起伏式宇宙模型和膨胀的逆转

朱 临

浙江铁道学会 浙江 杭州 310007

0 引言

宇宙浩瀚而神秘。自从出现人类以来，我们的祖先就对宇宙发生了浓厚的兴趣，进行了不间断的观察。为了解释宇宙种种神秘的现象，人们从不同的角度，不同的想象，提出了种种的宇宙模型。虽然由于生产力水平和技术手段的限制，未能得出科学的结论，但为后人积累了宝贵的经验，显现了应有的教训。

近代以来，由于生产力和科学技术的发展，宇宙研究有了多方面的进展，取得了诸如大爆炸宇宙模型等许多重大的成果。但由于宇宙的不可穷尽性，宇宙研究还有许多空白，现在得出的结论，也还存在许多尚需探讨的问题。因此，需要继续深入开展对宇宙的探测和研究工作。在前人工作的基础上，本人提出了新的起伏式的宇宙模型。经比较，这种模型应当是一个可行的宇宙模型。

1 关于宇宙可能的结局

1917年，德国物理学家A·爱因斯坦发表了《根据广义相对论对宇宙学所作的考察》，试图根据广义相对论方程推导出整个宇宙的模型。在此文中，提出了宇宙学原理——宇宙是均匀和各向同性的。1922年，俄罗斯物理学家A·弗里德曼认为，宇宙是动态的，并依据宇宙学原理，第一个求得了爱因斯坦方程的最全面和最真实的解。这个解只取决于3个参数:一是哈勃常数Η，它是宇宙膨胀的速率。二是无量纲参数Ω，它是指宇宙中物质平均密度和宇宙临界物质密度之比。三是宇宙常数Λ，它是和真空空间有关的能量或暗能量的值。弗里德曼指出，这3个参数之间的关系，确定了整个宇宙的演化，造成宇宙3种可能的结局。同时，物质密度的大小Ω决定着时间—空间曲率Κ的正负。当Ω＞1，对应的Κ＞0，宇宙像一个球面，时空是有限的。这时，宇宙的物质充分，引力最终将使膨胀逆转。宇宙收缩将引力能转化为热能，温度开始上升，最终宇宙有可能重新出现大爆炸。当Ω＜1，对应的Κ＜0，时空是马鞍形的，无界的。宇宙中就没有足够的物质逆转大爆炸产生的加速膨胀，宇宙是开放的，时空是无限的，即宇宙永远膨胀。如果温度接近于绝对零度，最终宇宙将陷入大冻结的状态。当Ω=1，对应的Κ=0，时空是平直的，也是无界的。在这种情况下，宇宙将徘徊在两个极端之间，但仍将继续膨胀下去。物理学家依照弗里德曼的解，通过对宇宙的观测，给出了三种经典的假说:大挤压、大冻结，以及两者的临界状态。

①大挤压。虽然最初的膨胀很迅速，但如果宇宙中的总物质和能量达到一定的值，那么宇宙在膨胀到最大值后，会转为收缩状态，宇宙最终将会坍缩回去。这是使宇宙重生的最直接的办法，新的循环宇宙有机会像我们的宇宙一样演化。

②正定膨胀。宇宙中总的物质和能量不足以逆转膨胀。膨胀速率始终大于零。宇宙会永远膨胀下去，最终以大冻结结尾。

③递减膨胀。这就像是上面情况的临界点。如果多了一个质子，宇宙就会坍缩；少一个质子，宇宙就会膨胀。在这样的临界状态中，宇宙以最低的速率膨胀，膨胀速率逐渐趋近于零。

根据目前的测量结果，宇宙是由0.01%的辐射、0.1%的中微子、4.9%的普通物质、27%的暗物质和68%的暗能量所构成。如果是暗能量主导宇宙的膨胀，这将影响宇宙的命运。除了先前给出的三种经典假说，暗能量又给出了二种特别的假说。

④大撕裂。暗能量属于空间自身的性质，这说明，它的能量密度应该是一个常数。但它也可能随着时间而改变。一种可能是增强，这会导致宇宙膨胀速率随着时间而加速。遥远天体远离的加速度也会越来越大。那些受万有引力束缚在一起的星系团、独立的星系、太阳系甚至原子等，都会因为暗能量的增强而在某一刻相分离。在宇宙的最后一刻，空间本身和亚原子粒子都会被撕裂。

⑤大毁灭。暗能量和真空的零点能相关，可能衰变。如果暗能量对应的真空不是能量最低的稳定的真正真空状态，而是早期宇宙因对称性破缺而进入的一个伪真空状态，量子隧穿效应会使现在的宇宙进入一个能量更低的状态，而改变物理定律。在这种状态下，无论衰变在哪里发生，都会从一点出发，以光速传播，摧毁所经之处的一切事物，随之即刻摧毁现在的宇宙。这是宇宙所有可能结局中最具破坏性的一种。

据上，宇宙共有5种可能的结局，其中后4种皆为毁灭而不复存在，唯有前1种可以得到涅槃而重生[1]。

2 关于起伏式宇宙模型

②白洞。根据对称性原理，有黑洞也必然存在着白洞。1964年，俄罗斯宇宙学家I·诺维科夫根据对史瓦西解的计算，提出了白洞的学说。物理学家们认为，在白洞这种神奇的天体中，也有一个封闭的边界。和黑洞相反，白洞内的物质和辐射只能向外运动，而不允许物质和辐射进入它的内部。在白洞的中心，有一个聚集着各种基本粒子等的致密物质团。当这个致密物质团处于膨胀过程中时，各种基本粒子就会辐射出去。这些辐射粒子具有很高的速度。当和周围的物质发生碰撞时，由于其异常的剧烈，将会释放出巨大的能量。有的物理学家认为，白洞是从黑洞转变过来的，白洞释放的大量物质和能量，正是在黑洞形成时获得的。黑洞的形成是在引力作用下发生坍缩的过程。白洞发生的过程正好和黑洞形成的过程相反。在这种过程中，白洞将会发生猛烈的爆发。

③熵量增加原理。1950年，德国物理学家R·克劳修斯提出了熵的概念。熵就是热力学系统平衡态的状态函数。熵量，则是量度粒子运动混乱、无规则、无序程度的物理量。R.克劳修斯提出熵的概念后，进而发现了热力学第二定律，亦称熵量增加原理[2]:

其中dS为初态和终态均为平衡态的某过程的熵变，dQ=-cdT，为系统中热量的变化，c为热容量，符号-表示系统具有负的热容量，T为温度，不等号＞表示不可逆过程，等号=表示可逆过程。事实上，对于某个热力过程，不管初态、终态是否平衡，该式都成立。对于孤立系统，有dS＞0。可以看出，此式是在无约束的条件下得出的。在这种系统中，各物体是排斥性的，是一种热力扩散性的结构。

从式(3)可见，白洞具有的是正的能量，黑洞具有的是负的能量。在白洞、黑洞构成循环过程的系统中，总的能量变化为0，能量是守恒的。同时可见，总的熵量变化也为0，熵量也是守恒的。

从式(4)可见，在局部区域，两相邻的白洞、黑洞并不一定两两构成循环过程，但在总体上，白洞、黑洞是两两对应的，因此，在整个宇宙系统中，能量是守恒的，熵量也是守恒的。这就是宇宙系统的熵量守恒定律。

从式(3)和式(4)可以看出，不但在白洞、黑洞构成循环系统的特殊情况下，熵量是守恒的，而且在宇宙系统中相邻的白洞、黑洞并不两两构成循环过程的一般情况下，宇宙中的熵量也是守恒的。能量守恒定律经过实验的检验，是正确的。根据式(3)和式(4)，熵量和能量的自然对数成正比，因此，熵量守恒定律也是正确的。

⑥起伏式宇宙模型。根据式(4)的熵量守恒定律，我们可以推测到，在宇宙系统中，某一区域或某几个区域有黑洞在爆炸。这种爆炸，产生了使某个或某几个宇宙膨胀的物质，包括质量和能量。也就是说，黑洞塌缩到一定程度，将逆向转变为白洞。同 时，根据白洞、黑洞对称的原理，在宇宙的另一区域或某几个区域，也必定会有黑洞在形成。也就是说，白洞膨胀到一定程度，也将逆向收缩转变为黑洞。据此，最终将导致在整个宇宙中，某些目前我们不能观测的部分，处于收缩的过程中。因此，在整个宇宙中，黑洞、白洞的形成是交错发生，此起彼伏，此伏彼起的。这种此起彼伏的白洞、黑洞过程，不但决定了某个宇宙过去的历程，也将影响某个宇宙的现在和将来。据上可以得出，我们的宇宙模型是一种起伏式的宇宙模型[4]。这个模型描述了，整个宇宙是由一个个的小宇宙组成的。正是一个个的小宇宙，构成了整个的大宇宙。我们生活在其中的这个宇宙，就是整个宇宙中的一个小宇宙。

3 关于永远膨胀宇宙模型的不可能存在

据此，在物质势能作用下，膨胀宇宙将会逆转，开始收缩。因此，宇宙无限的膨胀是不可能的。对于多元宇宙的问题，也存在类似的情况。

4 结论

从上可见，依据起伏式宇宙模型，在宇宙5种可能的结局中，毁灭而不复存在的后4种是不可能发生的，只有前1种可以涅槃重生的大挤压是能够存在的。这也说明，起伏式宇宙模型是一个可行的宇宙模型。