宇宙大爆炸理論全錯了嗎？

文/馬克?安德森

譯/姜德傑宋玲

漢斯約爾格?法赫爾（Hans-J?rgFahr）就是想有人出來證明他的觀點不對。作為德國伯恩大學的天體物理學教授，他冒宇宙學界之大不韙，聲稱人們普遍相信的宇宙大爆炸理論——「覆蓋天空的微波背景輻射的亮光是宇宙大爆炸（宇宙灼熱期的產物）的遙遠反射」——是錯的。宇宙學界所認為的，可以通過微波背景中的細微溫度漲落了解早期宇宙，這一觀點就也是錯誤的。普通宇宙學家似乎都在做心理測驗。

可想而知，他的觀點備受質疑。凱斯西儲大學的物理學和天文學教授格倫?斯塔克曼指出：「如果你想用另一種理論替代一種成功的理論，那麼你必須證明你的替代理論能有同樣全面的解釋能力。在這個任務中，法赫爾及其同事沒有下應該下的功夫。」然而，法赫爾的觀點立足於已在其他系統中得到了證明的物理學，而且他們也已做了一些能被檢驗的預測。儘管捍衛這一備受爭議的觀點壓力巨大，這位非傳統的理論家仍然堅持他的立場。而無論他本人是否願意承認，法赫爾已然成為一位宇宙論領域的叛逆者。

但事情並非一開始就是這樣。法赫爾說，在20世紀七八十年代，他進行宇宙物理學研究時，是完全支持傳統宇宙大爆炸模型說的。那時，他致力太陽風（太陽釋出的電子和質子流）及太陽系遠端（太陽風撞擊星際塵埃的地方）研究，在這些領域做出了重要貢獻，他將這個邊界區命名為「太陽風層頂」，這正是「旅行者」號行星際探測器正在探索的區域。2005年，法赫爾65歲，他的同事為此組織了一個研討會，主題為太陽風物理學領域的未解問題。一位在伯恩大學的同事稱他為「我們領域最聰明的人之一」。

在太陽風物理學領域取得成功的同時，法赫爾正在進行一系列有悖於傳統的探究。在20世紀90年代，他開始意識到，在宇宙微波背景的標準解釋中存在奇怪的缺漏。宇宙是塊狀的，其間有許多巨大空隙，空隙中夾雜著狹窄絲狀的星系和星系團。然而微波背景的溫度非常穩定，其變化在千分之一之內。宇宙學家們通常認為，微波背景的同質性反映了誕生於大爆炸後的宇宙的同質性。一開始，宇宙學家認為宇宙物質是均勻分布的，而現在，對宇宙的認知則告訴我們宇宙充滿空隙和絲狀物。雖然其存在還未被證實，神秘的暗物質粒子很可能在其中充當凝聚劑的作用。

沒人試圖通過紅外線觀察宇宙背景輻射，某種程度上是因為這非常困難。

法赫爾認為這僅僅是用一種未知來解釋另一種未知，其實應該有一種更簡單的解決方案。他說：「如果你真的認為有一個結構化的宇宙，那麼主流宇宙學就需要有不同的模型。你需要注意宇宙有孔結構和牆結構這一事實。孔結構的擴展不同於牆結構的擴展。所有這些使得宇宙比我們想像的要複雜得多。」

在這種思想的指導下，法赫爾開始去尋找一種現象，能順理成章地解釋宇宙何以像還未熄滅的餘燼那樣在空間中四下散發出柔和的微波光。他找到了這樣一種現象。法赫爾談到他的微波背景模型時說：「沒有不可重組的事情。我認為微波背景僅是一種宇宙本來的熵特徵。」

在宇宙微波背景釋義的辯論中，法赫爾與許多傑出的非傳統天體物理學家為伍，他們包括著名天文學家霍爾頓?阿爾普、弗雷德?霍伊爾以及諾貝爾獎獲得者漢尼斯?阿爾文。這些懷疑論者將微波背景歸因於遍布星系及其周圍太空的氣、塵和帶電粒子的發光雲。就像地球大氣層撒播陽光形成白天的藍色天空一樣，上述分子體將宇宙中的星光轉化成了柔和而黯淡的微波光。

這裡的問題是宇宙微波背景不像氣、塵以及帶電粒子那樣零碎分散，而是渾然一體。因此很難想像上述物質及等離子體怎能融入這平滑的全方向微波光中。

2009年，法赫爾在《物理年鑒》雜誌發表了一篇飽受爭議的文章。在文中，他利用自己在太陽風方面的淵博知識對上述問題做出了回答。過去50年里，穿越太陽系的空間探測器已經發現，當太陽風路過行星飛往星際空間時，其中有意想不到的熱、冷點。這是光子與光子湍性交互的結果，這種交互通常是不可能發生，但是太陽風內的帶電粒子使其成為可能。

法赫爾從2009年開始認識到太空真空與等離子體有某種遠親關係。現代物理學將此真空描述為多泡空間，裡面的虛電荷像氣泡一樣不斷生滅。這些虛粒子一般為電子和正電子。因此，法赫爾想：如果真空是一個正負電子對等離子體，那麼為什麼不能在太陽風中產生同樣的光子—光子相互作用呢？

如果真是這樣，那麼真空就成了微波背景的源泉。數十億年來流動於太空的星光光子相互作用，逐漸形成一種熱平衡並將星光熱點源轉化為全天輝光。法赫爾說，「這個過程非常緩慢，然而假如你有足夠時間，你就可見到星光發射到背景的漫射。」

我無法忍受怪人和自命不凡的傻子。當然法赫爾絕不是這種人。

法赫爾說這種效果在實驗室應該能觀測到。如果單波長激光在真空中來回彈動超過半年，它的顏色應該開始變化，有的光子的波長會變得略長，有的會變得略短。法赫爾說，「我估計，長遠來看，光子並非相互獨立的，而會相互作用並將其能量重新分配給其他能量和波長。這就像一個模擬自由空間——像光子穿越太空。」

法赫爾還提出了另一種實驗測試，稱該測試可以判定微波背景的標準解釋和替代解釋孰是孰非。傳統的宇宙學認為，微波背景輻射出現於大爆炸後大約30萬年，宇宙冷卻到透光的程度。在宇宙「複合」期前，宇宙是一個大密度不透明等離子體，光線不能透過。等離子體複合時，產生一束光，其波長呈現氫原子能級特徵。這就是研究天文學等離子體行為的人都熟知的光譜線——「賴曼線系」，但是在測量微波背景時還沒有觀測到賴曼線系的證據。

但這並不意味著這類線系不存在。經歷了137億年，任何宇宙賴曼光譜線都會發生強烈的多普勒頻移，且在紅外光譜區域最為強烈。沒有人曾試圖通過紅外線觀察宇宙背景輻射，因為這是非常困難的。銀河系在紅外狀況下比在微波背景下更嘈雜，從混雜的前景銀河雜訊中梳理出宇宙信號也更加困難。2014年的宇宙微波背景大發現在這方面引起巨大反響，大發現聲稱發現了宇宙起源時產生的引力波的證據，但最後被否定了。

如果科學家們沒能在紅外狀況下找到賴曼光譜，這就是對當代宇宙學的又一記重拳。

巴塞羅那大學的宇宙學家瓊?索拉認為法赫爾的理論很有創新性，但同時提出質疑，說：「他的數字遊戲玩得很有趣，但是不能提供一個內部一致的自圓其說的完整故事。」例如，法赫爾的真空微波背景理論中的一個論證說，該理論能夠解釋觀察到的宇宙中光子對實物粒子的比率（100 000 000∶1）。但是索拉指出，法赫爾在其計算中用的一個數字（宇宙中的氫氦之比）直接取自標準大爆炸理論，這使得他的論證本身前後矛盾。

法赫爾回應道，儘管大爆炸理論正確預測了氦氫比，但是一些新近研究發現，宇宙中的氦比大爆炸理論所預測的少得多，一些非大爆炸模型做出了更好的擬合。通過質疑早期宇宙核合成產生的成分比以及對微波背景的解釋，法赫爾攻擊了支撐標準大爆炸理論的三個證據中的兩個。其第三個證據是基於一種觀察，即銀河系離得越遠，紅移就越大，這表明我們的宇宙在擴張。在其2009年的文章中，法赫爾引用1993年的一個研究，其中論證了非擴張宇宙中的距離——紅移關係，非擴張宇宙即意味著其中沒發生過大爆炸。

索拉認為，對標準大爆炸模型隨便提出質疑很容易演變為瘋子科學。但他並不認為法赫爾是瘋子，他說：「我無法忍受怪人和自命不凡的傻子。當然法赫爾絕不是這種人……他是位真正的科學家，而且是很優秀的一位。然而，承認他是位好科學家是一回事，接受他的所有觀點是另一回事。」儘管他對法赫爾的非傳統宇宙學持懷疑態度，但是他卻認為爭論本身很有價值，「只有不斷挑戰傳統觀點，科學才能進步發展。所以，繼續挑戰絕對是件好事」。

馬克?安德森，科技記者，為《發現》《技術評論》《科學美國人》《科學》《連線》《科技縱覽》《新科學家》和《滾石雜誌》供稿。

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