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光的傳播時間

大爆炸理論的一個難題

作者:詹森.萊爾,哲學博士
譯者:中國創造論團契

“遙遠星光問題”有時候會被用作反對聖經創造論的論據。那些相信(宇宙有)數十億年歷史的人通常認為那些最遙遠星系的星光是不可能在僅僅6000年的時間內達到地球的。然而,用“光的傳播時間”來否定聖經,並不能證明億萬年的大爆炸就是正確的,因為大爆炸模型同樣要面對一個光的傳播時間問題。

事件背景

在1964-1965年間,彭齊亞斯(Penzias)和威爾遜(Wilson)發現地球浸潤在一個微弱的微波輻射場中,而這種微波輻射很顯然是來自宇宙中可觀測到的最遠領域。彭齊亞斯和威爾遜因這項發現在1978年獲得諾貝爾物理學獎。1 這個宇宙微波背景輻射來自空間的各個方向,並具有一個特徵溫度。2,3 宇宙微波背景輻射被稱為是大爆炸模型做出的一個成功的預測,4 但實際上它是大爆炸模型遇到的一個障礙。因著宇宙微波背景輻射高度統一的溫度,大爆炸理論的宇宙起源模型面臨著光的傳播時間的問題。

難題

宇宙微波背景輻射的溫度在任何一個地方、5 任何一個方向上6 都完全一致(精度達到10萬分之一)。然而,(根據大爆炸理論家的說法),在早期的宇宙中,由於空間不同地方的初始條件存在隨機性差異,宇宙微波背景輻射7 的溫度在空間的不同地方會大不相同。如果這些不同區域彼此緊密連接,它們的溫度會逐漸趨於一致,而相距較遠的區域則通過輻射換熱(即:光8)使溫度趨於平衡。輻射會不斷把能量從溫度較高的地方帶到溫度相對較低的地方,直到它們達到相同的溫度為止。

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(1)在所謂的宇宙大爆炸早期,點A和點B在開始時具有不同的溫度。
(2)今天,點A和點B具有相同的溫度,但事實上這兩點之間並沒有足夠的時間來交換光(能量)。

現在的問題是:即便大爆炸所假設的時間尺度是成立的,也仍然不足以讓光線傳播到空間中相距甚遠的不同區域。那麼,如果現有的宇宙微波背景輻射場的不同區域之間未曾有光線往來,他們的溫度如今怎會如此精確地相同呢?9 這就是一個“光的傳播時間”問題。10

大爆炸模型認為宇宙已存在有數十億年之久。雖然這個時間尺度能讓光有足夠時間從遙遠星系傳播到達地球,但卻沒有足夠的時間讓光從可觀測宇宙的一邊傳播到另外一邊。光發出的時候(被認為是大爆炸後的30萬年),在一個比光能傳播的距離至少大10倍的範圍內(稱為“視界”)11,其空間的溫度已經趨於一致。所以問題是:這些空間怎麼會看起來是一樣的(即溫度相同)呢?如果沒有足夠時間進行信息交換,可觀測宇宙的一邊怎樣“知道”另一邊的情況呢?這叫做“視界問題”12。儘管世俗天文學家們對這一難題提出了很多解決方法,目前還沒有任何一個是令人滿意的。(請參看下面關於解決宇宙大爆炸“光傳播時間”問題的方法)

總結

大爆炸理論要求可觀測宇宙中遙遙相對的區域間有輻射換熱,因為在宇宙微波背景輻射分布圖上它們有一樣的溫度。但問題是光並沒有足夠的時間可以傳播這麼遠的距離。聖經創造論者和宇宙大爆炸論者提出了許多方案來解決他們各自理論中面臨的這個“光的傳播時間”問題。所以,大爆炸論者不應該因創造論者提出各種可能的方案假定來批評他們,因為他們在自己的理論模型中也做著同樣的事情。對於大爆炸論的支持者,視界問題仍舊是一個棘手的難題,而從他們為瞭解決這個難題而提出許多自相矛盾的猜想來看,也證實了這點。所以,大爆炸理論支持者們用光的傳播時間作為論據來反對聖經創世論是不合邏輯的,因為他們自己的理論中也存在同樣的問題。

解決宇宙大爆炸“光的傳播時間”難題的各種嘗試

目前,最普遍的一種觀點叫做“暴脹”,這是在1981年由阿蘭∙古思(Alan Guth)提出的一個猜想。這一猜想認為:宇宙(即空間本身)的膨脹速率在大爆炸早期的“暴脹階段”巨幅提升。宇宙空間的不同區域在暴脹發生後才快速分離(這個分離速度比光速還要快13),在這之前,它們緊緊相連並通過輻射換熱達到相同的溫度。根據暴脹模型的這一猜想,宇宙的那些遙遠區域儘管今天相距甚遠,在過去宇宙體積還是很小、暴脹還沒有開始之前,它們是相聯的。

然而,這個“暴脹”猜想還遠不能得到證實。事實上有很多種不同的暴脹模型,每一種模型自身都有難以解決的問題。況且,現在科學家們對哪個暴脹模型是正確的還未能達成一致意見。引起暴脹的物理機制仍是個未解之謎,儘管存在多種猜測。還有一個難題:暴脹一旦開始,它是如何停下來的?–即“從容退出”的問題。14另外,現在已知有很多暴脹模型是錯誤的–其所做的預測與觀察結果不吻合15(比如古思理論的原型16)。而且,這些暴脹模型的很多方面目前還無法進行驗證。

一些不接受膨脹模型的天文學家針對視界問題提出了其他可能的解決方法。這些方法包括:萬有引力常數隨時間變化的設想17;大碰撞模型(包括循環宇宙說)”18;光通過(假想中的)其他維度穿越捷徑的設想;19 “無奇點”模型20,還有一些模型假設過去光速更快21,22(創造論者也指出,光速的改變或許可以解決聖經創世論中的光的傳播時間難題23)。

鑒於上述的這些分歧,我們目前可以有把握地說:視界問題還沒有一個明確的解決方法。

 參考文獻和注釋

  1. Coles, P. and Lucchin, F., Cosmology: The Origin and Evolution of Cosmic Structure, John Wiley & Sons Ltd, Chichester, p. 91, 1996. 回到內文.
  2. 2.728 K (-270.422°C). 回到內文.
  3. Peacock, J.A., Cosmological Physics, Cambridge University Press, p. 288, 1999. 回到內文.
  4. 然而,宇宙微波背景輻射的存在,實際上是根據外太空某些分子的光譜推測出來的,這是在大爆炸宇宙學提出之前。回到內文.
  5. 來自我們星系以內的除外。回到內文.
  6. Peebles, P.J.E., Principles of Physical Cosmology, Princeton University Press, p. 404, 1993. 回到內文.
  7. 為了方便起見,本文使用人們普遍理解的「宇宙微波背景輻射」這一術語,這並不是說在其理論模型中,輻射峰的波長在各個時期是相同的。回到內文.
  8. 紅外線輻射是光譜的一部分。回到內文.
  9. 這是大爆炸模型的一個內部矛盾,而對於創世模型則不是一個難題。神或許在創世開始的時候,就使宇宙空間各個地方具有相同的溫度。 回到內文.
  10. Misner, C., Mixmaster Universe, Physical Review Letters 22(20):1071–1074, 1969. 回到內文.
  11. Ref. 1, p. 136. 回到內文.
  12. Lightman, A., Ancient Light, Harvard University Press, London, p. 58, 1991. 回到內文.
  13. 這一觀點沒有違背相對論,相對論只是說物體在空間中的運動必須低於光速,然而在膨脹猜想中,宇宙空間攜帶其中的物體一同擴張。回到內文.
  14. Kraniotis, G.V., String cosmology, International Journal of Modern Physics A 15(12):1707–1756, 2000.回到內文.
  15. Wang, Y., Spergel, D. and Strauss, M., Cosmology in the next millennium: Combining microwave anisotropy probe and Sloan digital sky survey data to constrain inflationary models, The Astrophysical Journal 510:20–31, 1999.回到內文.
  16. Coles, P. and Lucchin, F., Cosmology: The Origin and Evolution of Cosmic Structure, John Wiley & Sons Ltd, Chichester, p. 151, 1996.回到內文.
  17. Levin, J. and Freese, K., Possible solution to the horizon problem: Modified aging in massless scalar theories of gravity, Physical Review D (Particles, Fields, Gravitation, and Cosmology) 47(10):4282–4291, 1993.回到內文.
  18. Steinhardt, P. and Turok, N., A cyclic model of the universe, Science296(5572):1436–1439, 2002.回到內文.
  19. Chung, D. and Freese, K., Can geodesics in extra dimensions solve the cosmological horizon problem? Physical Review D (Particles, Fields, Gravitation, and Cosmology) 62(6):063513-1–063513-7, 2000.回到內文.
  20. Célérier, M. and Szekeres, P., Timelike and null focusing singularities in spherical symmetry: A solution to the cosmological horizon problem and a challenge to the cosmic censorship hypothesis, Physical Review D65:123516-1–123516-9, 2002.回到內文.
  21. Albrecht, A. and Magueijo, J., Time varying speed of light as a solution to cosmological puzzles, Physical Review D (Particles, Fields, Gravitation, and Cosmology) 59(4):043516-1–043516-13, 1999.回到內文.
  22. Clayton, M. and Moffat, J., Dynamical mechanism for varying light velocity as a solution to cosmological problems, Physics Letters B460(3–4):263–270, 1999.回到內文.
  23. For a summary of the c-decay implications, see:  Wieland, C.Speed of light slowing down after all? Famous physicist makes headlines, TJ 16(3):7–10, 2002.回到內文.