非标准宇宙模型

在近代宇宙学的研究中，除了称为大爆炸模型的标准宇宙模型之外，

还有许多非标准模型，其中最有影响的是稳恒态宇宙模型，它由英国天文学家霍伊尔（Hoyle，Sir Fred 1915～）、美国天文学家邦迪（Bondi，Hermann 1919～）以及在奥地利出生的美国天文学家戈尔德（Gold，Thomas 1920～）提出的。在大爆炸宇宙模型提出的初期，人们曾根据哈勃常数推算宇宙的年龄，然而由于哈勃常数在测定远距离星系的视星等与红移关系时，采用了造夫变星决定距离的偏差太大，以致得到的哈勃常数太大，由此估算出的宇宙年龄只有 20 亿年，比地球的寿命还短，这给当时的大爆炸宇宙学说带来不小的困境，为了摆脱困难，稳态宇宙学说应运而生。

稳态宇宙学说认为，既然时空是统一的，宇宙物质在空间分布是均匀且各向同性的，宇宙在时间上也应是均匀不变的，这就是所谓的“完全宇宙学原理”。根据这一原理，哈勃常数应是一个不随时间变化的常数，宇宙既然不断地在膨胀，同时又要求保持宇宙物质分布上的均衡，且不随时间改变，必然要求物质在不断地产生，又随宇宙的膨胀不断脱离视界而去，从而保持宇宙物质的密度始终不变。稳态宇宙学预言的物质相对产生率为哈勃常数的 3 倍，即 3H0。虽然这是一个极微小的量，但是稳态宇宙学尚不能清楚地说明，物质在哪里、以何种方式产生，以什么形态出现，只是有人猜测，这些创生的物质在活动猛烈的星系核中产生。

稳态宇宙学提出以后，曾得到了几方面的支持，其一是大爆炸宇宙学难以解释的星系产生问题，在这里可以顺理成章地得到说明。因为只要在稳态宇宙方程中，物质的产生和宇宙的膨胀不是正好地得到补偿，就可能出现稳恒态附近的起伏解，解中恰好呈现了物质分布的局域不均匀性。其次在应用电动力学或其它场论研究粒子间相互作用时，推迟势与超前势都是方程的解，然而只有推迟势才得到了观测上的验证，通常只用因果律解释其原因，这种解释带有人为性，常不能令人满意。1945 年，惠勒和费因曼曾指出，如果计入一个加速运动的电荷与宇宙中所有其它电荷的作用，就可以证明，在推迟势与超前势中，只有推迟势在起作用。他们的这一讨论正是在稳态宇宙的基础上进行的。这似乎是在理论上对稳态宇宙学的一种间接支持。此外，在稳态宇宙学中，不出现高温、高密度的初态，避开了难以摆脱的“奇点”困扰。

像一切其它宇宙模型一样，稳态宇宙模型也有一些先天不利的因素。它引出了一个物质不断创生的假设，这是现今物理学无法解释与理解的。此外，近年来的一些观测结果也给它增加了诸多不利的因素，例如对河外射电源计数结果与它的预言数不一致。更重要的是 3K 宇宙微波背景辐射的发现表明，宇宙的早期确实呈高热状态，稳态宇宙学对 3K 的解释却是牵强和不自然的。此外，它还不能对现今宇宙中元素的形成与丰度做出解释。面对如此多的难题，这一宇宙模型不如大爆炸宇宙那样得到较多的公认。 60 年代以来，霍伊尔和纳里卡（Narlikar，J.）又发展了另一宇宙模

型，它的出发点是马赫原理。根据马赫原理，物质的惯性并非自身的属性，它是宇宙中其它物质对该物质作用的总效应，脱离其它物质，物质的惯性将失去意义。马赫原理对爱因斯坦广义相对论的建立产生了重要的影响，然而，广义相对论却并不完全符合马赫原理，因为在广义相对论中，只保留了马赫思想，却把惯性质量当作物质的内禀属性，即与其它物质无关。50 年代以来，一些物理学家一直致力于建立一个符合马赫原理的引力理论，并由此建立相应的宇宙模型。

1964 年，霍伊尔和纳里卡根据马赫原理提出了一个引力理论和宇宙模型，这一模型给远距离星系谱线红移一种完全不同的解释。该理论认为，物质间作用的传递速度有限，对某一粒子产生影响的又是宇宙间的总物质，而这些物质与受作用粒子间的距离应小于光速与宇宙年龄的乘积。随着时间的推移，作用距离将越来越大，能影响该粒子的物质也越来越多，一个“老年的”粒子与一个“年轻的”粒子相比，质量前者大，后者小，因此年轻粒子辐射波长较长，而所接收到发自遥远星系的辐射光，是很早以前，当时“年轻粒子”发射出来的，波长比现今同一原子辐射的波长就要长些，这就产生了红移现象。

这一模型对所观测到的宇宙膨胀也给出了一个极有趣的解释。它认为，原子的大小与组成原子粒子的总质量有关。质量增大，原子的相对体积变小。在宇宙中，所有物体也将会随组成原子变小而变小，正是因为物体在变小，才会观测到宇宙在膨胀。

虽然这一模型也摆脱了奇点的困难，却又招来了一个无限大的难题。因为随着时间趋于无限，宇宙中任何一个粒子质量也会趋于无限。1971 年，霍伊尔企图用一个正负质量区设想，来摆脱无限大困境。他设想，整个时空中，存在有不同的区域。在各个区域中，物质分别呈正或负质量状态。他还假定，这些区域远大于目前所观测的宇宙，因而不可能在观测正质量时，又有负质量出现。物质从负质量区进入正质量区时，必然经过零质量的边界，因而避开了无限大问题。1975 年，霍伊尔利用这一模型解释3K 背景辐射时，他证明，当粒子质量趋于零时，将对电磁辐射完全散射，所散射的电磁辐射不仅各向同性，而且具有黑体辐射谱。

尽管霍伊尔-纳里卡宇宙模型解释了某些观测宇宙学得到的现象，如宇宙膨胀、红移、背景辐射等，但是它既没有像大爆炸宇宙模型那样，做出任何决定性的预言以提供实验验证，又没能对所提供的解释，如正负质量做出任何机制上的说明，尽管有人提出它们与白洞、黑洞有关，那也只是用一种未知取代另一种未知而已。因此，这个模型不仅有待观测上的验证，更有待理论上的深化。

针对膨胀的宇宙，还有一种称为正反物质的宇宙模型，它出自于瑞典物理学家克莱因（Klein，O.）。克莱因认为，大爆炸宇宙学所要求的正反粒子对称性上的微小不对称，与粒子物理学正、反粒子的对称性相矛盾。克莱因假设，宇宙初期，正反物质是完全对称与等量的，它由稀薄的气云和等离子体组成。在引力作用下，气云收缩，密度增高，正反粒子越来越容易发生碰撞、湮灭并产生电磁辐射。当密度高到一定时，湮灭产生的辐射压超过引力作用，使宇宙转而膨胀，形成现今的宇宙。为了解释现今宇宙完全由正物质组成，克莱因假设，宇宙初期存在有电磁场，由于引力和电磁作用，等离子体中正反物质分开，并分别聚集形成由正、负物质为主组成的物质团，由正负物质湮灭产生巨大的辐射压，维持两种物质在交界两侧分开，当今宇宙恰好处于以正物质为主的宇宙区域之中。

正反物质宇宙学在理论上尚未形成系统而完整的体系，在观测上也未得到进一步的证实。它未能对 3K 背景辐射做出解释，在原始宇宙线中，既未找到理论所说的反物质粒子，也未发现正反粒子湮灭产生的大量γ射线光子，因而这一模型未能产生较大的影响。

除前述模型外，还有布兰斯（Brans，C.）和迪克根据狄拉克大数假说

提出的，引力常数随时间减小的宇宙模型，伏库勒（Vaucoulaur，G.de）等人提出的等级式模型以及相对论等级式模型①等。尽管各种模型各自都具有一些独到之处，但是彼此间却差异很大，互相无借鉴的可能，更不能相互包容。鉴于目前观测宇宙学提供的观测结果尚不丰富，对模型取舍的判断为时过早，这一切，还有待观测宇宙学的进一步发展，也有赖于理论研究的进一步深化。