宇宙恆穩態理論

宇宙恆穩態理論認為：宇宙的過去，現在和將來基本上處於同一種狀態，從結構上說是恆定的，從時間上說是無始無終的。而大爆炸理論認為：宇宙和時間的開始都源起於宇宙中一次巨大的爆炸，這一爆炸造成了現在的各大星系，而各大星系，以及整個宇宙總是處於不斷變化，發展的過程之中。

基本介紹

• 中文名：宇宙恆穩態理論
• 領域：航空
• 性質：理論
• 用途：宇宙探索

理論的提出

在近代宇宙學的研究中，除了稱為大爆炸模型的標準宇宙模型之外，還有許多非標準模型，其中最有影響的是穩恆態宇宙模型。在大爆炸宇宙模型提出的初期，人們曾根據哈勃常數推算宇宙的年齡，然而由於哈勃常數在測定遠距離星系的視星等與紅移關係時，採用了造夫變星決定距離的偏差太大，以致得到的哈勃常數太大，由此估算出的宇宙年齡只有20億年，比地球的壽命還短，這給當時的大爆炸宇宙學說帶來不小的困境，為了擺脫困難，穩態宇宙學說應運而生。

穩恆態宇宙學是幾位年輕的英國天體物理學家邦迪，戈爾德和福雷德·霍伊爾在1948年提出的。他們的觀點是：在相對論中時空是統一的，既然宇宙學原理認為所有的空間位置都是等價的，那么所有的時刻也應該是等價的。也就是說，天體(物質)的大尺度分布不但在空間上是均勻的和各向同性的，而且在時間上也應該是不變的。也就是在任何時代，任何位置上觀察者看到的宇宙圖像在大尺度上都是一樣的，這一原理稱為"完全宇宙學原理"。

理論依據

哈勃望遠鏡探測示意圖

穩恆態宇宙學認為宇宙在時間和空間上都是無限的。它主張宇宙從未有過開始，或者更確切地說，宇宙乃是處於連續的創造過程之中。當宇宙膨脹之時，總密度減少，但會創造出更多的物質來使密度升高。因此當宇宙不斷地膨脹時，新的物質便連續地在星體中創造出來以填補空隙。新形成的物質就是構成星系的氫。每個新星系團將隨著自身的不斷膨脹而爆發，但爆發後的碎片又形成更多的新的星系。從新星系形成到老星系爆發，宇宙會不斷膨脹。但宇宙的總密度不變。並且總是存在有各種不同年齡的星系。因此，宇宙在任何時期檢驗都是一樣的。儘管個別星系團有所變化，但總體圖象是始終如一的。

既然時空是統一的，宇宙物質在空間分布是均勻且各向同性的，宇宙在時間上也應是均勻不變的，這就是所謂的“完全宇宙學原理”。根據這一原理，哈勃常數應是一個不隨時間變化的常數，宇宙既然不斷地在膨脹，同時又要求保持宇宙物質分布上的均衡，且不隨時間改變，必然要求物質在不斷地產生，又隨宇宙的膨脹不斷脫離視界而去，從而保持宇宙物質的密度始終不變。穩態宇宙學預言的物質相對產生率為哈勃常數的3倍，即3H0。雖然這是一個極微小的量，但是穩態宇宙學尚不能清楚地說明，物質在哪裡、以何種方式產生，以什麼形態出現，只是有人猜測，這些創生的物質在活動猛烈的星系核中產生。

穩態宇宙學提出以後，曾得到了幾方面的支持，其一是大爆炸宇宙學難以解釋的星系產生問題，在這裡可以順理成章地得到說明。因為只要在穩態宇宙方程中，物質的產生和宇宙的膨脹不是正好地得到補償，就可能出現穩恆態附近的起伏解，解中恰好呈現了物質分布的局域不均勻性。其次在套用電動力學或其它場論研究粒子間相互作用時，推遲勢與超前勢都是方程的解，然而只有推遲勢才得到了觀測上的驗證，通常只用因果律解釋其原因，這種解釋帶有人為性，常不能令人滿意。1945年，惠勒和費因曼曾指出，如果計入一個加速運動的電荷與宇宙中所有其它電荷的作用，就可以證明，在推遲勢與超前勢中，只有推遲勢在起作用。他們的這一討論正是在穩態宇宙的基礎上進行的。這似乎是在理論上對穩態宇宙學的一種間接支持。此外，在穩態宇宙學中，不出現高溫、高密度的初態，避開了難以擺脫的“奇點”困擾。

理論可行性

像一切其它宇宙模型一樣，穩態宇宙模型也有一些先天不利的因素。它引出了一個物質不斷創生的假設，這是現今物理學無法解釋與理解的。此外，一些觀測結果也給它增加了諸多不利的因素，例如對河外射電源計數結果與它的預言數不一致。更重要的是3K宇宙微波背景輻射的發現表明，宇宙的早期確實呈高熱狀態，穩態宇宙學對3K的解釋卻是牽強和不自然的。此外，它還不能對現今宇宙中元素的形成與豐度做出解釋。面對如此多的難題，這一宇宙模型不如大爆炸宇宙那樣得到較多的公認。

根據"完全宇宙學原理"，哈勃常數不僅對空間各點是常數，而且不隨時間變化。所以宇宙空間的膨脹在時間和空間上都是均勻的。宇宙空間在膨脹，而物質的分布又與時間無關，這樣就必須有物質不斷產生出來以"填補真空"，也就是填補宇宙膨脹所產生出來的空間。通過完全宇宙學原理和愛因斯坦場方程可以求出宇宙的時空結構，可以得到宇宙的三維曲率為零，也就是三維空間是平直的。

穩恆態宇宙學最大的特點是要求物質和能量不守恆，據計算，物質的相對產生率為三倍的哈勃常數，也就是每年在二到三立方公里的體積內產生相當於一個質子質量的物質來。穩恆態宇宙學可以避免奇點，但它也有許多原則性困難，比如，它要求物質不滅定律不成立。為此，霍伊爾提出修改愛因斯坦場方程，他認為新產生的物質是由新產生的真空由高能級向低能級躍遷引起的真空相變產生的。穩恆態宇宙學出台後曾經引起過轟動，但這種原則性的大改動是不能輕易採取的，除非新理論取得了大的成就，並且與觀測事實符合得很好，但實際上穩恆態宇宙學與觀測符合的程度並不好，不如大爆炸宇宙學，因此還無法撼動大爆炸的根基，成為標準模型。

月亮繞地球轉，地球繞太陽轉，太陽繞銀河的銀心轉，銀河又在星系團中轉……從樸素的觀點來看，宇宙應該是有這樣一種無限的階梯組成的，無窮無盡。觀測表明，在星系團的尺度上，也就是一千萬光年到一億光年尺度上，天體分布是這種階梯狀，但再往上就沒有這種現象了，星系團在空間的分布是均勻的。以伏庫勒為代表的少數人認為，在一億光年以上也是這種階梯狀分布，只是觀測能力不夠，沒有發現這種現象。這一模型稱為等級宇宙模型。但由於缺乏理論基礎，而且天文觀測證據幾乎沒有，因此等級宇宙模型的前景不容樂觀。

歷史意義

雖然這一學說還沒有完全得到證實，但提出這一學說的人是偉大的，不是說這一學說偉大（因為還沒有證實），是說提出這一學說的人的這種科學精神，這樣說是因為這一學說要否定更加偉大、更加權威的物質不滅定律，科學是不講權威的，講權威就沒有真正的科學。