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專業(yè): 宇宙學(xué)

[交流] 【交流】廣義相對論和宇宙學(xué)原理（5）---邏輯矛盾（2）

廣義相對論和宇宙學(xué)原理（5）---邏輯矛盾（2）
在宇宙學(xué)研究中應(yīng)用宇宙學(xué)原理假設(shè)也存在邏輯矛盾。根據(jù)對Seeliger佯謬的討論我們可以看到，如果宇宙學(xué)原理假設(shè)成立，宇宙中物質(zhì)是均勻分布，則在宇宙中任意一個(gè)空間點(diǎn)都不應(yīng)當(dāng)存在引力場。我們還可以換個(gè)角度來討論這個(gè)問題：如果宇宙中引力場不為0，則根據(jù)宇宙學(xué)原理，引力場至少應(yīng)當(dāng)是均勻的。因?yàn)橐鍪且粋€(gè)矢量場，如果宇宙中存在有均勻的引力場，則宇宙就不可能是各向同性。因?yàn)橐龅氖噶糠较蚓褪且粋€(gè)特殊的方向。因此如果宇宙學(xué)原理成立，宇宙中任意一個(gè)空間點(diǎn)都不應(yīng)當(dāng)存在有強(qiáng)度不為0的引力場。
在沒有引力場存在的宇宙空間中，均勻分布物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和演化應(yīng)當(dāng)如同理想氣體。因此有學(xué)者提出，可以把星系看成是這個(gè)宇宙理想氣體中的分子，以此來說明宇宙學(xué)原理的正確性。均勻分布的理想氣體的運(yùn)動(dòng)和演化主要因素應(yīng)當(dāng)是理想氣體的溫度和壓力。然而即使在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中，宇宙學(xué)家也認(rèn)為，在宇宙演化的現(xiàn)階段，宇宙中物質(zhì)主要是以非輻射的狀態(tài)存在，宇宙學(xué)方程中壓力項(xiàng)應(yīng)當(dāng)為0。
實(shí)際上宇宙中的星系是在星系團(tuán)的引力場中運(yùn)動(dòng)，不像理想氣體中的分子運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，分子運(yùn)動(dòng)的變化是由分子之間的隨機(jī)碰撞引起的，和引力場無關(guān)。而宇宙中物質(zhì)不均勻分布的成團(tuán)結(jié)構(gòu)是和宇宙空間中的引力場分布聯(lián)系在一起。和理想氣體中物質(zhì)密度起伏分布的成因完全不是一回事。因此通過把星系看成是理想氣體中的分子來說明宇宙學(xué)原理的正確性是沒有意義，也是不合理的。
要用廣義相對論引力理論研究討論宇宙中不均勻分布物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和演化，就必須拋棄不合理的‘宇宙中物質(zhì)是均勻分布’的宇宙學(xué)原理假設(shè)。代之以‘球?qū)ΨQ引力場’的假設(shè)。因?yàn)橛钪嬷形镔|(zhì)的分布存在有不同層次的成團(tuán)結(jié)構(gòu)，在這些成團(tuán)結(jié)構(gòu)中物質(zhì)的分布基本上是球?qū)ΨQ的，因此，由這樣球?qū)ΨQ分布的物質(zhì)產(chǎn)生的引力場也應(yīng)當(dāng)是球?qū)ΨQ的。由此可見俞允強(qiáng)教授‘球?qū)ΨQ引力場’的假設(shè)要比宇宙學(xué)原理的均勻分布假設(shè)更符合宇宙物質(zhì)分布的客觀實(shí)際。要用廣義相對論引力理論來研究宇宙中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和演化，必須采用俞允強(qiáng)教授的‘球?qū)ΨQ引力場’假設(shè)來代替愛因斯坦不合理的宇宙學(xué)原理假設(shè)。只有這樣才能對宇宙中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和演化得到符合客觀實(shí)際的合理結(jié)果。
在實(shí)際宇宙中，‘球?qū)ΨQ引力場’假設(shè)只適用于一個(gè)有限的區(qū)域。對宇宙中不同尺度層次的成團(tuán)結(jié)構(gòu)，存在有不同尺度的‘球?qū)ΨQ引力場’。這種情況并不能說明‘球?qū)ΨQ引力場’假設(shè)不適合宇宙學(xué)研究。正好相反，它符合廣義相對論引力理論只能用于局部有限區(qū)域的要求。俞允強(qiáng)教授的具體計(jì)算結(jié)果表明，在一般情況下，用牛頓力學(xué)進(jìn)行計(jì)算可以得到精度極高和廣義相對論一致的結(jié)果。由此可見，廣義相對論引力理論并沒有否定牛頓引力理論的正確性。牛頓力學(xué)是廣義相對論精度極高的近似，這一點(diǎn)理論物理學(xué)家李淼先生也承認(rèn)。但是在宇宙學(xué)原理假設(shè)下，無法直接從廣義相對論引力方程得到這個(gè)結(jié)論。只有在‘球?qū)ΨQ引力場’假設(shè)下，才能從廣義相對論引力方程得到這個(gè)結(jié)論。
要解決宇宙學(xué)研究中應(yīng)用廣義相對論和宇宙學(xué)原理假設(shè)的二個(gè)邏輯矛盾，必須拋棄宇宙學(xué)原理假設(shè)，承認(rèn)宇宙物質(zhì)分布的層次結(jié)構(gòu)，在各個(gè)層次宇宙結(jié)構(gòu)中，引進(jìn)不同層次的球?qū)ΨQ引力場假設(shè)。這相當(dāng)于建立不同層次和精度的近似慣性參考系。在這些不同層次的有限區(qū)域內(nèi)，既可以用廣義相對論引力理論，也可以用牛頓引力理論來討論天體的運(yùn)動(dòng)和演化。用牛頓引力理論來討論，數(shù)學(xué)計(jì)算要簡單得多。只有在個(gè)別極端情況下，如天體所處的空間點(diǎn)引力場極強(qiáng)，這時(shí)才有必要對牛頓力學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相對論改正。這樣做的結(jié)果，雖然牛頓力學(xué)理論上沒有辦法建立起絕對慣性參考系，但在實(shí)際應(yīng)用中是可以建立起不同尺度和精度的近似慣性參考系。廣義相對論雖然否認(rèn)了牛頓慣性參考系的特殊地位，認(rèn)為慣性力和引力不可區(qū)分，但實(shí)際上這樣做并沒有解決慣性系疑難問題。所謂‘死亡電梯’也只能是一個(gè)近似慣性系。對實(shí)際存在不同層次成團(tuán)結(jié)構(gòu)的宇宙，廣義相對論引力理論也必須對不同尺度的有限區(qū)域，采用不同尺度和精度的近似慣性參考系來逼近絕對慣性參考系。
所謂‘大宇宙’‘小宇宙’概念，實(shí)際上可以和宇宙的層次結(jié)構(gòu)統(tǒng)一起來。超新星爆炸可以看成是‘小宇宙’的‘大爆炸’。新的恒星不斷從星際物質(zhì)中產(chǎn)生，可以看成是‘小宇宙’的‘創(chuàng)生’。這些‘創(chuàng)生’和‘大爆炸’過程目前還在不斷發(fā)生，天文觀測也已經(jīng)被觀測到這些‘創(chuàng)生’和‘大爆炸’過程。只是我們目前似乎還沒有觀測到‘星系’級的‘大爆炸’和‘創(chuàng)生’過程。從這個(gè)‘局部區(qū)域’來看‘宇宙大爆炸’理論，其中對一些問題的討論還是合理可用的。這也符合廣義相對論只能用到一個(gè)‘有限局部區(qū)域’的限制。也不存在宇宙誕生之前是什么？宇宙邊界之外是什么這類問題。

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