稳态理论是20世纪宇宙学中提出的一种理论,它解释了宇宙膨胀的证据,但仍然保留着宇宙总是看起来一样的核心思想。因此宇宙在现实中是不变的,它没有起点和终点。

稳态理论的背景和发展

当爱因斯坦创立广义相对论时,早期的分析表明,它创造了一个不稳定(膨胀或收缩)的宇宙,而不是一直假设的静态宇宙。爱因斯坦也持有这个关于静态宇宙的假设,所以他在他的广义相对论场方程中引入了一个称为宇宙学常数的术语。这有助于使宇宙保持静止状态。然而,当埃德温·哈勃发现证据表明遥远的星系实际上在向各个方向远离地球时,科学家们(包括爱因斯坦)意识到宇宙似乎并不是静止的,于是这个术语被删除了。

稳态理论在20世纪20年代由詹姆斯金斯首次提出,但在1948年得到了真正的推广,当时物理学家弗雷德霍伊尔、托马斯戈尔德和赫尔曼邦迪重新阐述了该理论。有一个有趣的故事,他们是在看了电影《夜深人静》后提出这个理论的,这部电影的结尾和开始时一模一样。

霍伊尔特别成为这一理论的主要支持者,尤其是在反对大爆炸理论的情况下。事实上,在英国的一个广播节目中,霍伊尔用“大爆炸”这个词来嘲讽与之相反的理论。

物理学家米奇奥·卡库在《平行世界》一书中为霍伊尔对稳态模型的执着和对大爆炸模型的反对提供了一个合理的解释:宇宙大爆炸理论的一个缺陷是,由于测量来自遥远星系的光的误差,哈勃错误地计算出宇宙的年龄是18亿年。地质学家声称,地球和太阳系可能有数十亿年的历史。宇宙怎么可能比它的行星年轻呢?

在宇宙学家保罗·斯坦哈特和尼尔·图罗克合著的《无尽的宇宙:大爆炸之外》一书中,他们对霍伊尔的立场和动机不太赞同:霍伊尔尤其憎恶大爆炸,因为他强烈反对宗教,他认为宇宙的图景与圣经的描述惊人地接近。为了避免宇宙大爆炸,他和他的合作者们愿意考虑这样一个想法——物质和辐射在整个宇宙中不断地被创造出来,就像保持宇宙膨胀时的密度和温度一样。这幅稳定的画面是宇宙不变概念的最后支持者,引发了与大爆炸模型的支持者长达30年的斗争。

正如这些引述所表明的,稳态理论的主要目标是解释宇宙的膨胀,而不必说宇宙作为一个整体在不同的时间点看起来是不同的。如果宇宙在任何给定的时间点看起来基本相同,就没有必要假设一个开始或一个结束。这就是众所周知的完美宇宙学原理。霍伊尔能够保留这一原理的主要方法是,在宇宙膨胀的同时,提出一种新的情况,即产生新的粒子。

在这个模型中,宇宙的某些部分实际上在膨胀,但新物质不断地从虚无中产生,因此宇宙的密度保持不变。对霍伊尔来说,一场不知从何处冒出的炽热的大灾难会让星系向四面八方飞奔,这似乎不合逻辑。他更喜欢从无到有地创造质量。换句话说,宇宙是永恒的。它没有结束,也没有开始。

反驳稳态理论

随着新的天文学证据的发现,反对稳态理论的证据越来越多。例如,遥远星系的某些特征(如类星体和射电星系)在较近的星系中是看不到的。这在大爆炸理论中是有道理的,在大爆炸理论中,遥远的星系实际上代表“年轻”的星系,而较近的星系则代表较老的星系,但稳态理论没有真正的方法来解释这种差异。事实上,这种差异正是该理论所要避免的。

然而,反对稳定状态宇宙学的最后一颗“棺材上的钉子”来自于宇宙微波背景辐射的发现。宇宙微波背景辐射曾作为大爆炸理论的一部分被预测,但在稳定状态理论中完全没有存在的理由。

1972年,史蒂文·温伯格谈到反对稳态宇宙学的证据时说:“从某种意义上说,这种分歧是模型的功劳。在所有宇宙学中,只有稳态模型作出如此明确的预测,以至于即使在我们掌握有限的观测证据的情况下,它也可能被推翻。”

准稳态理论

以准稳态理论的形式探索稳态理论的科学家仍在继续。它在科学家中并不被广泛接受,许多对它的批评也没有得到充分的解决。

相关文章