1994年,由华盛顿特区卡内基学院温迪 · 弗里特曼(Wendy Freedmann)领导的天文学家研究小组,利用哈勃太空望远镜估算出了能反映宇宙膨胀速度有多大的哈勃常数值。这件事令全世界为之震惊,该小组所获得的数值大约是每吉秒差距85 km/s(秒差距是天体距离单位,相当于3. 26光年),这个结果似乎表明宇宙从大爆炸时期的高压态膨胀成目前样子所花的时间远远小于100亿年。由于我们所处的银河系存在年龄比宇宙本身还大得多的星体,这些星体存在的时间已达120~140亿年了,因而所有这些情况都令天文学家感到极为棘手。
数十年来,对哈勃常数值的估算时高时低,飘忽不定,还没有提出过一个公认的数值。要是弗里特曼所得的常数值能作为最终精确值的话,天文学家就会发现宇宙的膨胀率远远高于目前人们认定的值。在大爆炸理论框架内,唯一可行的办法是设法找到一种称之为星系空间宇宙斥力作用形成的宇宙常数。由于提高了宇宙膨胀速率,我们原先对宇宙自从大爆炸开始以来所经历的时间所作的估计显得过低。
问题在于宇宙常数并非是正统宇宙学所研究的对象。原因是这样做不含理,违反了自然科学发展的规律。尽管这样,对宇宙年龄问题,还存在许多不符合传统惯例的看法,这些看法当中,有些非常严肃,其他仅是旨在鼓励更多的人对天文学的传统观念持怀疑态度。它们侧重于扩散思维的实践与探索。这些人曾受到过为数不多但热衷于探究宇宙新领域的极有胆略的人的建议与支持。
在这些人当中,有马萨诸塞大学的艾德温 · 哈里森(Eddwin Harrison)。1993年,在亚姆赫斯特,他在其研究领域内发现了这种可能性,即我们也许会生活在一个与我们所观测到的极不相同的宇宙空间里,哈里森的“非标准”宇宙观仅与极小的哈勃常数(每吉秒差距10 km/s)和极高的天体密度常数相关。这种密度常数,通常称为“欧米伽Ω”,是现存的与假想的宇宙所具密度的比值,后者可设想为有朝一日其自身的重力会使其停止膨胀。观测表明Ω值约为0. 1,然而哈里森的非标准型宇宙具有的Ω值为10。该值所对应的宇宙膨胀速率将大大降低,哈里森发现他的非标准宇宙论更适用于巨型星系凝聚物这类问题。这类物质的结构使其具有巨大的引力,这些引力并非全部用于使宇宙膨胀,而是最大限度的影响处于300吉秒差距(刚好低于10亿光年)之外星系的运动。他指出在非标准宇宙空间内观测者由于受膨胀观点的影响可能会误解这种“独特的星系运动”,从而使他们推导出一个很高的哈勃常数值,并进而得出宇宙年龄还很小的结论。
说来奇怪,1929年发现宇宙在不停膨胀的美国天文学家埃特温 · 哈勃(Eddwin Hubble)也犯了类似的错误。他相信由于局部集中质量产生的引力作用,使得实际上极其庞大的星系运动完全是由于宇宙膨胀造成的。哈勃所作的结论大概高估了哈勃常数的值,因此算出的宇宙年龄仅为20亿年,甚至比用放射性岩土年代测定方法所获得的地球年龄值还小。哈勃所犯的错误由后来观测到更远处星系的天文学家纠正了。他们的观测范围确实超过了完全由宇宙膨胀决定天体运动的“哈勃时代”。
不过,哈里森还指出,在非标准宇宙空间内探测极其遥远的星系将毫无益处。这不仅是由于在超过300吉秒差距的距离以外,即使性能优异的观测器也很难发现星系,而且在这样的范围内宇宙的膨胀速率很快下降,使得原先用以测量哈勃常数的定义发生错误,不再适用于估测宇宙的年龄,跟大多数天文学家一样,哈里森相信哈勃常数值实际上在每吉秒差距50~100 km/s之间。但是他又指出宇宙之所以以极低的哈勃常数膨胀,是由于在某些情况下,在非标准宇宙空间内,观测者利用标准的宇宙空间进行推论。“这是一个历史遗留下来的问题,在对待天文学信仰上,我们更应持不可知论者的态度。”哈里森说道。
人们还设法解决其他几个不符合传统观念的宇宙问题。例如,在里斯本高等技术学院由奥福 · 伯多拉米(Orfeu Bertolami)领导的一个小组推断说哈勃常数将随着地点的改变而改变。之后,他大胆地想象出一种令人相信其含有宇宙质量的百分之九十到九十九的至今尚未发现的暗物质。天文学家需要这种暗物质来解决更多的问题。包括加速大爆炸后星系形成的过程以及建立一个覆盖整个宇宙,形似巨型菊花状链带的巨星系群,而产生这种神秘物质的原动力能说明人们未预料到的螺旋状星系中的恒星和星系群,其中的星系以极快速度作轨道运动的原因。由于存在数量庞大的尚未发现的物质引力作用,才使得这些恒星和星系不从其所处的宇宙空间逃逸出去,不过伯多拉米及其同事们宣称这并非是该法则所能说明的唯一问题。观测的结果还表明,与万有引力强度相关的牛顿引力常数,其在星系和星系群空间范围内的强度将比其在太阳系中大得多。伯多拉米说道,“要是牛顿现在还活着,当发现天文学家们所观测到的证据后,他将会完全修改其引力法则”。
伯多拉米还说,人们从量子力学那里已经得到过这样的启示,即引力常数确实是随着范围的扩大而在不断地增大。不过这只是唯一的线索。因为至今还没有人能把量子理论和爱因斯坦的引力理论统一起来。要是引力常数确实是随着空间范围的扩大而増大,宇宙膨胀的速率将有赖于所能观测到的宇宙的体积这将会说明为什么数十年来对于哈勃常数值一直没有形成一致的看法。”伯多拉米说,“这并不足为奇,因为这不单是哈勃常数的问题,而且还在于哈勃常数本身就是研究空间范围的一个可以依赖的数值”。
研究哈勃常数的非唯一性以及利用这个常数值来估算宇宙的年龄是注定要失败的这一问题,不仅仅是伯多拉米及其同事,弗雷特 · 霍伊尔爵士(Sir Fred Hoyle)对此问题也有自己的看法。他曾花费其毕生精力去研究浩渺无际的宇宙,在天文学界的眼中,霍伊尔是一个持异端邪说的人,因为他根本就不相信大爆炸理论。他相信的是1948年他和赫曼 · 邦迪(Hermann Bondi)以及托米 · 戈特(Tommy Gold)提出的经过大量改动的稳态理论,这种理论认为新物质不依赖于任何物质而能连续不断地自生,并且充满星系逃逸后留下的空间。按照这种说法,宇宙的密度将永远保持一个常数不变。整个宇宙既不会有开始产生的时刻也不会有终止的时候。1965年,稳态理论由于宇宙本底辐射即大爆炸产生“余辉”的发现而被完全否定。不过,现在霍伊尔和圣地亚哥加州大学的乔弗雷 · 伯比吉(Geoffrey Burbidge)以及印度布温国立大学天文学和天体物理研究中心的加雅得 · 那利卡(Jayant Narlikar)已进一步发展了“似稳态理论”。在稳态理论中“新物质的形成”是恒定的,且慢慢地形成。但是在似稳态理论中,“新物质的形成”是偶然性的,而且当它形成时伴随着一确定的强光流出现。
根据霍伊尔及其同事的看法,创生(即形成新物质)作用与强的引力场有关,而且会在所有可能的空间范围内发生。例如,小规模的创生作用会产生γ射线爆源,该物质是至今仍未解决的天文学难题之一,较大规模的创生作用会产生类星体的“活态”星系。事实上霍伊尔及其同事相信150亿年前在宇宙中某处发生过一次规模极大的创生过程。生成一大批物质,还引起了现在我们所能看到的星系膨胀。这样他们就解释了大多数天文学家认为的仅由唯一的一次大爆炸而引发的宇宙膨胀现象。
在霍伊尔的似稳态宇宙理论中,哈勃常数就显得不那么至关重要了。实际上该理论预言如果天文望远镜在太空中探测的距离足够远,天文学家最终将会看到,在太空的不同区域继不同类型的创生作用产生之后就会使物质发生膨胀现象。该理论还预言存在多个哈勃常数,从而使这个概念实质上失去了意义。不过,甚至还有比上述看法更加荒谬的观点存在。就拿马萨诸塞州安赫斯特学院的罗伯特 · 欧德沙(Robert Oldershaw)来说,他认为宇宙是由一系列形似俄罗斯玩偶套的东西形成的无限空间。欧德沙的“自相似性宇宙理论”来自于他本人所认为的最显著的宇宙特征 :即宇宙的基本构造物仅在具有特定广度的空间内形成。例如,原子、恒星和星系的空间范围。欧德沙相信这种“宇宙体系”是由某些基本的至今仍未发现其组成机理的物质决定的。而且这种体系的膨胀既可能超过也可能低于目前人类的探测极限。
这种观点看来很奇怪,但是跟欧德沙反传统的宇宙学理论主要观点相比就不足为奇了。即是宇宙体系确实是分成几部分的。或者说所分成的是自相似的。因此,对于在给定尺寸和质量的空间范围内,每一种基本物质,在另一个形似俄罗斯玩偶套的空间上,必定存在一个类似的对应物。例如欧德沙指出在原子空间范围内,电子、质子和核子三种物质按其质量和丰度的大小分别起不同作用,从这一点,他认为恒星范围内一定有三个类似的物质对质量起支配作用。利用一整套按经验推出的“直观推断式的空间类似原则”,他预言恒星系中这三类物质具有的质量分别为太阳质量的7×105倍,0. 145倍和0. 58倍。对于前两类物质,其质量可能稍大,欧德沙相信这些物质是对银河系光环的质量起决定性作用的质量致密的光环体。或者是巨型的未探测发现的空间物质(MACHO)。观测结果表明绝大多数物质的质量均为太阳质量的0. 1倍,但是欧德沙预言将有大量的MACHO其质量大约为太阳质量的7×105倍。
在MACHO发现之前,欧德沙发表了自己的预言。他还说在脉冲星被发现的前三年他就预测到它们的存在。这种脉冲星是基于以下事实发现的即里德伯原子具有的星体相似性——即以一定距离绕原子核作轨道运动的电子云系——必定是由恒星系绕极其致密的核质作轨道运动。欧德沙面临的最大问题是他不知道为什么宇宙会以这种自相似性组成。“我不知道组成它的基本原理”,他说,“这就是遇到的最大障碍
所有这些荒谬的看法,特别是经过仔细估算的欧德沙的看法更是荒谬绝伦。它们可能存在错误,但是按照剑桥大学马丁 · 里兹(Martin Rees)的看法。这些推测并非毫无价值。“对于传统的宇宙学来说,它们或许是一种可供选择的很好的方案。因为,它们提出了这些似乎合理的观点的适用范围。不过要是你对它们进行逐条认真考虑的话,就会发现它们是不合理的。”
就像大多数天文学家一样,里兹坚信传统大爆炸理论框架基本上是正确的。“如果这些具有挑战性的观点正确的话,它们将具有极为重大的意义”。他说,“但是尽管大爆炸理论还存在有问题,它仍旧比其它任何方法更能说明所观测到的数据。”
[New Scientist,1995年12月]