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哈勃定律也许在微小的时空中失去效用

作者:邓如山

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迄今为止,物理学家和天文学家未能证伪哈勃定律,发现宇宙膨胀和哈勃定律的哈勃理应获得诺贝尔物理学奖,他未能在生前获奖令人感到“痛心疾首”和永久的遗憾。诺奖委员会的评审活动即使没有“阴谋论”、“歧视论”和“平衡论”的嫌疑,也会有学术失准和评定的偏差。近几年的诺贝尔物理学奖不是颁给了量子物理学的科学家,就是颁给了天体物理学的研究者。从今年的诺贝尔奖提名人选和研究领域来看,最热门的引力波发现既属于天体物理,也属于量子物理,类星体的发现属于天体物理,今年获奖的凝聚态相变的发现属于量子物理。今后的诺奖也离不开物理学的两大分支领域。类星体的发现和研究比引力波更早、更成熟,或迟或晚荣获诺贝尔奖也在意料之中,但是,不排除在类星体的发现者中再现“哈勃遗憾”,他们也许等不到领奖的那一天就离开人世。科学家不会为诺贝尔奖而活着、而从事科学探索活动,诺奖只是一种荣誉和象征,是对科学家探索成果的一种肯定。

每年颁发诺贝尔奖之时,人们都会预测获奖人和他们的研究领域,本作者也“趁热打铁”,预测一下今后可能的获奖领域,比如:哈勃没因发现哈勃定律而获诺奖,那些正在研究宇宙膨胀内在原因的科学家可能获得科学的最高奖项——诺贝尔物理学奖,理由是:哈勃定律揭示了宇宙膨胀的运动学规律,却没有揭示宇宙膨胀的动力学机制,研究“哈勃膨胀”的宇宙动力学机制属于重大的物理基础课题,上了诺贝尔奖的“档次”。索尔·珀尔马特、布赖恩·施密特、亚当·里斯通过观测遥远超新星发现了宇宙的加速膨胀,获得了2011年的诺贝尔物理学奖,多少弥补了“哈勃遗憾”的不足,他们似乎开启了“哈勃膨胀”研究的得奖模式,发现今日宇宙的加速膨胀获得了诺奖,由此推断,如果揭示了宇宙加速膨胀的内在原因,那么这类研究成果没有理由不获得该奖。除了研究宇宙膨胀的内在动力以外,本作者还在思考一个大胆的理论假设,即:哈勃定律在宏观的范围是有效的,而在微观的范围可能失效。

本作者提出的哈勃定律“失效论”与“等效原理”有关。我们可以将万有引力定律和哈勃定律的适用范围进行一番对比。我们知道,万有引力几乎无处不在,但是,事实上万有引力是宇宙所有力中最微弱的作用力之一,科学家难以在实验室环境下准确地测量万有引力的数值和作用过程,而对天体来说,这种作用力表现得十分显著,万有引力公式在宏观尺度上刻画了物质之间引力的相互作用,但是,在微观尺度上引力的平方反比定律不一定适用。如果在万有引力定律的适用范围和哈勃定律的适用范围之间存在“等效原理”,那么我们可以按照这种类比推论,给出以下的结论:对于天体和宏观尺度来说,哈勃定律表现得十分显著,还没有一位科学家否定哈勃定律的这种适用性,但是,在粒子和微观的尺度上,膨胀距离与膨胀速率成正比的“哈勃定律”不一定适用。

1929年哈勃对河外星系的视向速度与距离的关系进行了研究。当时只有46个河外星系的视向速度可以利用,其中仅有24个有推算出的距离,哈勃得出了视向速度与距离之间大致的线性正比关系。现代精确观测已证实这种线性正比关系v=H0×d。其中v为退行速度,d为星系距离,H0为比例常数,称为哈勃常数。这就是著名的哈勃定律,哈勃定律揭示的宇宙在不断地膨胀,这种膨胀是一种全空间的均匀扩大。哈勃定律、或哈勃关系式v=H0×d像万有引力公式一样是一个经验公式,不是从理论模型中推断出来,而是从观测统计中发现的。哈勃定律也许像万有引力定律一样,应当有一定的适用范围,在最小的微观尺度上和最大的宇宙尺度上存在失效的可能,我们很难设想在宇宙的边缘,宇宙膨胀的速率可以达到无限的程度,也很难想象在宇宙诞生的“原点”,宇宙膨胀的速率可以小到几乎为零。

哈勃定律适不适合宇宙早期暴涨的情形?这也许是一个可以引起争议的话题,确实有一种观点认为哈勃关系式适合对宇宙暴涨的描述,但是,这种观点会产生一种矛盾:宇宙相对晚期的加速膨胀率会远远大于宇宙暴涨期的速率,我们只要从哈勃关系式的距离项(d)就可以看出这点,宇宙晚期的尺度远远大于早期的尺度,或者说暴涨期“小宇宙”的直径远远小于加速膨胀期“大宇宙”的直径,实际发生的情形则刚好相反,天文学家普遍认为,宇宙在暴涨期的速率远远大于宇宙在加速膨胀期的速率,可以高出10的50次方倍,可以确定宇宙在暴涨期的膨胀速率与距离之间不是一种类似哈勃关系式的线性关系,而是一种指数关系,因此,哈勃定律在宇宙暴涨阶段失效了,如果哈勃定律在宇宙诞生的“原始火球”中失效了,那么我们如何重新找到暴涨率与距离的关系式昵?如果天体物理学家在“古斯暴涨”中发现了“古斯定律”,就像哈勃在“哈勃膨胀”中找到了“哈勃定律”一样,如此的天体物理学家应不应该获得诺贝尔物理学奖?

我们使用“古斯暴涨”这个词汇是因为阿兰·古斯在宇宙学的理论构思中发现了宇宙最早期的暴涨;我们首次使用“古斯定律”是因为在宇宙诞生时的暴涨中也许存在“古斯定律”。哈勃既发现了宇宙膨胀,也发现了宇宙的膨胀率与距离关系的“哈勃定律”;古斯发现了宇宙最早期的暴涨,却没有明确地提出暴涨率与距离关系的“古斯定律”,现在的物理学家和天文学家也许可以找到这一定律,这是一条让我们看到宇宙诞生的运动定律,甚至可以将它称之为“创世定律”,我们相信对暴涨率的研究可以导致诺贝尔物理学奖的产生。本作者相信对宇宙暴涨率和内在原因的研究与今年的诺贝尔物理学奖有关,三位科学家戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹、迈克尔·科斯特利茨因为“理论发现拓扑相变和拓扑相物质”而获得今年的诺贝尔物理学奖。在原子的凝聚体中存在相变,可以应用数学的拓扑学;在宇宙最早期的暴涨物质——能量态中也存在相变,根据这两种类型相变作用的“等效原理”,似乎同样可以应用数学的拓扑学。本作者不能不承认,科学哲学思维的“等效原理”对科学研究有一定的帮助,算是本作者对科学哲学的一点点贡献,也是本作者撰写宇宙学—哲学手稿的一点动机。

(邓如山2016-10-12)

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