“第一常数”和暗能量密度不变性原理

BIGBON

我们可以将“宇宙学常数”概念划分为两大类，一种是狭义的宇宙学常数，一种是广义的宇宙学常数。爱因斯坦定义了狭义的宇宙学常数概念，1917年，他将广义相对论应用到宇宙学的研究，在理想宇宙模型的前提下建立了现代宇宙的基石——宇宙引力的场方程，由于受到当时天文观测成果的限制，与牛顿运动学和引力理论“针锋相对”的爱因斯坦在宇宙模式的选择上却回到了牛场的立场，相信一个静态宇宙的模式，为了使场方程满足在物质密度不为零的条件下宇宙静态的条件，他在场方程中人为地添加了一项抵抗引力收缩或时空膨胀的常数项，为什么将维持宇宙静态平衡的常数项称之为“宇宙学常数”？这是因为常数项的值很小，在太阳系和银河系的尺度可以忽略不计，这是我们看不到太阳系和银河系发生膨胀的原因，而在星系团和宇宙的大尺度将会发挥显著的作用，这是我们看到遥远的星系都在远离我们的原因。爱因斯坦没有将宇宙学常数定义为“暗能量”，但是，物理学家从宇宙学常数中看到了“暗能量”的物理意义，在两个物理概念之间建立了符合“等效原理”的联系。

爱因斯坦在1929年得知美国天文学家哈勃发现了星系红移或“哈勃红移”，观测结果证明了宇宙的膨胀，他果断地放弃了场方程中的常数项，爱因斯坦认为这是他一生犯下的最大错误。自从物理学家将狭义的宇宙学常数正确地理解为“暗能量”之后，从科学史的角度来分析，我们有必要纠正一下爱因斯坦“谦虚”和“遗憾”的说法，他犯下的“最大错误”恰恰不是在场方程中引入了常数项，而是主动放弃了这一常数，爱因斯坦也许没有像多数物理学家一样，从常数项中发现了新的物理意义，宇宙学常数的物理学意义是暗能量，或者暗能量的物理学意义是宇宙学常数。2013年，天体物理学家马里奥·利维奥出版了著作《杰出的错误》，利维奥在书中纠正了爱因斯坦在一生当中“最大错误”的说法，将“爱因斯坦的错”从引入宇宙学常数“转移”到撤销这一常数。1998年，天文团队发现了宇宙的加速膨胀，物理学家索尔·帕尔马特，布莱恩·施密特和亚当·里斯通过观测遥远的超新星而发现了宇宙的加速膨胀现象，加州大学、澳大利亚国立大学和约翰·霍普金斯大学的“三人小组”获得了2011年度的诺贝尔物理学奖。我们可以将哈勃在1929的观测成果看成是“第一次发现”，将天文团队的观测成果看成是“第二次发现”，两次大发现符合宇宙哲学膨胀论的“等效原理”，没有给哈勃颁发是诺奖委员会犯下的一个“最大错误”。

我们将暗能量看成是宇宙学的“第一常数”。暗能量的密度和总量决定了宇宙膨胀率或“哈勃常数”的大小。宇宙学家将宇宙膨胀率或“哈勃常数”换算成暗能量的密度。随着宇宙的膨胀，宇宙中的物质和暗物质密度呈不断下降的趋势，如果宇宙膨胀的体积“加倍”，物质和暗物质的密度则“减倍”，宇宙的最奇异之处是暗能量密度在时空膨胀过程中保持不变，我们将作为宇宙学常数的暗能量密度的不变性称之为“暗能量密度不变性原理”，作为宇宙学常数的暗能量有系列的未解之谜，比如：天体物理学家发现，暗能量的“觉醒”发生在距今大约90亿年以前，天文学家只有在最近一、二十年借助先进的观测技术才能发现暗能量的“发力点”。我们可以将宇宙学的“第一常数”进行“人择原理”的解释，暗能量密度和“哈勃常数”不能大一点，也不能小一点，如果常数值稍大一点，那么宇宙这台精密的“超级机器”就不会演变成现有的天体结构，松散的气体和尘埃将没有足够的引力聚合成星云，星云没有足够的引力形成恒星和星系，没有原初恒星系云团，就不会有行星的形成，原初生命和人类将没有机会在地球诞生。反之，如果宇宙学常数稍小一点，那么宇宙的演变将展示另一番景致，暗能量的排斥力不能抵消物质和暗物质的引力，宇宙在物质和暗物质密度不断增大的情形下将发生加速大收缩，地球上的生命和人类，系外“地球”上的“外星人”将会在“大挤压”下走向毁灭。宇宙的加速膨胀或减速膨胀和宇宙的加速收缩或减速收缩符合宇宙哲学的“反等效原理”。

除了对宇宙学常数进行“人择原理”的解释，我们还可以对这一常数进行“多重宇宙原理”的阐释。在可观测的宇宙之外也许存在更多的宇宙，可以将距离我们很近的宇宙称之为“临近宇宙”，就像将距离我们很近的星系和黑洞称之为“临近星系”和“临近黑洞”；同样可以将距离我们很远的宇宙称之为“遥远宇宙”，就像将距离我们很远的星系和黑洞称之为“遥远星系”和“遥远黑洞”一样。在一个宇宙内的常数项保持不变，这是由“暗能量密度的不变原理”决定的，而不同的宇宙有不同的宇宙学常数，这是由不同宇宙的“内禀性”决定的，一个宇宙对应一个宇宙学常数，这是由多重宇宙哲学的“对应原理”决定的，每个宇宙具有常数项的“内禀性”，这是由多重宇宙哲学的“差异原理”决定的。根据多重宇宙哲学的“广义测不准原理”，人们在现有的天文观测能力和宇宙学认识的水平上不可能知道有多少个多重宇宙，同样，人们不知道有多少个宇宙学常数，有的宇宙学家为了“填补空白”，从某种弦理论和多重宇宙模型的数学计算中找到10的500次方、10的1000次方个宇宙或宇宙常数项。量子物理学允许的误差极低，而天体物理学允许的误差极高，而误差值在不同的物理领域有很大的不同。

物理学家除了不能解释“暗能量密度不变性原理”以外，另一个他们不能解释的与暗能量有关的问题是观测值和计算值的巨大差异，根据量子场论计算出的宇宙学常数或暗能量密度比实际天文观测的结果高出了10的120次方，这种“难以容忍”的数量级差异反映了量子场论和宇宙学的不相容性，就像量子力学和广义相对论的不相容一样，两者的不相容符合哲学逻辑论的“等效原理”。暗能量的“第一个不能解释”——密度不变性和暗能量的“第二个不能解释”——理论计算和观测结果的差异符合哲学未知论的“等效原理”。物理学家倾向于认为“第一个不能解释”是宇宙学的最大问题，我们可以将“第二个不能解释”看成是宇宙学的最大难题，两者解释的难易性符合哲学认识论的“等效原理”。对于暗能量发挥作用的时间，我们暂时接受物理学家的说法，即：暗能量在大约90亿年前开始“觉醒”，用它的排斥力来抵抗物质和暗物质的引力，在大约50亿到60亿年前开始超越物质和暗物质的引力，暗能量的排斥力将我们的宇宙推向一种加速膨胀的状态，我们从中发现了暗能量的“第三个不能解释”，即：暗能量的斥力为什么与物质和暗物质的引力出现了不平衡？为什么产生两种相反作用力大小的“对称性破缺”？暗能量的“三个不能解释”反映了宇宙物理学的“三大问题”，如果说哲学是一门“无用的科学”，那么说哲学家只能提出这些问题，科学家的未来使命是找到这些问题的答案。

我们将爱因斯坦引进的宇宙常数项定义为狭义宇宙学常数，而将物理学、化学、生物学等基础科学领域出现的常数项定义为广义宇宙学常数，按照这样的定义，“宇宙学常数”只是广义宇宙常数中的一个，或者宇宙学的“第一常数”和其它物理、化学、生物学的常数构成了一个广义宇宙学常数的“图表”，就像存在“暗能量密度不变性原理”一样，存在物理和化学常数的不变性，这些广义的宇宙常数符合宇宙哲学不变性的“等效原理”。不清楚在我们的宇宙和多重宇宙中存在多少种宇宙常数，我们已知的物理常数有牛顿万有公式中的引力常数，爱因斯坦相对论中在真空运动的光速，普朗克在创立量子论时发现了普朗克常数，除了“三种常数”以外，常见的物理学基本常数还有电子的质量和电荷，阿伏伽德罗常数，波尔兹漫常数等数十种。根据哲学推广论的“等效原理”，我们同样可以将有相互联系的基本物理学常数项进行在“人择原理”和“多重宇宙理论”基础上的解释，比如：“万古不变”的引力常数在我们的宇宙中既不能稍微大一点，也不能稍微小一点，有物理学家发现万有引力常数在过去90亿年的变化率不超过一亿分之一，如果引力常数的变化值大于或小于一亿分之一，我们的宇宙将变得非常不同，地球生命和人类的诞生与毁灭将是一个未知的谜题。不同的宇宙也许有不同的引力常数，在不同宇宙引力的作用下，有的宇宙呈“扁平型”，有的呈“马鞍型”，有的呈“双曲线线型”，还有我们未知的多重宇宙形状。

（宇哲手稿：邓如山

时间：2018-11-1）

本文选自：今日头条