期终结时，其中心会演化形成一颗白矮星。

我们知道质量越大的恒星，内部燃烧得越剧烈，死亡越快，且死亡过程越壮烈，将会形成一次“超新星”爆发。而只有小于3个太阳质量的较小恒星，才能在演化后期在不那么特别剧烈的形式中死亡，形成一颗“红巨星”。红巨星是恒星将其外层气体抛散在太空中，而核心部分则凝结形成一颗白矮星。白矮星的质量大小，正比于恒星初始质量的大小，也就是说质量稍大的恒星，会产生质量稍大的白矮星，质量稍小的恒星，会产生质量稍小的白矮星。

白矮星的表层元素组成，也和其质量相关，越重的白矮星富含越“重”的元素。0.2个太阳质量的白矮星，表层主要是氦，称为“氦白矮星”；0.5个太阳质量的白矮星，表层主要是碳和氧，称为“碳氧白矮星”；1个太阳质量的白矮星，表层则主要是氧氖镁。

恒星的寿命同样与其初始质量密切相关，像太阳现在已经出生46.7亿年了，它现在恰巧处于主序期的中点，也就是说太阳主序寿命是100亿年左右，加之主序后的红巨星阶段，太阳从出生演化到白矮星需要大概120亿年。大概60多亿年后，太阳就会演化成0.52个太阳质量的碳氧白矮星。

近些年来，人们在宇宙中发现了许多小于0.5个太阳质量的白矮星，甚至是一些非常小的氦白矮星，其典型质量0.2个太阳质量。那么，显然小于0.5个太阳质量的白矮星是比太阳质量要小的恒星形成的。太阳寿命都需要120亿年，小于太阳质量的恒星寿命动辄就得需要二、三百亿年，甚至千亿年。

问题是，按照流行的宇宙理论，宇宙年龄才138亿年，即便假设这种超小恒星诞生于宇宙最早期，那么凭它们几百亿年的寿命到现在也应该活得好好的，然而我们却恰恰观测到了它们已经死亡，成为氦白矮星了，这使得科学家们头痛不已，错误出在哪里？

比较流行的一种解释认为，这些氦白矮星诞生双星系统中，而且双星的距离非常近，正在盛年期的小恒星，外层物质被它的伴星给吸走了。也就是当一颗小恒星在恰当的位置拥有一颗恰当的伴星，当其外层物质都被伴星剥了精光，其剩下的氦核心也会因为质量过小，温度不够而停止燃烧，最终随着引力自身收缩成为一颗氦白矮星。

这看上去是一种还可以讲得通的解释，但是，这种被同伴剥光衣服的意外情况太多的话，就不正常了。

科学家观测发现，一个称为KIC8145411恒星系统中，一颗白矮星的质量大约是太阳的五分之一，属于质量极低的白矮星。这颗白矮星虽然拥有一颗伴星，但它的伴星轨道距离白矮星太远，根本无法将其外层质量夺走，这令科学家们头痛不已。我们是否意识到，还有另外一种可能性，那就是我们的宇宙理论出现了问题，宇宙年龄不是138亿年，而是更长呢！

二、超大质量黑洞

1970年，美国的“自由”号人造卫星发现了第一个黑洞。

近年来天文观测发现，宇宙中存在许多超大质量黑洞，它们是包含数亿至数十亿倍恒星质量的物体。观测还表明，几乎在每个星系中央都潜伏着一个超大质量黑洞。我们所在的银河系中央同样有一颗，这颗超大质量黑洞距离我们大约2.6万光年，就是人马座A*，大约为太阳质量的430万倍。

430万倍太阳质量，远远不是黑洞质量的上限。科学家正在不断发现质量更大的超级黑洞。例如，OJ287类星体包含着两个黑洞，较小黑洞的质量是太阳的1亿倍，环绕着较大黑洞运行着，其每次运行一个周期需要12年时间。依据小黑洞的环绕轨道周期，推算较大的黑洞的质量大概是太阳的1960亿倍。由于超大质量黑洞的普遍存在，但它们是如何变得拥有超大的质量？这个问题长久以来萦绕在全世界理论物理学家的心头。

科学家对此做出了多种猜测，其中一种猜测认为，这些怪物能变得如此之大，是因为在数十亿年间不断吞噬了周围的气体、星球和附近较小的黑洞而成长起来的。但这一观点最终被摒弃了。因为最近的研究结果显示，那些数十亿倍太阳质量的黑洞，距今130亿年前就已经存在了。如果宇宙是在138亿年前一次大爆炸形成的话，也就是至少在大爆炸发生8亿年后，这些大质量黑洞已经形成了。在短短8亿年的时间内，依靠吸聚和吞噬周围物质，成长为如此巨大的质量，就简直就是天方夜谭，因此这一观点被否定。

还有一种观点认为，138亿年前大爆炸发生以后不久，宇宙尚未充分膨胀，物质密度还很高的时候，由大质量气体云直接坍缩而成的。

这更让人匪夷所思了，宇宙好不容易从一个“奇点”爆炸开来形成了气体云，却又无缘无故地坍缩在一起，成为另外一个“奇点”，难道宇宙也无聊到玩这种游戏？关键问题还在于，如果宇宙真的诞生于一次“大爆炸”，在爆炸早期，物质相互远离的速度一定要很高，需要足够的时间，依靠万有引力将物质聚拢到一起，才能开始后期演化、成长。

除了超大质量黑洞，还有另外一种更加恐怖的超大质量天体的存在，人们称之为“巨引源”。巨引源是在20世纪70年代被隐隐察觉到的，当时天文学家在研究宇宙大爆炸的时候发现，银河系一侧的温度比另外一边稍微高一点，这也意味着银河系在不断运动中，但是具体原因却是未知的。

巨引源是在1986年被正式发现的，它存在于地球1.5亿至2.5亿光年处，位于“长蛇座”与“半人马座”方向，隐藏在宇宙深处的某个地方，根据其表现出来的引力推算，巨引源至少拥有10000个银河系质量。

巨引源究竟为何物，是超大质量裸黑洞，还是其他巨大的质量聚集，我们目前不是很清楚。宇宙有多少个巨引源，我们也还无从知晓，但它巨大引力的存在是明显可察的。

三、宇宙大尺度结构

众所周知，宇宙结构是分层次的。恒星和星云是最基本的天体。例如，我们的太阳系，就是太阳率领八大行星以及小行星带上的小行星、奥尔特云，行星的卫星等。它们总体上围绕太阳运转，太阳系的大小约120亿千米。

2000至3000亿颗类似太阳的恒星和星际物质构成更大的天体系统，也就是我们的银河系。银河系中大部分恒星和星际物质集中在一个扁圆状的空间内，从侧面看很像一个“铁饼”，正面看去则呈旋涡状。银河系的直径约10至16万光年。我们太阳位于银河系的一个旋臂支脉中，距银河系中心约2.6万光年。

银河系外还有许多类似银河系的天体，称为“河外星系”，也常简称为“星系”。现已观测到大约有10亿个，天文学家估计可观测宇宙内约有2000亿至10000亿个河外星系。

若干个星系聚集成大大小小的集团，叫星系团。平均而言，每个星系团约有百余个星系，直径达上千万光年。现已发现上万个星系团。包括银河系在内约40个星系构成的一个小星系团叫本星系团。

若干星系团集聚在一起构成更大、更高一层次的天体系统叫超星系团。超星系团往往具有扁长的外形，其长径可达数亿光年。通常超星系团内只含有几个星系团，只有少数超星系团拥有几十个星系团。我们所在的本星系群和其附近的约50个星系团构成的超星系团叫做本超星系团。

超星系团与其他星系、星系团构成丝状结构，是宇宙中目前已知的最大单体结构。一个典型的丝状结构的长度是70至150百万光年。

上述这种丝状结构相互链接，构成一种丝网状结构，也有人称这种丝状结构为“长城”结构。长城是目前所知宇宙中被观察到的最巨大物质聚集结构，其中“史隆长城”是目前所知最长的长城，距离地球约10亿光年，长达13.7亿光年，其次是“CFA2长城”。

被“长城”等这些网状结构围绕着的，是巨大的“空洞”。空洞指的是丝状结构之间的空间，空洞与丝状结构一起组成宇宙中最大尺度的结构。空洞中只包含很少或完全不包含任何星系。一个典型的空洞直径大约为11至150百万秒差距。

2007年，天文学家第一次发现了一个直径为10亿光年的宇宙超级空洞。此后，一组夏威夷的天文学家发现了另一个“超级空洞”的存在，它处于宇宙中很深远的位置，这个宇宙中的空洞区域大约有1万个银河系大小，“超级空洞”直径18亿光年，是宇宙中发现的最大单体结构，距离地球大约30亿光年。

左边是二维宇宙图·右边是三维宇宙图

从演化理论来考虑，尺度大到一定程度，应不再有结构存在，然而它却真实地发生了。超大质量黑洞、巨引源、宇宙长城、超级空洞的存在，也是对宇宙年龄为138亿年，或者说是对宇宙大爆炸理论的拷问。

其实，困扰我们正确理解宇宙运行规律的，也许根本不是超大质量黑洞、巨引源、超星系团，或者超级空洞的成因，而是加在我们身上的枷锁，那个宇宙年龄138亿年的魔咒。

四、“韦伯”提供的新证据

我们知道，光的传播速度是有限的，如果我们在距离上看得足够远，能够达到百亿光年以上，我们就能够回溯百亿年前的宇宙样貌。美国国家航空航天局(NASA)耗时20多年，投入了上百亿美元资金，建造了詹姆斯韦伯太空望远镜，于2021年12月25日发射升空，目的是更深入地调查早期宇宙状态。韦伯是迄今为止人类建造的最贵、最强大的红外波段太空望远镜，搭载了最精密、最先进的仪器设备。

根据宇宙大爆炸理论，宇宙形成于138亿年前，宇宙中的星系在宇宙形成之初，个头都非常小，形状也是不规则的，处于十分原始的状态，看起来与如今的星系天差地别。它们需经过数十亿年的兼并和演化，星系的结构才能不断发育，逐渐形成螺旋星系、椭圆星系等结构明显的星系。

但是，当韦伯望向宇宙最深处，试图窥探最初宇宙的星系时，似乎看到了不该有的东西。韦伯的观测结果显示，遥远宇宙中的星系似乎并不是各种不规则的形状，而且也没有大量发生碰撞的迹象，大部分星系似乎都有平滑的星系盘和明显的螺旋结构，正如我们现在通常所看到的星系那样。这也就是说，在134亿年前，宇宙中似乎就已经存在大量发育完全的星系，像银河系这样大小的星系不在少数。

如果宇宙形成于138亿年前，在其形成后4亿年的时间里，显然来不及形成如此多、如此大的星系。于是有部分科学家怀疑，所谓宇宙大爆炸这一事件，或许根本没有发生过。

理论缺陷

大爆炸宇宙理论虽然已经成为宇宙学说的主要流派，但这一理论仍然存在诸多缺陷与争议：

1、首先就是对大爆炸后最初的相关观测证据严重缺失。

2、哈勃定律并不适应于所有星系。1914年维斯托·斯里弗所观测的15个星系中，有11个星系的光显示红移，另外4个例外。1922~1929年埃德温·哈勃和米尔顿·哈马逊进行了更多的类似观测，得到了类似的结果。他们发现大部分星系的光都有红移，但仍有几个离银河系较近的星系不符合哈勃定律，如仙女座星系，大、小麦哲伦星系的光谱都显示蓝移。为什么会有“特例”存在？

3、为了克服大爆炸宇宙模型（又称标准模型）所面临的诸多困难问题，如奇点问题、视界问题、初始涨落问题、空间平坦度问题、重子不对称问题等。1980年由麻省理工学院的科学家阿兰·固斯等人提出了“暴涨理论”，认为早期宇宙的空间以指数级速度“暴胀”。按照固斯的理论，暴涨过程发生在宇宙大爆炸之后的10-36~10-32秒之间。在暴涨结束后，宇宙继续膨胀，但是膨胀速度则小了很多。

时间来到20世纪末，由于发现有些星系的红移值，大于理论预测值，又有人提出了“暗能量”理论，认为有某种未知的能量推动宇宙加速膨胀。

宇宙在形成之初，瞬间来了一个暴涨。暴涨理论只是用于解决宇宙物质分布在中小尺度上不均匀等问题。随后是一个平稳缓慢的膨胀期。再后来为了解决部分星系红移值偏大问题，推出来一个暗能量，用于推动宇宙加速膨胀。

这不禁让人想起历史上“地心说”统治时期，在地球人看来，水木金火土这几大行星，在天穹上存在时进时退、时大时小的现象，人类发明了“本轮—均轮”模型。这个模型着眼于解决同心球模型面临的不规则运动而假设出来的。

人们通过改变本轮和均轮的相对大小、相对速度，该合成的圆周组合可以在一定程度上解释行星的不规则运动，当行星运行到最接近地球时，即会发生逆行，且在此位置上行星看起来最明亮。

随着天文观测的进一步精确，均轮—本轮理论还是不能准确描述行星运动规律，人们如法炮制，在比较大的本轮基础上，增加另一层小的本轮，如此循环往复，最后竟然增加到了好多层。

“暴胀—平稳膨胀—加速膨胀”与“本轮—均轮”两种理论的推出很是相似，这是不是太过随心所欲，实用主义了。

4、根据大爆炸理论，宇宙中星系的退行速度与它们的距离成正比，而这个比值被称为哈勃常数。天文学家通常用哈勃常数来表征宇宙膨胀的速率。

对哈勃常数的测定主要有两种方法：一是对宇宙微波背景辐射展开观测，再结合宇宙学模型和理论推算出哈勃常数。二是通过观测遥远星系的红移来确定其退行速度，再通过观测造父变星或Ia型超新星来确定星系的距离，然后直接计算出哈勃常数。令人头疼的是，两种方法测得的哈勃常数并不一致，有着不可调和的差异。而几乎可以肯定的是，这一切似乎并非由测量误差引起，这就不得不令人怀疑现有的宇宙学模型和理论存在问题。

5、奇点哪里来，为什么会爆炸？大爆炸宇宙论认为，我们的宇宙以大爆炸为开端的，宇宙零时是从大爆炸开始的，宇宙空间是在大爆炸瞬间开辟的。此前没有时间，没有空间，没有物质，甚至没有大爆炸“之前”。

那么，又是哪里来冒出来的一个“奇点”？没有奇点就不会有大爆炸，更不会有之后的一切。没有之前，却凭空出现一个奇点大爆炸，宇宙就成了无源之水、无本之木。还有就是奇点为什么会爆炸？

6、奇点有多大？现在知道，可观测宇宙中有数以千亿个类似银河的星系，每个星系中有着数以千亿个类似我们太阳的恒星。就是说，我们的宇宙至少有超过1022颗恒星，这一数量之巨，可以与地球上沙粒的数量相比较。更何况宇宙中还有无数行星、卫星、小天体。经过科学家估算，整个可观测宇宙大约有1080个原子。

我们知道，分子、原子都有一定体积。原子核是由夸克、胶子等更加细小的基本粒子构成的。那么，夸克、胶子这些基本粒子是否必须占有体积？所谓“基本粒子”是否可以无限分割下去，无限细小下去？如果基本粒子必须占有体积，这些数量无以伦比的物质粒子统统集中到一个奇点上，奇点就不可能“无限小”。奇点有多大？是星系尺度、星球尺度，抑或是原子尺度的？

上述一系列问题成为大爆炸宇宙理论无法回避，又挠破头皮也无法回答的“难点”和“痛点”。

挑战不断

也许是为了回避烦人的奇点问题，1948年，英国天体物理学家邦迪、戈尔德和霍伊尔，提出的“稳恒态宇宙论”。

稳恒态宇宙论

他们的基本观点是：

1、宇宙在不断膨胀中，宇宙中的星系随着宇宙的膨胀不断加速远离而去。2、宇宙最边沿的天体远离速度会超过光速，我们将永远看不到它们。

3、宇宙在较大尺度上是基本稳定的，可观测宇宙中物质的数量、质量是基本恒定的。

4、物质的分布与时间无关，宇宙虚空中不断有物质产生出来，以填补膨胀所产生出来的空间。

稳恒态宇宙论需要物质和能量不守恒，这违背了质能守恒定律。

反弹宇宙学

也许同样为了解决大爆炸奇点问题，在一系列替代理论中，还有一个理论就是“反弹宇宙学”。2017年上半年，《科学美国人》杂志刊登来自普林斯顿大学和哈佛大学的科学家的文章，他们认为宇宙源自一次大反弹而非大爆炸。

反弹宇宙理论认为：

1、我们的宇宙目前处在膨胀过程之中。

2、宇宙源自于138亿年前的大反弹而非大爆炸。

3、大反弹之前的宇宙有一个收缩过程，体积越来越小，直到某一时刻，宇宙收缩到一个极小值。

4、宇宙达到极小值后发生了反弹，进入标准的热大爆炸膨胀阶段。

彭罗斯的宇宙观

2020年诺贝尔物理学奖获得者，英国著名的数学家、物理学家、宇宙学家、哲学家罗杰·彭罗斯，于2020年10月在《皇家天文学会月刊》发表了一篇名为《微波辐射中存在霍金点的明显证据》论文，阐述了他的宇宙观。彭罗斯的论文认为，我们的宇宙在一次一次地循环。确切地说，我们现在生活的这个宇宙，在大爆炸开始之前，还存在过一个宇宙，甚至存在过很多次的宇宙。彭罗斯的理论被称为“共形循环宇宙论”，简称CCC。

大爆炸宇宙理论认为，我们这个宇宙正在加速膨胀。在遥远的未来，宇宙中所有的物质都会衰变为纯能量，包括宇宙中的黑洞也会通过霍金辐射衰变、蒸发殆尽。宇宙会变得除了存在能量以外空无一物，而且各处的温度相同，这就是人们所说的“热寂”。

但彭罗斯认为，这样的死寂并不是宇宙的结局，它还有起死回生的机会，又会经历一次大爆炸，这样的大爆炸又开始诞生了一个新的宇宙。而我们现在宇宙正是来自上一个宇宙的结束后的一次爆炸。

彭罗斯在论文中重点指出，已经在微波背景辐射中找到了数个来自上一个宇宙特征证据——“霍金点”。所谓霍金点是指黑洞蒸发完以后，在宇宙微波背景中留下的印记。因为“黑洞蒸发”这一理论是由霍金提出的，也被称为霍金辐射。当黑洞完全蒸发后，会在宇宙背景辐射中留下一个与周围温度不同的斑点，所以称之为霍金点。

一个较大的黑洞，蒸发所需要的时间，比我们宇宙的年龄要漫长很多，而且霍金辐射的温度也非常低，比微波背景辐射的温度还要低，因此霍金辐射很难被观测证实。而彭罗斯在论文中指出，上一个宇宙中黑洞蒸发完留下的印记，在我们这个宇宙中还可以被观测到，这不仅可以证明霍金理论是对的，也可以证明他的循环宇宙说也是正确的。

在彭罗斯的想法中依然有大爆炸理论的印记，认为宇宙在膨胀这一点没有变，只是对宇宙的起源方式提出了不同的看法，认为它来自已经死寂的宇宙的重新爆发。

就像图中的情形，一个宇宙在大爆炸中诞生、慢慢扩张到死寂，然后再经历一次大爆炸，再诞生一个新宇宙。在这个新宇宙中会留下上一个宇宙的印记，如霍金点。而后，再经历以上的循环。

彭罗斯的理论看上去很优美，但却很有可能是错误的。首先，彭罗斯的宇宙模型也违反了“质能守恒定律”。其次，如果宇宙中曾多次发生大爆炸，上一次宇宙中一点点微弱的温度差异，是不可能留给下一个宇宙痕迹的。

一次宇宙大爆炸，极高的温度会覆盖整个宇宙苍穹。就像是一次巨大的火山爆发，火山岩浆覆盖整个大地一样。

在火山爆发之前，哪一块土地曾经有过一块冰，哪一块土地曾经被水浇灌过，这些情形还能够在火山岩浆全部覆盖后分辨出来，这是不可思议的事情。

同理，在一次宇宙大爆炸后，上一个宇宙中微弱的温度差是会被巨大的热浪所淹没，是不会留下霍金点痕迹的。

然而，他在论文中所引述的“证据”，也就是所谓的霍金点的存在，却给了我们另外的一些启示。如果霍金点真实存在，就是无言地说明，我们的宇宙寿命可能远远大于138亿年。

综上，我们可以看到，不管是热大爆炸宇宙论也好，还是稳恒态宇宙论也罢，抑或是反弹宇宙学，更或者是彭罗斯的宇宙观，这几种宇宙理论基于同样一个认知发展出来的，那就是宇宙天体都在远离我们而去，目前宇宙在膨胀中。

而宇宙膨胀这一认知，则是源自于哈勃发现的，普遍存在的星系红移现象，即“距离越远的天体红移越大，距离较近的天体红移量较小”。

通过前一章的叙述我们已经知道，有三种机制可能造成“红移”现象，它们分别是：多普勒红移、引力红移、宇宙学红移。那么，河外天体的红移，就一定代表着宇宙在膨胀，而不是其他？主观臆断，假说而已！

要想厘清系外天体红移的本源，需要从物质的起源、万有引力的形成机制以及爱因斯坦关于大质量物质导致“时空弯曲”的实质等方面进行探究。