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專業(yè): 宇宙學(xué)

[交流] 大爆炸理論和廣義相對(duì)論的一個(gè)矛盾----時(shí)間計(jì)量

大爆炸理論和廣義相對(duì)論的一個(gè)矛盾----時(shí)間計(jì)量
愛因斯坦最初的宇宙學(xué)模型并不是大爆炸的宇宙模型，但由于愛因斯坦后來(lái)自己宣布放棄宇宙學(xué)常數(shù)，承認(rèn)宇宙大爆炸理論，所以現(xiàn)在人們一提起宇宙大爆炸理論，常常把宇宙大爆炸理論和廣義相對(duì)論聯(lián)系在一起。我在‘評(píng)宇宙大爆炸理論的數(shù)學(xué)根據(jù)’中已經(jīng)指出，宇宙大爆炸理論的建立確實(shí)是用到了廣義相對(duì)論引力方程，但宇宙大爆炸理論并不是廣義相對(duì)論引力方程的必然結(jié)論。而且宇宙大爆炸理論和廣義相對(duì)論在有關(guān)時(shí)間計(jì)量這個(gè)重要問(wèn)題上還相互矛盾。
在宇宙大爆炸理論中，對(duì)整個(gè)宇宙的演化過(guò)程有大約如下的描述：
宇宙是誕生于大約137億年前。如果把這一時(shí)刻記為t=0。則
在t=10的- 43次方秒時(shí)，大爆炸開始，
在t=10的- 35次方秒時(shí)，暴漲開始，
在t=10的- 4次方秒時(shí)，中子和質(zhì)子出現(xiàn)，
……                電離態(tài)的氫和氦元素逐步形成
在t=30萬(wàn)年時(shí)，       電離態(tài)消失，只有中性態(tài)，輻射和物質(zhì)退耦
……                宇宙繼續(xù)膨脹，輻射溫度下降
在今天                輻射溫度下降到3K，形成今天的微波背景輻射
對(duì)宇宙演化過(guò)程做這樣的描述顯然要求對(duì)‘整個(gè)宇宙’應(yīng)當(dāng)存在有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間尺度，這樣的時(shí)間概念被稱為‘宇宙時(shí)’。這個(gè)‘宇宙時(shí)’的時(shí)間計(jì)量單位如何定義？這個(gè)時(shí)間計(jì)量單位和我們現(xiàn)在地球上的時(shí)間計(jì)量單位有什么樣的定量關(guān)系？
在我們?nèi)粘Ｉ钪�，古人是利用兩次日出的間隔來(lái)定義‘一天’這個(gè)時(shí)間單位。現(xiàn)在我們有許多不同的方法來(lái)定義時(shí)間單位。目前通用的是原子時(shí)時(shí)間單位‘秒’。盧昌海先生在他的個(gè)人網(wǎng)站上有一篇文章，比較系統(tǒng)地介紹了時(shí)間計(jì)量的發(fā)展歷史及其應(yīng)用�，F(xiàn)在原子時(shí)時(shí)間單位“秒” 的定義是：銫-133 原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷所對(duì)應(yīng)的輻射的 9192631770 個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間。這兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)分別為基態(tài) 62S1/2 的外層電子自旋向上與向下的狀態(tài)。
關(guān)于宇宙時(shí)這個(gè)基本物理量的定義，在百度百科中有這樣一個(gè)定義：‘宇宙時(shí)是全宇宙都適用的統(tǒng)一時(shí)間，也稱宇宙標(biāo)準(zhǔn)時(shí)或普適時(shí)。它用演化著的宇宙本身作為時(shí)計(jì)來(lái)計(jì)量。宇宙中存在一些宇宙標(biāo)量場(chǎng)(例如微波背景輻射溫度)，處處都是單調(diào)遞減的，利用這種宇宙標(biāo)量場(chǎng)就能確定宇宙時(shí)’。
百度百科這個(gè)定義顯然很不嚴(yán)格，首先它存在一個(gè)循環(huán)邏輯問(wèn)題。為了描述宇宙演化，需要定義一個(gè)在‘整個(gè)宇宙’都適用的統(tǒng)一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，而要定義這樣一個(gè)在‘整個(gè)宇宙’都適用的統(tǒng)一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，又需要用演化著的宇宙本身作為計(jì)時(shí)的‘時(shí)計(jì)’進(jìn)行計(jì)量。其次對(duì)具體的計(jì)量時(shí)間的單位如‘秒’，沒有給出任何具體的定義。百度百科定義中提到，用微波背景輻射溫度這樣宇宙標(biāo)量場(chǎng)的單調(diào)遞減可以定義具體的時(shí)間單位，這實(shí)際上根本不可能。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，微波背景輻射是在宇宙誕生‘30萬(wàn)年’之后才開始形成，即使在微波背景輻射形成后，可以用微波背景輻射定義一個(gè)時(shí)間單位，那么在微波背景輻射形成之前，宇宙時(shí)的時(shí)間計(jì)量單位又該如何定義？
在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中，為了在膨脹的宇宙中，描述天體在宇宙空間中的運(yùn)動(dòng)所用的參考系是‘共動(dòng)坐標(biāo)系’（co-moving coordinate system）。宇宙空間中每個(gè)星系都可以作為坐標(biāo)系原點(diǎn)建立一個(gè)共動(dòng)慣性參考系，用它來(lái)描述天體的哈勃運(yùn)動(dòng)。但和各個(gè)星系相聯(lián)系的‘共動(dòng)坐標(biāo)系’之間是存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，由于存在有‘運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢’效應(yīng)，對(duì)宇宙空間中這些和不同星系相聯(lián)系的參考系，它們的時(shí)鐘應(yīng)當(dāng)有不同的時(shí)間計(jì)量單位。我們是無(wú)法確定那一個(gè)參考系中的時(shí)間單位可以作為對(duì)‘整個(gè)宇宙’都適用的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。因此在宇宙大爆炸理論中提出這個(gè)‘整個(gè)宇宙’都適用的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)概念，是和廣義相對(duì)論有關(guān)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的基本概念相互矛盾的。
另外一個(gè)矛盾是在大爆炸的不同階段，也不可能有統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)樵谟钪娲蟊ǖ牟煌A段，宇宙的物質(zhì)密度有很大變化，因此引力場(chǎng)在演化過(guò)程中也會(huì)有很大變化。而根據(jù)廣義相對(duì)論，引力強(qiáng)度的變化也會(huì)導(dǎo)致計(jì)時(shí)用的時(shí)計(jì)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化。因此在宇宙演化過(guò)程的不同階段，也不可能有統(tǒng)一的時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。
如果宇宙中存在有一個(gè)對(duì)‘整個(gè)宇宙’（包括所有空間和時(shí)間）都適用的統(tǒng)一時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)--宇宙時(shí)，我認(rèn)為這個(gè)宇宙時(shí)概念和牛頓的‘絕對(duì)時(shí)間’概念沒有什么本質(zhì)區(qū)別。只是在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中，宇宙學(xué)家人為地把所謂‘宇宙誕生’之前的時(shí)間從宇宙中抹掉，把這段時(shí)間留給上帝，讓上帝為創(chuàng)造宇宙做好準(zhǔn)備工作。
宇宙大爆炸理論創(chuàng)始人之一的勒梅特Lemaitre, Georges ( 1894.7.17 - 1966.6.20 )本人是一個(gè)宇宙學(xué)家，同時(shí)又是一個(gè)羅馬天主教的牧師。1981年在梵蒂岡由教皇科學(xué)院組織的宇宙學(xué)大會(huì)上，教皇對(duì)物理學(xué)家發(fā)出警告，要防止對(duì)宇宙是如何形成或?yàn)槭裁撮_始的問(wèn)題挖掘太深，這完全是神學(xué)家的事情。
目前似乎還沒有理論物理學(xué)家或宇宙學(xué)家愿意對(duì)宇宙時(shí)中的時(shí)間計(jì)量單位給出嚴(yán)格的定義。北京大學(xué)俞允強(qiáng)教授在他為宇宙學(xué)科研工作者而寫的‘熱大爆炸宇宙學(xué)’一書中，全面地討論了宇宙學(xué)中各種問(wèn)題，唯獨(dú)沒有對(duì)宇宙時(shí)這樣一個(gè)基本物理量加以討論。大部分學(xué)者都只是在默認(rèn)有這樣一個(gè)‘宇宙時(shí)’的時(shí)間計(jì)量單位存在的基礎(chǔ)上，對(duì)宇宙演化中各種問(wèn)題進(jìn)行討論。
盧昌海先生文章地址：
http://www.changhai.org/articles/technology/misc/clocks.php

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