Intersesting article by 王令雋

現代宇宙學的基本問題及ＤＥＴ理論
　　　　　　　　　　　　　　　　·王令雋·

http://www.utc.edu/Faculty/LingJun-Wang/

(not sure if this is the right link for the author)



　　最近從網上讀到華新民先生的文章“今年的諾貝爾獎引起的話題”，想談點我的看法。

　　華新民先生談到了文化大革命中宇宙大爆炸理論在中國被認為是偽科學，並提到了當時的“批判相對論學習班”和陳伯達的支持，也談到了四人幫垮台以後方勵之與錢學森關於宇宙學的一場爭論。華先生文章給人總的印象是當時參與批判相對論和大爆炸理論的科學工作者大都是左派禦用文人，因此他們的學術觀點是完全錯誤的。我在這兩點上都不能同意華新民先生的意見。

　　文化大革命的特定曆史和社會條件使得當時中國的各行各業都受到了政治不同程度的影響，學術界也一樣，這是非常不幸的。但不能因此全盤否定所有參與批判相對論和大爆炸理論的科學工作者和他們的學術觀點。把他們的學術觀點甚至功過是非捆綁在文化革命的曆史上，讓他們永世不得翻身，實際上同樣是對學術討論的政治幹預和政治壓迫。從純學術上講，即使陳伯達的自然學術觀點也不見得完全錯誤。

　　文化革命以後，中國的學術界有了空前的學術自由。方勵之曾被聘為中國科技大學校長。前幾年中國邀請霍金訪問，受到了異乎尋常高規格的禮遇。宇宙大爆炸理論有了充分發展的條件。事情似乎正在走向另一麵，對相對論和大爆炸理論持批評意見的人如不被看作是左派，大概也免不了被看作學術上的無知。這其實也是一種政治壓力。在中國改革開放以後，學術上追隨西方，宇宙學界尤其如此。大爆炸理論在宇宙學上的統治地位自然決定了其在中國宇宙學界的統治地位。居然出現了萬馬齊喑的局麵。

　　其實反對相對論的巨星級物理大師曆史上大有人在。洛侖茲就不接受相對論，它並且拋棄了他自己提出的速度使長度縮短的假設，即我們現在教科書中普遍采用的洛侖茲變換和洛侖茲縮短。愛因斯坦則終生沒有接受量子力學。上世紀五十年代關於相對論鍾佯謬問題有過一場劇烈的爭論。認為相對論邏輯上必然導致鍾佯謬的一派的旗手是當時任英國皇家天文學會主席的丁格爾（Ｈｅｒｂｅｒｔ　Ｄｉｎｇｌｅ）。至於對宇宙大爆炸的爭論從來就沒有停止過。目前全世界幾百個科學家聯署了一封公開信，抗議大爆炸理論家們對科研經費和學術刊物的壟斷。理論物理學界對大爆炸理論的許多前提和結論，尤其是與其相關的一些理論諸如膨脹理論，超弦理論等等，也頗多質疑。在這些批評中，經常可以看到“偽科學”，“神學”，“形而上學”，“唯心主義”等字眼。如果這些字眼出現在當今中國的報刊上，非被罵為“左派教條”，“文革餘毒”不可。

　　唯物主義和唯心主義本來隻是哲學上的兩大派別，和政治並無多大關係。唯物主義和唯心主義的爭論早在古希臘時期即已開始。偉大的哲學家如亞裏斯多德，偉大的物理學家如開普勒，哥白尼和伽利略都是唯物主義者。同樣偉大的哲學家柏拉圖和偉大的天文學家托勒密則是唯心主義者。現代國際學術界的唯物主義者和唯心主義者都以自己的主義而自豪。唯物主義者們自認是科學的捍衛者，以反對神學創造論為己任。唯心主義者自認是愛因斯坦的追隨者，以能超越客觀世界而驕傲，自信隻有他們才有抽象思維的能力理解現代物理理論的真諦而有希望成為未來的偉大發明者。希望中國學術界也能有這樣的學術氣氛，大家都可以盡情地徹底地表達自己的意見。不要一聽到“形而上學”，“唯心主義”，“唯物主義”這些字眼就以為文化革命又來了。這些詞必竟用了多少個世紀了，一時也找不到能透徹地表達同樣內涵的詞來替代，而且國際學術界今日也都在用。為了和國際接軌，不妨姑妄用之。

　　一個不可否認的事實是，唯物主義在科學從黑暗的中世紀的神學中解放出來的鬥爭中起了關鍵的作用。而隨著物理科學在十九世紀的確立，物理學研究基本上遵循著唯物主義，即任何科學理論必須能夠解釋自然現象，經受實驗和邏輯的檢驗。即使在唯心主義盛行的某些領域，理論最終逃脫不了實踐的檢驗。這是國際學術界一個不變的原則。

　　我同意華新民先生不要把諾貝爾獎看得太重的意見。不要讓榮譽和金錢左右學術討論。諾貝爾獎代表當代學術界對本年度學術成就的評價，代表當代學術潮流，但不能作為真理的定論。任何獎項的評定都不可避免的帶有不同程度的主觀和非學術性因素。諾貝爾獎也不例外。對中國學術成就的評價，也不能以是否拿了諾貝爾獎為尺度和標準。

　　二零零六年諾貝爾物理獎頒給了美國戈達德空間飛行中心（Ｇｏｄｄａｒｄ　Ｓｐａｃｅ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｃｅｎｔｅｒ）的馬塞斯（Ｊｏｈｎ　Ｍａｔｈｅｒｓ）和加利夫尼亞大學的斯穆特（Ｇｅｏｒｇｅ　Ｆ　Ｓｍｏｏｔ）。獎勵他們對宇宙本底輻射（Ｃｏｓｍｉｃ　Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ，簡稱ＣＢＲ）測量做出的貢獻。這一工作的重要性在於宇宙學界認為ＣＢＲ的測量數據為宇宙大爆炸理論提供了實驗證據。值得注意的事，同一工作為彭齊亞斯（Ａｒｎｏ　Ｐｅｎｚｉａｓ）和威爾遜（Ｒｏｂｅｒｔ　Ｗｉｌｓｏｎ）贏得了１９７８年的諾貝爾物理獎。可見ＣＢＲ研究工作的分量。

　　但是如果以為這兩個諾貝爾物理獎就意味著物理學界確認了宇宙大爆炸理論，則是完全的誤解。事實上，如果宇宙大爆炸理論是正確的，這些諾貝爾物理獎就應該頒給在宇宙大爆炸理論中做出了裏程碑性的工作的巨星，比如皮伯爾斯（Ｐ．Ｊ．Ｅ．Ｐｅｅｂｌｅｓ）或霍金（Ｓｔｅｐｈｅｎ　Ｈａｗｋｉｎｇ）。宇宙大爆炸理論的許多預言和相關結論，諸如物質守恒定律和能量守恒定律的破壞，相對論原理的破壞，光速極限原理的破壞，Ｈｉｇｇｓ粒子，重中微子，弱作用重粒子（ＷＩＭＰ），超弦，暗物質，磁單極，超光速膨脹，質子衰變，量子泡沫理論，黑洞理論，高維空間，多重宇宙，宇宙斥力，逆時間旅行，時空隧道旅行等等，就其對物理學的整個理論體係產生的衝擊來說，不僅比之ＣＢＲ實驗要重要得多，就是和以往任何一年的諾貝爾物理獎的工作相比，也像泰山比之卵石，不可同日而語。毫不誇張地說，宇宙大爆炸理論導致不下於一打革命性的理論，可能推翻半打物理學的基本原理。其中任何一條如果證明是真，其重要性遠非一兩個諾貝爾獎可以衡量。

　　物理學界和諾貝爾獎評審委員會是謹慎的，隻頒獎給ＣＢＲ實驗測量。無論宇宙大爆炸理論正確或錯誤，實驗結果總是有科學價值的。英文ｅｖｉｄｅｎｃｅ一詞，可以翻譯為“實驗證據”或者“實驗支持”，這詞和“證明”（ｐｒｏｏｆ）是完全不同的。事實上，ＣＢＲ測量實驗結果對於宇宙大爆炸理論雖然提供了某種支持，也帶來了著名的難題。下麵我們對此作一些較為詳細的討論。

　　１．宇宙本底輻射（ＣＢＲ）和大爆炸理論的關係。

　　上世紀六十年代初，狄克（Ｒｏｂｅｒｔ　Ｄｉｃｋｅ）試圖用一個封閉的振動宇宙（Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ　ｕｎｉｖｅｒｓｅ）模型來解釋宇宙中氦的組成。當時的星際合成理論（Ｓｔｅｌｌａｒ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｔｈｅｏｒｙ）已能成功地解釋重元素的組成，但不能解釋氦的組成。狄克將這一課題交給他的學生皮伯爾斯。皮伯爾斯發現問題的關鍵在於能質比（ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｔｏ　ｍａｓｓ）。如果能質比等於一千億光子比一個質子，他的爆炸模型就能給出正確的氦的組成—２５％。根據這一模型他推算出宇宙本底輻射的溫度為２０　ｏＫ。在狄克的鼓勵下，皮伯爾斯在１９６５年開始著手建立一個射電望遠鏡，以期通過實驗證實他的理論推想。這時，貝爾電話公司的彭齊亞斯和威爾遜偶然地觀察到了接近這一頻段的宇宙本底輻射。這一發現立即成為紐約時報的頭條新聞，並被認為是大爆炸曾經存在的實驗證據。彭齊亞斯和威爾遜因此贏得了１９７８年諾貝爾物理獎。

　　彭齊亞斯和威爾遜的實驗量出的宇宙本底輻射溫度為３.５　ｏＫ，比皮伯爾斯的理論值小九倍。根據熱力學的斯蒂芬—波爾茲曼定律，黑體輻射的能量和溫度的四次方成正比，所以大爆炸理論給出的宇宙能量比實驗測量的大幾千倍。狄克告訴紐約時報，他的研究組預言的宇宙本底輻射溫度為１０　ｏＫ，但這一數值在他們組發表過的任何文章中都找不到。但即使是三倍的溫度差別，也將導致約兩個數量級的能量差別。

　　許多人忽視了這一差別。皮伯爾斯本人卻深知問題的嚴重性。因為實驗量出的如此低的宇宙本底輻射溫度意味著宇宙物質密度低到無法使宇宙封閉，而封閉性正是封閉震動宇宙模型的根本。如果強行設定大的宇宙物質密度以使宇宙封閉，將這麽低的宇宙本底輻射溫度代入他的方程式將導致全部物質變為氦的荒唐結論。即是說，他的大爆炸理論不可能自洽地同時給出氦的組成和宇宙本底輻射溫度的正確數值。

　　當然，彭齊亞斯和威爾遜測量的宇宙本底輻射溫度也不見得準確。１９８９年，美國宇航局（ＮＡＳＡ）發射了一個宇宙背景探測衛星ＣＯＢＥ（Ｃｏｓｍｉｃ　Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　Ｅｘｐｌｏｒｅｒ），對宇宙本底輻射進行精確測量。該項目由戈達德空間飛行中心的馬塞斯領導。經過十幾年的係統測量和分析，馬塞斯和斯穆特於１９９２年發表了實驗結果，證實了宇宙本底輻射確為黑體輻射，各向異性不到萬份之一，溫度為２.７　ｏＫ。這一溫度比彭齊亞斯和威爾遜的結果還要低。封閉宇宙模型不得不被拋棄。好在有不同的模型可供選擇。如果選擇開放模型，並且對某些自由參量（如質量密度）作些調整，則可得出氦，氘和鋰的正確數值。這被看作是標準宇宙大爆炸理論的主要成就。當然學界對這一成就也不是完全沒有異議。

　　異議之一便是方法論問題。宇宙大爆炸理論的特征之一是太多的自由參數。我們知道，如果一個理論中自由參數的個數等於實驗數據的個數，則理論公式可以完全精確地擬合實驗數據。這種擬合當然毫無意義。一般說來，自由參數越多，可信度越低。如果自由參數比要擬合的數據還多，可信度就大成問題。對此，兩個物理學家的意見可以作為啟迪。

　　一個是原子能先驅費米（Ｅｎｒｉｃｏ　Ｆｅｒｍｉ）。他於１９５３年首次對介子—質子碰撞作了精確測量。當時康乃爾大學的物理教授戴遜（Ｆｒｅｅｍａｎ　Ｄｙｓｏｎ）提出了一個贗標量介子理論來解釋他的介子—質子碰撞數據。這一理論和實驗數據符合得非常好。戴遜於是帶著一大包理論計算結果坐上灰狗公共汽車，興衝衝地到芝加哥找費米請教。費米熱情地和他拉家常，有意不提他的理論。戴遜實在耐不住，隻好自己切入正題。費米問他：“您的計算裏用了幾個自由參數？”“四個。”“我的朋友凡紐曼曾說，用四個參數我可以將任何數據擬合成一頭大象。要是有五個參數，我可以讓它的鼻子來回擺動。”戴遜於是解散了他的研究小組而改行做固體物理。他一生感激費米給他指點迷津。

　　另一個是實驗高能物理學家裏奇特（Ｂｕｒｔｏｎ　Ｒｉｃｈｔｅｒ）。他和丁肇中同時發現了Ｊ／粒子而共享諾貝爾獎。裏奇特在《今日物理》（Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｔｏｄａｙ）雜誌２００６年十月號上發表了一篇文章“粒子物理理論：神學猜想還是實際知識”。文中他談到超對稱時說：“比如說，如果Ｈｉｇｇｓ質量平方發散，就發明超對稱讓它對數發散。這一發明的代價是帶來１２４個新的常數。我總覺得這代價太大。”

　　曆史上，實驗觀察到的輕元素豐度有過多次改變。而大爆炸理論每次都能通過調整自由參數或加入補救措施得到新的數值。議者以為這不是理論預言（ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ）的先見之明，而是事後諸葛亮的後見之明（ｈｉｎｄｓｉｇｈｔ）。

　　宇宙本底輻射幾乎完美無缺的各向同性給宇宙大爆炸理論帶來另一個嚴重困擾：完美無缺的各向同性無法解釋宇宙間的大範圍結構。如果宇宙真是由大爆炸而來，這種大範圍結構一定會反映在早期的宇宙本底輻射上而使其呈某種程度的各向異性。宇宙大爆炸理論預計的各向異性約百分之一，但觀測到的各向異性卻不到萬分之一。

　　但宇宙本底輻射測量結果給宇宙大爆炸理論帶來的最大困擾是著名的地平問題（Ｈｏｒｉｚｏｎ　Ｐｒｏｂｌｅｍ，這詞譯為地平問題過於生硬，似應譯為光波麵問題，或因果聯絡問題）。宇宙本底輻射近乎完美無缺的各向同性和黑體輻射特性證明了這一輻射是一個高度平衡的熱力係綜。這種高度平衡需要物質的多次碰撞才能實現。可是根據宇宙大爆炸理論，即使粒子以光速運動，也不可能實現這種多次碰撞。不妨考慮大爆炸後三十萬年後的去耦合期。根據大爆炸理論公式，此時的宇宙半徑約為七千萬光年。可光子從大爆炸出世最多也隻能跑三十萬光年，光程不到宇宙半徑的百分之一。遑論其他跑得慢的粒子。簡單的計算表明，如果１５０億光年外的兩個銀河係的角距離大於２ｏ，他們在去耦合期根本不可能有因果聯絡。所以宇宙本底輻射近乎完美無缺的各向同性給宇宙大爆炸理論帶來了一個根本性的困難—地平問題，或因果聯絡問題。

　　為了解決地平問題，古斯（Ａｌａｎ　Ｇｕｔｈ）在１９８０年提出了一個膨脹理論（Ｉｎｆｌａｔｉｏｎ　Ｔｈｅｏｒｙ）。根據古斯的膨脹理論，宇宙在大爆炸後約１０－３６秒到１０－３３秒經曆了一次超光速膨脹，在這短暫的一瞬間宇宙半徑膨脹了五十個數量級，地平問題似乎得到解決。至於這種超光速膨脹所需的能量和加速度，似乎不是古斯關心的事情。

　　膨脹理論的另一個成績是避免了標準宇宙大爆炸理論的另一個頭疼問題—磁單極。這使許多大爆炸理論學家喜出望外。但相當多的宇宙學家仍然持保留態度。因為膨脹理論違背了相對論的一條基本原理——光速極限原理。而廣義相對論正是所有不同版本宇宙大爆炸理論的根基。根據愛因斯坦的相對論，任何物體都不可能超光速運動。把任何質量不為零的物體加速到光速都需要無窮大的能量。把整個宇宙在不到１０－３３秒的一瞬間加速到超光速更是不可思議。再說，是什麽機製在宇宙大爆炸後的１０－３６秒突然啟動膨脹並在１０－３３秒突然停止膨脹呢？這種所謂的宇宙膨脹或宇宙相變在可觀測的物理世界中找不到任何證據，隻能看作是一種為補救地平問題而空想出來的臨時性手段（ａｄ　ｈｏｃ　ｍｅａｓｕｒｅ）。

　　總而言之，宇宙本底輻射試驗數據對宇宙大爆炸理論是憂喜摻半。而憂比喜更為本質。

　　２．宇宙大爆炸理論的其他困難

　　除了上述問題以外，宇宙大爆炸理論還有許多基本困難。這裏擇要討論幾個根本性的物理問題。

　　一）極端地違反物質守恒與能量守恒定律

　　一切創造論無法回答也無法回避的問題是世界如何從無到有，或無中生有。作為數學創造論的宇宙大爆炸理論也無法回答並無法回避宇宙中的巨大能量和物質從何而來這樣一個根本問題。年青氣盛的古斯說那是一頓巨大的免費午餐（ａ　ｂｉｇ　ｆｒｅｅ　ｌｕｎｃｈ）。霍金似乎更具學者氣質。他在上世紀八十年代提出了一個量子泡沫理論（ｑｕａｎｔｕｍ　ｆｏａｍ　ｔｈｅｏｒｙ）。他基於海森伯原理，假定真空擾動會產生量子氣泡（ｑｕａｎｔｕｍ　ｂｕｂｂｌｅ）。量子氣泡綽號又叫宇宙嬰兒（ｂａｂｙ　ｕｎｉｖｅｒｓｅ），尺寸約１０－３３厘米，比質子半徑小二十個數量級。每一個量子氣泡都會像我們的宇宙一樣會經過大爆炸而成為大宇宙，並通過時空隧道和我們的宇宙相聯。根據霍金的理論，從我們宇宙中的每一立方厘米的空間中每秒鍾要因擾動產生十的一百四十三次方（１０１４３）個宇宙嬰兒！即是說，從我們的鼻尖上或眼珠子裏每時每刻都在爆炸出無數的宇宙，當然這些宇宙大爆炸的威力和速度應該比手榴彈或原子彈大不知多少個數量級，但我們看不見，摸不著，感覺不到疼痛，不過霍金的方程式卻可以算出來。至於爆炸所需的能量，據霍金說是在大爆炸時從真空中借來的。這種借貸在宇宙嬰兒出世以後不必分期付款還債，隻要在宇宙大湮滅（Ｂｉｇ　Ｃｒｕｎｃｈ）時一次還清。對這種理論的可信性或荒謬性作出判斷，應該不需要太多的智慧。

　　退一萬步講，即使我們不從技術層麵質疑量子泡沫理論，霍金仍然沒有回答他想回答的根本問題：宇宙是如何從無到有的？作為無盡藏的Ｈｉｇｇｓ場既然蘊藏著可轉化為物質的無限能量，它就不是真空。那末，Ｈｉｇｇｓ場是在宇宙大爆炸之前就存在呢，還是在宇宙大爆炸之時才存在的？如果是前者，則宇宙大爆炸之前並不是一無所有，而是有一個內涵十分豐富的，十分能動的，其活動規律可以用方程式精確描述的Ｈｉｇｇｓ場，因此大爆炸不是時空的原點，大爆炸之前時空仍然存在；如果是後者，則我們又回到了老問題：Ｈｉｇｇｓ場是怎麽在宇宙大爆炸之時突然產生的？

　　有一則頗具哲理的幽默，說是一個無神論者問一個基督徒，上帝在創造世界之前在幹什麽？回答是：他在為提這種問題的人打造地獄。

　　如果你問宇宙大爆炸理論家們大爆炸以前是怎麽回事，回答是，那是不可知的。說是不可知，隻是說凡人不可知，大爆炸理論家們是什麽都知道的。他們確切地知道大爆炸以前質量精確地等於零。他們又知道那時（抱歉，還得借用這“時”字）時空不存在。邏輯上，似乎能量的無盡藏和Ｈｉｇｇｓ場也應該在大爆炸以前就存在吧。他們並沒有明確指示。所謂不可知，隻是大爆炸理論家們用來搪塞根本問題的遁詞。

　　二）完全違反相對性原理

　　根據哈勃定律，宇宙中的所有物體都各向同性地離開地球往外飛，似乎意味著地球是宇宙的中心。這是誰都無法接受的中世紀的地心說，是完全違反相對性原理的。但是，有的理論家辯解說，如果哈勃定律是嚴格線性的，即使地球不在宇宙的中心，對於地球上的觀察者來說，宇宙中的所有物體都會看上去好像各向同性地離開地球往外飛。因此，宇宙大爆炸理論是否會導致中世紀的地心說而違反相對性原理，取決於哈勃定律是否嚴格線性。換言之，如果哈勃定律被證明是非線性的，則宇宙大爆炸理論就不可能成立。大爆炸理論家們把這種線性爆炸宇宙模型稱為葡萄幹布丁模型（ｒａｉｓｉｎ　ｐｕｄｄｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ）或氣球模型（ｂａｌｌｏｏｎ　ｍｏｄｅｌ）。當布丁被蒸而均勻線性膨脹時，相對於任何一個葡萄幹所有別的葡萄幹都各向同性地線性地離開它往外膨脹。

　　哈勃定律的嚴格線性恰恰遭到了實驗的嚴重挑戰。美國麻省理工學院的施格爾（Ｉ．Ｅ．Ｓｅｇａｌ）和國防分析研究院的尼柯爾（Ｊ．Ｆ．Ｎｉｃｏｌｌ）在１９９２年１２月的自然科學院會報第８９期天文學上（Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ，Ｖｏｌ．８９，ｐｐ．１１６６９－１１６７２，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　１９９２，Ａｓｔｒｏｎｏｍｙ）發表了他們的實驗研究結果，證明了哈勃定律的非線性。施格爾和尼柯爾用多種統計方法對紅外線天文衛星（ＩＲＡＳ）的２０００多組數據進行了嚴格而係統地分析。結果證明宇宙紅移和距離的平方成正比，而不是和距離的一次方或三次方成正比。而此前的教科書上引用的線性哈勃定律是居於從阿貝爾目錄中篩選出的１１６組數據得到的。篩選的標準便是要符合有待證明的線性哈勃定律。

　　其實，即使哈勃定律的嚴格線性沒有遭到實驗的挑戰，也不能逃避地心說。所謂的葡萄幹布丁模型依據的是經典力學中坐標和速度的線性變換，可是宇宙大爆炸理論是建立在相對論力學上的。在相對論中速度的變換是非線性的。因此，速度的分布不可能在不同的參照係中同時各向同性。如果速度分布在地球坐標係中各向同性，在大爆炸原始奇點（Ｏｒｉｇｉｎａｌ　Ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙ）的坐標係中便不可能各向同性。反之也一樣。所以各向同性的哈勃定律勢必導致地心說。如果拋開相對論，而采用經典物理的速度變換，可不可以擺脫地心說呢？也不行。道理很簡單。比如說，我們考慮離地球一百億光年球麵上的銀河係。我們現在觀測到的這些銀河係的位置和速度是它們一百億年前的位置和速度。而那個時候地球離大爆炸的原始奇點比現在要近三分之二的距離（宇宙大爆炸理論認為宇宙的壽命為一百五十億年）。即是說，一百億年前地球並不在這一圈銀河係的中心，根據線性哈勃定律，它們的速度也應是各向異性的，而這和實驗觀測結果相勃。

　　總之，無論哈勃定律是線性還是非線性，相對於地球各向同性的宇宙速度分布都將不可避免的墜入地心說。

　　葡萄幹布丁模型或氣球模型還有一個暗藏的問題，那就是支持布丁或氣球均勻膨脹的能量從哪裏來？我們知道布丁或氣球的均勻膨脹必須依靠係統外麵的能源（火爐或打氣筒）來維持。如果沒有外在能源，現實中任何自由爆炸的係統，小到肥皂泡，大到原子彈，都不可能無限製地均勻膨脹。如此重要的一個問題，被所謂的“度規膨脹”和“時空纖維膨脹”之類的辭令悄悄掩蓋了。如果度規或時空纖維會膨脹，則被測量的時空和用以測量的工具（尺子和鍾表）應該同時按比例膨脹。試問，所謂的“度規膨脹”或“時空纖維膨脹”如何測量呢？如果一個觀察者拿著和宇宙成比例膨脹的尺子和時鍾，他是不可能測量到宇宙的膨脹的，也測不到什麽宇宙紅移。

　　三）完全違反麥克斯韋速度分布律

　　任何爆炸係統都是一個熱力係綜，宇宙大爆炸也不應例外。事實上，許多熱力學定理被運用來演繹宇宙大爆炸理論。尤其是這一理論宣稱幾近完美的宇宙黑體輻射為早期大爆炸火球的殘餘，更要求宇宙大爆炸是一個幾近完美的熱力係綜。人們期待著宇宙大爆炸理論遵守熱力學的基本定律。可是，作為熱力學的基本定律之一的麥克斯韋速度分布律卻被完全違反了。

　　什麽是麥克斯韋速度分布律呢？定性地說，就是一個熱力係綜中的粒子的速度服從一定的幾率分布。速度很大或速度很小的粒子都很少。多數粒子都具有某一中間速度。如果我們將粒子按照速度分類，每單位速度間隔中的質量叫質量密度，則可以畫出質量密度的速度分布曲線。當速度趨於零或趨於無窮大時質量密度趨於零。相對於最大質量密度的速度稱為最可幾速度。每一熱力係綜的統計平均速度取決於係綜的溫度或平均動能，但所有的速度分布曲線都服從同樣的麥克斯韋速度分布律，即兩頭小，中間高，不太對稱的近乎高斯分布的有限單峰曲線。

　　可是宇宙大爆炸理論描述的卻是完全不同的速度分布。計算並不困難。我們以大爆炸原始奇點為球心將宇宙分為任意薄的許多同心球麵。根據宇宙大爆炸理論，相鄰球麵之間的粒子速度大致相同。又根據哈勃定律，速度和球麵半徑成正比。所以單位速度間隔相應於單位半徑間隔。質量密度實際上和相隔單位厚度的兩層球麵之間的質量成正比，而這一質量又正比於兩層球麵之間體積—４ｒ２（宇宙質量均勻分布是大爆炸理論的另一基本假設）。即是說，質量密度正比於半徑的平方，也就是速度的平方。這種質量分布完全違反麥克斯韋速度分布律，在現實世界中根本找不到任何例證。

　　四）宇宙大爆炸理論的極端不穩定性——時空平坦問題

　　在宇宙大爆炸理論的諸多自由參數中，最重要的莫過於宇宙物質密度。它直接關係到宇宙未來的命運。如果宇宙物質密度太大，則引力太大，宇宙將是封閉的，最終將被引力拉回到原始奇點而消失在大湮滅（Ｂｉｇ　Ｃｒｕｎｃｈ）之中。如果宇宙物質密度太小，則引力太小，宇宙將是開放的，最終將無限發散到物質密度為零。隻有當物質密度等於一個臨界值時，宇宙才會是漸近平坦的，也就是我們生存於其中的實際宇宙。宇宙學家把物質密度和臨界物質密度的比定義為密度參數。隻有當密度參數等於一時，宇宙才會漸近平坦。計算表明，為了得到一個我們所在的漸近平坦的宇宙，在大爆炸初始，密度參數幾乎要精確地等於一，誤差不能大於十的負五十八次方。如果密度參數與一的偏差大於十的負四十次方，宇宙將在不到一秒之內就湮滅或發散。對自由參數的依賴靈敏到十的負五十八次方，說明宇宙大爆炸理論的極端不穩定性。

　　如果我們看看宇宙大爆炸理論關於宇宙的未來結局對密度參數的依賴，這種不穩定性就表露得更為徹底。密度參數從臨界值任何無窮小的偏離將意味著宇宙絕然不同的結局：或為封閉宇宙而湮滅，或為漸近平坦的現實宇宙，或為開放宇宙而發散為零。

　　大爆炸宇宙學家此時往往會說，宇宙在遙遠的過去和未來究竟如何其實沒多大關係。反正我們無法觀測。隻要現在時空漸近平坦就行。

　　可是，如果宇宙在遙遠的過去和未來到底如何並沒有關係，那宇宙學還有什麽意義呢？宇宙學的意義不正在於對於過去和未來的正確認識嗎？如果連宇宙是否會永遠存在下去還是某一天會湮滅這樣的問題都不能回答，宇宙學對未來的指導意義又在哪裏呢？

　　五）暗物質問題

　　上述平坦時空對密度參數的嚴格要求帶來了另一個嚴重問題－－暗物質問題。漸近平坦的現實時空要求宇宙物質密度正好是臨界值，約為每立方米１０－２６公斤。這一數值比實驗測量的宇宙物質密度要高出至少三十倍。比之對氦，氘和鋰的豐度計算的成功，對宇宙物質密度計算的失敗更為重要，更為致命。最頭疼的是，宇宙物質密度的理論值是被時空的平坦性牢牢鎖定的，毫無回旋餘地。

　　既然宇宙大爆炸理論和實驗觀測無法妥協，理論家們於是宣稱宇宙中９７％的物質是觀測不到的暗物質（Ｄａｒｋ　ｍａｔｔｅｒ），並大張旗鼓地推動對暗物質的探測和研究。一個嚴重的理論困難就這樣輕易地化解了，並變成了追加研究經費的理由。一個重要的理論失敗居然搖身一變為重大發現。

　　對於實驗天體物理學不太了解的人們，可能會覺得暗物質的概念再自然不過。如果宇宙深處某一物體不發光，你就看不見，當然也就測量不到了。這是極大的誤解。不發光的天體的質量也是可以測量的。隻要測量暗天體的某一發光衛星或伴星的速度和半徑，就可以根據萬有引力定律計算出它的質量。許多不發光天體的質量就是這樣測量出來的。銀河係的質量就包括不發光天體和星際物質的質量。所以宇宙大爆炸理論學家們的“暗物質”其實是指用萬有引力定律都無法測量到的物質。有人假設“暗物質”是由所謂的“弱作用重粒子”（Ｗｅａｋｌｙ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｎｇ　ｍａｓｓｉｖｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅ，簡稱ＷＩＭＰ）組成。有的假設中微子有質量，而由中微子的質量來填補理論和實驗之間的差距。弱作用重粒子和重中微子純係為了擺脫理論困難杜撰出來的毫無實驗根據的猜測。

　　宇宙大爆炸理論的基礎是引力方程。邏輯上，由這一方程推出的物質質量當然應該服從萬有引力定律。如果它不服從萬有引力定律，又怎麽能夠在保持時空平坦中起任何作用呢？所謂的弱作用重粒子的概念是邏輯上背理的。

　　有人說，宇宙大爆炸理論是巔撲不破的（ｎｏｔ　ｆａｌｓｉｆｉａｂｌｅ）理論。因為理論家們有一打自由參數可供調整來擬合某些實驗數據（比如輕元素的豐度）。如果理論和實驗相悖（比如宇宙的物質密度），則或者宣布實驗不可靠，或將理論和實驗的不符解釋為理論發現（暗物質，ＷＩＭＰ粒子，重中微子）。如果計算結果發散，則強加上下限值（ｃｕｔｏｆｆ）而使其收斂。如果理論方程式違背物理定律，便宣布某定律不適用。如果需要宇宙以超光速膨脹，便宣布光速極限原理在膨脹期不適用，愛因斯坦場方程在大爆炸初期不成立。如果四維空間不夠用，便加成十維或二十六維，爆炸以後１０－４３秒時再把高維空間關掉。如果這一切還不夠，索性宣布時空不存在。宇宙大爆炸理論家們有了對物理定律和邏輯規律生殺予奪的無限權力，他們的理論當然也就巔撲不破了。

　　可是看不見皇帝的新衣的天真的孩子仍不免要問：如果連時空都不存在，你們怎麽寫Ｈｉｇｇｓ場方程呢？負責產生真空擾動的海森伯原理又如何表述呢？不存在於時空中，卻有無窮盡能量的真空（還得借用這個“空”字）是個什麽東西呢？沒有時空，能量如何表述呢？

　　六）多重宇宙問題

　　在任何文化的任何語言中，都有一個詞，其意義是時間和空間中的一切。在中文裏，這個詞便是宇宙，英文翻譯為ｕｎｉｖｅｒｓｅ。大爆炸理論家們的重大發明之一是多重宇宙（ｍｕｌｔｉｖｅｒｓｅ）的概念。一般人從科普讀物或好萊塢科幻電影中得到的多重宇宙的概念似乎是在我們的宇宙外麵存在著許多宇宙，好像三十三重天，天外有天的意思。這又是一種錯覺和誤解。宇宙大爆炸理論認為宇宙在時間和空間上都是有限的，在這個限度以外一切都不可知，或者說時空不存在。所以這許許多多的宇宙在時空上是重疊的。

　　多重宇宙的概念產生於上世紀六十年代。當時學界已經知道愛因斯坦場方程的一個解析解－－施瓦茲查爾德解（Ｓｃｈｗａｒｚｓｃｈｉｌｄ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ），適用於靜止的球對稱引力場。施瓦茲查爾德解中有奇點存在。當半徑等於（２　Ｇ　Ｍ／ｃ２）時，施瓦茲查爾德解發散。這個特殊的半徑值叫施瓦茲查爾德半徑。為了補救這種發散，克魯斯科（Ｍ．Ｄ．Ｋｒｕｓｋａｌ）於１９６０年提出一種坐標變換，將半徑和時間坐標（ｒ，ｔ）變換成（ｕ，ｖ）坐標。在（ｕ，ｖ）坐標中，奇點消失了。問題是，克魯斯科變換不是一一對應的變換。每一個時空坐標（ｒ，ｔ）對應於兩個（ｕ，ｖ）坐標。這樣在（ｕ，ｖ）圖表中就有兩支時空曲線。生出兩個宇宙。一個宇宙有黑洞，另一個有白洞。注意這兩個宇宙的時空坐標（ｒ，ｔ）是一樣的，時空上是重疊的。即是說，當你和愛人在窗前月下共話巴山夜雨時，別的宇宙的同誌可能正和你們站在同一個窗戶邊上吵架，並且他們的身體和你們的可以重疊，可以互相穿透而毫無感覺。至於（ｕ，ｖ）坐標到底是什麽東西，物理意義如何，誰也不知道。

　　對相信靈魂和肉體同時存在的朋友，雙重宇宙的圖像似乎是個福音。但不久柯爾（Ｒ．Ｐ．Ｋｅｒｒ）找到了愛因斯坦場方程的另一個適用於旋轉的球對稱引力場的解析解，當然也包涵奇點。如果對柯爾解進行類似的坐標變換，則可以變出無窮個宇宙來。而一個肉體同時裝著無窮個靈魂的故事在任何文化的任何神怪故事中都找不到。

　　物理學的基本原理之一是相對性原理。根據這一原理，宇宙中的物理現象是客觀存在的，不以坐標係的選擇而不同。某些理論家們卻以為通過坐標係的選擇（僅僅是數學手段）便可以將發散的時空度規變成有限的時空度規，單個宇宙可以變出雙重宇宙或多重宇宙。對相對性原理的違反，莫此為甚。

　　由此可見，所謂多重宇宙問題，完全是數學家們非一一對應數學變換的產物，毫無物理意義。我們可以舉一個淺顯的例子。如果給定立方體的體積為一立方米，邊長是多少呢？隻要開立方就行。初中生的答案是一米。可是學過複數的高中生說不對，一的立方根在複平麵上有三個不同的數值。一隻是實數解，其他兩個複數解屬於兩個不同的宇宙。如果允許複數的相角不局限於０　到３６０度的主值，則可以有無窮多個解，屬於無窮多個不同的宇宙。這種理論有沒有任何物理意義呢？排除沒有物理意義的解，不正是解方程的任務的一部分嗎？

　　３．挑戰宇宙大爆炸的各種理論

　　因為上述各種困難的基本性質，涉及到是否要拋棄物理學賴以建立的根基，諸如能量和物質守恒定律，相對性原理，光速極限原理，時空的連續性，因果律等等，加上宇宙大爆炸理論本身的不自洽，過多的自由參數以及為補救困難而提出的各種假說的任意性和輕率性，許多物理學家無論如何無法接受宇宙大爆炸理論。至上世紀末，各種各樣的不同理論被提出來，試圖取代大爆炸理論。比較有代表性的有疲倦光子理論，穩態宇宙理論，反銀河係理論，時變引力理論，收縮宇宙論，等等。這些理論試圖避免宇宙大爆炸理論中的某些根本困難，但未能提供重要的理論預言，在方法論上有的重複著宇宙大爆炸理論的毛病。這些替代理論（ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ　ｔｈｅｏｒｙ）仍是學術界討論的話題，但沒有對宇宙大爆炸理論產生根本性的衝擊。

　　４．宇宙紅移的色散衰變理論（ＤＥＴ理論）

　　２００５年，我在物理文獻（Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｅｓｓａｙｓ）雜誌上發表了“宇宙紅移的色散衰減理論”（Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ　Ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　Ｒｅｄ　Ｓｈｉｆｔ，簡稱ＤＥＴ理論）一文，並在２００６年四月美國物理學會年會上報告了這一理論。ＤＥＴ理論對宇宙大爆炸理論的實驗根基—哈勃定律提出了完全不同的解釋。根據ＤＥＴ理論，宇宙紅移並不是由於恒星或銀河係的運動速度造成的多普勒效應，而是由於宇宙空間媒體（ｓｐａｃｅ　ｍｅｄｉｕｍ）對光線的色散衰減（包括吸收和散射）造成的。天體物理學界對空間媒體的色散衰減特性在實驗和理論上都有非常深入的研究，積累了大量的實驗數據。在可見光頻譜範圍內，空間媒體對光線的衰減差不多和波長成反比，在紅外和紫外頻段呈某種程度的非線性，在波長等於２１７５埃時有一個共振吸收峰。空間媒體對光線的色散衰減使恒星看上去比實際顏色要紅（ｓｔａｒ　ｒｅｄｄｅｎｉｎｇ），對地球上的觀察者的視在亮度比實際亮度小。這些現象已經被天體物理學家們研究得非常透徹，成了常識。但直到２００５年以前誰都沒有發現空間媒體的色散衰減會造成恒星譜線的紅移。究其原因，是因為在寬闊的頻譜中任何一條單獨譜線看上去都像隻有單一頻率的細線。加上哈勃定律先入為主，在物理學家腦中宇宙紅移由多普勒效應造成已成思維定勢。誰都不曾想到譜線寬度會在宇宙紅移現象中有什麽要緊。

　　事實上，任何譜線都有一定的寬度，而不是隻有單一的波長。我們知道，恒星光譜的光線是由壽命有限的波包組成的不相幹光。理論上，隻有時間從負無窮大到正無窮大的簡諧振動才有單一頻率。任何有限波包的頻譜都覆蓋從零到無窮的整個頻譜。實際上，大多數恒星光譜的譜線寬度約為幾個埃到幾十個埃。射電類星體（ｑｕａｓａｒ）的譜線寬度可以寬到約一百埃。譜線的頻率分布（或波長分布）可以用洛侖茲曲線或高斯曲線代表。

　　既然恒星光譜的譜線是有寬度的高斯分布，其在空間媒體中的傳播當然要受到色散衰減的影響。即是說，高斯曲線的藍色成分比紅色成分衰減的多些，這就造成高斯曲線的峰值向紅色方向移動，也就是譜線的紅移。恒星離我們越遠，空間媒體的厚度便越大，紅移也越大。

　　計算表明，如果恒星或銀河係裏我們不太遠，空間媒體的色散衰減造成的紅移近似地和恒星離我們的距離成正比。這就是哈勃發現的紅移和星等的近似正比關係－－哈勃定律。如果距離大，並考慮色散曲線的非線性，則紅移和距離的關係也是非線性的。

　　發人深省的是，哈勃終其一生對宇宙紅移的多普勒解釋都不滿意。可是當時多普勒效應似乎是他知道的唯一能造成紅移的物理機製。如果當時有了ＤＥＴ理論，他也許不會把宇宙紅移歸因於天體的運動，而爾後的宇宙學也許會是完全不同的麵貌。

　　ＤＥＴ理論不僅對紅移和距離的關係提供了全新的解釋，它還揭示了前所未知的豐富內容，　那就是，宇宙紅移不僅和距離有關，還和譜線的波長和譜線寬度有關。在線性近似下，宇宙紅移和譜線寬度的平方成正比，和波長的立方成反比。此外，ＤＥＴ理論還可以成功地解釋宇宙本底輻射，並可解答奧爾伯斯悖論（Ｏｌｂｅｒｓ’　ｐａｒａｄｏｘ）。

　　ＤＥＴ理論並不排除天體的局部運動，隻是排除宇宙的總體膨脹。正如我們說大海沒有膨脹，並不排除大海裏的魚和水分子的局部運動。ＤＥＴ理論依據的是天體物理確立了多年的有關空間煤體的知識，沒有強加任何違背物理定律的假設。所用的數學極為簡單，僅僅需要一點微積分和頻譜分析，一般的理工科大學生都能理解。所以ＤＥＴ理論可以讓所有從事理論和實驗的科學工作者來檢驗。在這一點上，ＤＥＴ　理論絕然不同於那些依靠繁複的數學來隱藏基本假定，是非評判囿於一個理論小圈子的理論。

　　ＤＥＴ理論並不揚言是萬能理論（ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｅｖｅｒｙｔｈｉｎｇ）。它隻是一個關於宇宙紅移的理論，和諸如輕元素豐度的計算等問題無關。但是它動搖了宇宙大爆炸理論的實驗基礎。而支持一個在空間和時間上無窮的，穩定的經典宇宙。

　　ＤＥＴ理論和大爆炸理論孰是孰非，很容易通過實驗檢驗。根據大爆炸理論，從同一個天體來的不同譜線的紅移應是一樣的。可是根據ＤＥＴ理論，同一個天體來的不同譜線的紅移卻可以因波長和譜線寬度的不同而不同。大量射電類星體（ｑｕａｓａｒ）的特點之一就是不同譜線的紅移差別很大。比如說，射電類星體Ｑｕａｓａｒ　０１４９＋３３５的三條譜線Ｍｇ＋，Ｃ３＋，和Ｈ　Ｌｙａ的紅移分別是０.８２，１.９５和２.４３。因為這些譜線屬於同一頻譜，所以絕對是從同一個天體來的，所以是對大爆炸理論的直接反證，但並不和ＤＥＴ理論衝突。

　　另一個實驗事實是宇宙紅移的非線性。這是對大爆炸理論的又一個直接反證，但並不和ＤＥＴ理論衝突。

　　ＤＥＴ理論還預言同一天體的不同譜線的紅移和譜線寬度的平方成正比，和波長的立方成反比。如果這兩個預言得到了實驗證實，則ＤＥＴ理論的正確性將不容置疑。對這兩個預言的實驗驗證應該是不太難的。我們期待實驗天體物理學界這方麵的進一步研究和檢驗。我也在尋求同行的合作。我曾希望能從已經發表的文獻中挖出實驗數據以驗證這兩個預言，可惜未能如願。大抵因為天體物理學界一直以為紅移是由天體運動造成的，不知道譜線寬度和波長會對紅移有影響，所以同一天體不同譜線的紅移都被簡單地平均了（除非能解釋為銀河係的轉動）；而譜線寬度的數據或者沒有係統地記錄，或者記錄了沒有發表。這說明了如果一個理論被先驗地認定為真理，對實驗研究會產生多麽深遠的影響。

　　５．宇宙到底有窮還是無窮

　　大爆炸理論的存在還有哲學上的原因，那就是宇宙的有限性，或時空的有限性。理論上，任何居於宇宙有窮假定的理論最終勢必導致宇宙因引力而坍塌。愛因斯坦的有限球對稱宇宙一開始便陷入了這一困境。唯一可能抵抗萬有引力而避免坍塌的力隻有因轉動產生的離心力，一如行星依靠圍繞恒心轉動的離心力維持軌道的穩定。可是愛因斯坦知道轉動不能解決困難，因為除非我們違背相對性原理，假定宇宙間存在某一絕對參照係，否則我們總可以選擇一個宇宙在其中沒有轉動的參照係來討論問題。另一個使愛因斯坦不願觸及轉動的潛在原因是和光速極限原則的衝突。即是說，愛因斯坦時空是無法轉動的。詳見拙作“Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　Ｅｉｎｓｔｅｉｎｉａｎ　Ｓｐａｃｅ”［Ｌｉｎｇ　Ｊｕｎ　Ｗａｎｇ，ＩＬ　Ｎｕｏｖｏ　Ｃｉｍｅｎｔｏ（Ｉｔａｌｉａｎ　Ｊｏｕｒｎａｌ　Ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ），Ｖｏｌ．１１５Ｂ，Ｎ．６，ｐｐ６１５－６２４，２０００.］。

　　於是，愛因斯坦提出了一個大膽假設，即宇宙中可能存在著一種萬有斥力。他在引力方程中加入了一個斥力項，又叫宇宙項。問題是這種假設的萬有斥力必須和距離成正比才能使宇宙穩定。即是說，距離越遠，這種作用越強。生活在地球上的人感覺不到附近星球的斥力，卻被遠在宇宙邊際的星球的巨大萬有斥力所控製。這無異於星象學，在科學上是背理的。愛因斯坦因而拋棄了他的宇宙項和萬有斥力假設。

　　大爆炸理論家們認為這是愛因斯坦一生犯下的最大錯誤。他們重新撿起了宇宙項，並比愛因斯坦當年走得更遠。這一宇宙項不但可以承擔穩定宇宙的艱巨任務，還可以使宇宙發散或封閉，一切唯理論家之命是從。

　　其實愛因斯坦的宇宙項萬有斥力假設是被宇宙有限的前提逼出來的。愛因斯坦的困難反證了宇宙無限哲學的合理性。一個無限的宇宙是永遠穩定的。宇宙有無極限問題是比任何所謂的宇宙學原理，諸如大範圍均勻原理，都要更為基本的原理，也是劃分不同宇宙學派最主要的特征和分水嶺。任何時間上有限的宇宙論不可避免地要歸結到創造論，因而無法回避宇宙如何從無到有的問題，無法不違背質能守恒定律。因此可以說，哲學上創造論和非創造論的分野，反映在物理學上就是違背還是遵守質能守恒定律的分野，在宇宙學上就是有窮和無窮宇宙的分野。

　　６．海森伯原理和物質守恒定律

　　前麵談到，大爆炸理論家們根據海森伯原理，假設真空擾動可以產生物質。在他們看來，海森伯原理比物質守恒定律更為基本，可以破壞物質守恒定律。

　　每一個科學工作者，無論是理論家，實驗家還是工程技術人員，都知道物質守恒定律的重要性和基本性。可以說，如果物質守恒定律被推翻，物理學以至科學的整個理論體係都要被推翻。我們知道，不但經典物理嚴格地遵守物質守恒定律，就是現代物理的兩大支柱—相對論和量子力學—的建立，也不違背物質守恒定律。物質守恒定律和能量守恒定律的正確性經過了幾個世紀不知多少實驗的檢驗，無一違反的例子。關於物質守恒定律的重要性和基本性，毋庸贅述。

　　至於海森伯原理，在薛定諤最初提出量子力學時，並不是必要的大前提，而隻是薛定諤方程的一個結果。隻是在量子場論中，海森伯原理才被賦予基本的重要性，與之相連的對易關係被用來定義玻色子和費米子。雖然我們不能根據愛因斯坦對量子力學的否定來對量子力學下定論，但毋庸諱言的是，量子力學和量子場論仍是現象邏輯性的理論（ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｌｏｇｉｃａｌ　ｔｈｅｏｒｙ）。量子力學的基本假設，尤其是物理量算符化和幾率波假設，沒有辦法用獨立的宏觀實驗來檢驗。量子場論中的二次量子化和重整化，又是兩條追加的無法獨立檢驗的基本假設。量子理論對氫原子光譜，中子反常磁矩，蘭姆移動，半導體能級的計算以及弱電統一模型使我們對這一理論有些信心，但也不能無視某些根本困難。重整化在概念上不是無懈可擊的，且並沒有完全解決發散問題。量子場論幾十年的發展史，某種意義上可以說是一個馴服無窮發散的曆史，而發散問題至今未被完全馴服。量子理論仍是一個有待進一步檢驗的發展中的現象邏輯性的理論。用這一理論中的海森伯原理來否定物質守恒定律，顯然是站不住腳的。

　　７．科學研究的一般原則和方法論問題

　　宇宙學雖然是一個很窄的領域，大爆炸理論卻代表著二十世紀理論物理研究中哲學和方法論上的極端唯心主義偏向。在這些理論家看來，方程式的對稱性和數學美比任何物理定律都更為重要，更為基本；海森伯原理比物質守恒定律和能量守恒定律更基本，可以在極端的時候破壞這些守恒定律而無中生有，創造整個甚至無窮多個宇宙。

　　這些理論家的一個共同特點是非常隨意地提出許多和物理定律相違背，違反邏輯的基本假定。從這些假定的大前提出發進行數學運算，如果結果和實驗不符，便加入新的假定，直到得出和實驗結果相符的數值。初看起來，這不正是科學遵循的以實驗檢驗理論的傳統方法嗎？其實不然。傳統科學有時也需要提出一些大膽的理論設想以推動科學前進，但這種新的科學設想的提出往往遵循基本邏輯規律並盡量尊重已為實驗驗證的物理定律。理論假設提出以後，需要通過大量相互獨立的宏觀實驗的檢驗才能建立對新理論的不同程度的信心。像物質守恒定律，能量守恒定律，電荷守恒定律，因果律，物質不可重疊性，時間不可逆轉性，空間的三維性，等等，都經過了無數獨立的宏觀實驗檢驗，從未觀察到違背的反例。隻有經過了無數獨立的宏觀實驗檢驗過的定理才可作為進一步研究的前提。大爆炸理論家們卻反其道而行之，可以為了湊出某個實驗數值而隨便塞入幾個違背物理基本定律和邏輯規則的新假定。而這些新假定有沒有經過檢驗無關緊要。這是大爆炸理論和傳統科學研究方法的一個主要區別。許多人奉行這麽一種哲學，正確的假設固然是偉大的發現，荒唐的假設則可以打知名度。一百個假設中隻要有一個是對的，就可以成大功名。人們隻記得偉大的發現，而會原諒並忘卻荒唐的假設。這種心態鼓勵人們把嚴格的科學研究變成一種荒唐比賽。語不驚人死不休。語不荒唐死不休。

　　當理論預言與實驗結果相悖時，科學的態度是一方麵檢查實驗的可靠性和精確性，一方麵檢查理論的嚴密性和大前提的合理性。理論與實驗結果明顯相悖通常是發現理論根本錯誤的極好機會。隻有在確信理論和實驗都無懈可擊的時候，才有理由猜想新的機製和現象。可是大爆炸理論家們在這種時候往往異乎尋常地武斷和輕率。當大爆炸理論預言的宇宙物質比實際測量的大幾十倍時，他們立即宣稱９７％的物質是不可測量的暗物質，並假設各種奇奇怪怪的，沒有任何實驗根據的粒子（當然也應該是不可測量的）的存在來解釋暗物質的質量。當地平問題，磁單極問題，宇宙大範圍不均勻問題等等揭示了大爆炸理論本身的不自洽時，又可以不惜違背光速極限原理和質能守恒定律提出新的膨脹理論來補救。毫不誇張地說，每當學界揭示了大爆炸理論的問題，人們不太可以指望這些理論家們對理論本身的檢討和反思，而可以期待更多的奇怪假定，奇怪粒子，奇怪邏輯，奇怪概念和奇怪理論的出現。大爆炸理論家們在違背物理定律和邏輯規則，創造不可思議的概念和理論時的輕率和武斷，不僅按照科學的標準是驚人的，就是按照神話創作的標準也是驚人的。

　　所謂檢驗，必須有一個可供比較的標準，比如說公認的定律或實驗結果。而在宇宙大爆炸理論麵前，恰恰不可能有這種比較標準。如果他們的理論和實驗結果不符，他們可以宣布這意味著偉大的發現。被否定的不是他們的理論而是實驗結果。如果他們的理論違背公認的定律，他們會說定律不適用，被否定的不是他們的理論而是公認的定律。他們可以今天否定經典物理定律，明天違反他們賴以建立宇宙方程的相對性原理和光速極限，後天又可以否定它們自己的標準模型。似乎科學上已經沒有是非可言了。無寧說，大爆炸理論就是標準，大爆炸理論家就是立法者。人們隻須每天靜候這些理論家們宣判哪些定理仍是對的，哪些今天已經過時了。就好像股票市場上可憐的股民靜候股市開張行情一樣。

　　科學上的一個常識是，我們對實踐和空間上離我們比較近的事情知道得比較詳細，清楚，精確。時間和空間上離我們越遠，知道得就越模糊。我們對抗日戰爭知道得非常清楚，對玫瑰戰爭知道的就模糊得多。對伯羅奔尼撒戰爭知道得就不甚了了。大爆炸理論卻一反常理，對現實世界知道得很少，不能解釋諸如宇宙空間大範圍不均勻結構，重元素豐度，射電類星體譜線的紅移異常等等擺在眼前的現象，卻宣稱對於遙遠的過去和未來知道得非常精確，時間可以精確到１０－４３秒，密度常數精確到小數點後麵五十八位！他們可以精確地計算出大爆炸後每一個無窮小時間中宇宙如何變化，在第一個１０－４３秒鍾宇宙嬰兒如何在十維或二十六維空間中活命，過了１０－４３秒以後又如何把其他六維或二十二位關掉；到了１０－３５　秒如何啟動全宇宙的超光速膨脹，又如何在１０－３３秒的瞬間膨脹了五十幾個數量級之後突然刹車。他們不僅對於１５０億年前的宇宙能有如此精確的計算，而且還可以精確預言宇宙什麽時候會突然湮滅，真是匪夷所思。

　　至於理論的數學表述，科學家遵循的原則是，在充分必要的條件下越簡單越好。可是大爆炸理論家們在這方麵也反其道而行之，似乎理論的正確性和數學的繁複性成正比。繁複的數學也為偷換概念，偷塞假定，掩蓋錯誤提供了極大的方便，同時又是保護理論免受批判的最好屏障。

　　８．學術批評與學術自由的關係

　　盡管大爆炸理論不可思議，許多人仍然表示不同程度的容忍與支持，原因之一，便是對學術自由的尊重與珍惜。我們寧可容忍一百個錯誤理論，也不要一不小心扼殺了一個可能是天才的思想。這動機本來是善良而偉大的。可是這裏必須澄清學術自由的意義。學術自由是指學者不應該因為學術觀點而受到宗教迫害和政治迫害，而不是禁止正常的學術批判。沒有正常的學術自由就沒有科學的健康發展；同樣，沒有正常學術批判也不會有科學的健康發展。這關係其實很容易把握：科學家不能因為他們的思想，觀點和理論而受到政治歧視和迫害，不等於任何荒唐的理論都不需要經過學術界的嚴格檢驗就可以接受為物理理論。政治上的自由和學術上的嚴謹都是保證科學健康發展的必要條件。

　　學術自由的重要性人人皆知。學術批評的重要性卻為許多朋友忽視。有的甚至擔心學術批評會扼殺學術自由。可是如果我們的教科書上充斥著大量違反自然規律的理論，而正確的理論卻被說成是錯誤的理論，整個學術界將被引入歧途，年輕的一代將被先入為主地被錯誤的理論和荒唐的概念所教育。這對科學的發展將造成災難性的影響。

　　這決不是危言聳聽。事實上，宇宙大爆炸理論最集中，最典型地說明了正常的學術批評的必要。宇宙大爆炸理論違反諸如物質守恒定律，因果律，時間不可逆性，相對性原理等物理學最根本的定律和最基本的邏輯規則，而試圖代之以諸如無中可以生有，時光可以倒轉，時空有限，時空不止四維，時空可以轉換，可以超光速通過時空隧道旅行，物理現象取決於坐標的選擇等毫無事實根據的概念和理論。年輕的物理學生被這些時髦的概念和理論教育得對經典理論毫無信心，被訓練成一切從方程式出發，輕視實驗，蔑視經典理論和邏輯的數學匠（ｎｕｍｅｒｉｃｉａｎ）。

　　對違背物理定律和邏輯的理論的放縱最終導致大爆炸理論在學術界的壟斷，幾乎窒息了這一領域的學術自由。理論物理學界對大爆炸理論持反對意見的人被邊緣化。宇宙學界的學術文章和科研經費的審定基本上由大爆炸營壘包攬。至上世紀八十年代，對大爆炸理論持反對意見的文章非常難得發表。在一個不發表文章就完蛋（ｐｕｂｌｉｓｈ　ｏｒ　ｐｅｒｉｓｈ）的社會，這種壓力使學術自由遭到極大的傷害。

　　本來就不從事理論物理的科學家們更被拒之於學術討論之外，好像不懂相對論和量子力學就沒有發言權。你沒讀過大藏經，有什麽資格斷言生死輪回和再世因緣是假的？許多朋友也服這一套，總以為自己接受不了大爆炸理論是因為自己數學修養不夠。我有時候想，如果理論家們用相對論和量子力學算出安徒生筆下的皇帝確實穿了新衣（這應該比算出一個宇宙或無窮個宇宙要容易得多），隻不過是高維空間的相對論量子衣服，隻有理論造詣足夠深的人才能看見，一定會有不少人說確實看見了皇帝的相對論量子新衣。

　　對違背科學的理論的正常學術批判的迫切性還在於保持後代健康成長的需要。宇宙大爆炸理論中的許多離奇概念雖然使科學家們感到惶惑，卻使科幻小說作家感到興奮。他們把這些離奇概念和武打功夫糅合在一起，加上電腦圖像技術的特殊效果，編織出最使兒童們著迷的科幻電影。毫不誇張地說，好萊塢攝影棚在塑造兒童思想中起了非常大的作用。我們係經常接到一些中學生的電話，詢問如何通過時空隧道超光速到達另一個宇宙，如何坐時間機器回到古羅馬的角鬥場。每次接到這種電話，我就心情激動，不能自已。為了後代，我們實在沒有權利沉默。學術自由的本意是為防萬一不幸扼殺了天才的發現，寧可容忍一百個謬論。隻要學術界堅持科學原則，容忍一些與傳統相悖的理論似乎也無關大局，有益無害。可是宇宙大爆炸理論對科學原理原則的違背已經遠遠超過並違背了這種學術自由的本意，徹底顛倒了是非，並開始用違背自然法則的哲學和世界觀來鑄造兒童的靈魂，並非有益無害了。學術界再不應該沉默，而應暢所欲言，坦率地表達自己的意見。在給年輕人介紹宇宙大爆炸理論時，不能報喜不報憂。既要介紹它的輝煌，也要介紹它的基本困難。使他們對這一理論有全麵的了解。

　　受影響的還不止小孩，也包括科學家和政府官員。美國宇航局某一實驗室的研究規劃中，有一條居然是往別的星球移民，在此名義下支持反粒子推進器的研究。我曾問實驗室主管，你們的飛船的目標速度是多少？他一指負責研究的教授說，他知道。這位教授會後告訴我說，應該可以達到光速的三分之一吧。從事航天工作的人都知道，這是多大的謊言。光速為每秒鍾三十萬公裏。而航天飛機的速度在每秒十公裏的數量級，相當於光速的三萬分之一。航天科學家們知道要讓速度增加一個數量級多麽困難。即使航天速度增加一百倍，也不過是光速的三百分之一。以這樣的速度要飛行一千三百年才能到達離太陽係最近的恒星（上帝保佑這顆恒星有一個適合人類居住的衛星）。這長達一千三百年星際航行所需要的燃料，氧氣，水，食品，醫藥，教育，文藝體育，生老病死，政治製度等等問題如何解決呢？我經常告訴我的學生們，如果你看到的不明飛行物還沒有我們的城市大，那一定不是外星人的飛船。

　　反粒子推進器隻是這類應宇宙大爆炸理論之運而生的研究項目之一。類似的還有暗物質探測，重中微子探測，質子壽命探測等等。美國和西歐經濟實力比較雄厚，有能力支持一些猜想性的試探項目。中國經濟雖然在近三十年有長足的進步，但百端待舉，基礎工業和國防建設任重道遠，科研經費並不豐裕。如果花太多的錢在不切實際的項目上，一定會影響重要科研工作的正常發展。一定要吸取美國超導超高能對撞機失敗的教訓，對費時費錢的大項目進行科學性，合理性和可行性的充分論證。

　　中國的科學研究也像經濟建設一樣，在近三十年有了飛躍，令人刮目相看。有人僅憑國際學術獎項的評比來評論中國的學術水平，未免過於功利主義。中國學術界學風嚴謹，不太會提出像宇宙大爆炸理論，超光速宇宙膨脹理論，時光隧道旅行或量子泡沫之類的理論。腳踏實地，遵守科學邏輯，正是中國學術界的長處。在思想開放，積極大膽地廣泛吸收西方學術思想的同時，保持獨立思考，去偽存真，才是中國學術界的希望。人雲亦雲，是非不明，跟著權威搖旗呐喊，趕國際時髦，以功利主義取代科學原則，把嚴肅的科學研究看作是敢於違背自然規律的荒唐比賽，是不可能在科學上成大氣候的。

　　我真誠地希望得到各位前輩和學界同仁的批評。也希望中國學術界對宇宙學能有一個自由的，坦率的，科學的討論。