宇宙学的三个不变性原理

宇宙起源的大爆炸理论是宇宙学的主流理论，但很多有科学兴趣的网友不认同宇宙大爆炸理论，他们指出了这一理论的荒诞不经和逻辑混乱。从最小的宇宙或量子宇宙到最大的宇宙或相对论宇宙，宇宙体积遵循科学哲学的递增原理，反之，从最大的宇宙或相对论宇宙到最小的宇宙或量子宇宙，宇宙体积遵循科学哲学的递减原理。天文学家观测到了我们的宇宙正在变得越来越大的天文奇观，从量子时空扩张到了目前大约直径930亿光年的宇宙球体，天文学家使用了高分辨率的望远镜，对十分遥远星系的距离进行了测量和计算，大部分星系都在作远离观测者的径向运动。广义相对论是宇宙大爆炸学说的理论基础，哈勃定理、现代天文的测距技术和宇宙微波背景辐射的发现是宇宙大爆炸理论的观测依据。

宇宙大爆炸理论的创立者伽莫夫预言了宇宙背景辐射的遗存，两位无线电通讯工程师彭齐亚斯和威尔逊在一项卫星通讯的实验中发现，宇宙中存在各向一致性的背景噪声，背景辐射的温度为2.7K，物理学家通常称为3K宇宙背景辐射。对宇宙学“一窍不通”的彭齐亚斯和戚尔逊凭借“物理世界奇遇记”获得了1978年的诺贝尔物理学奖，对物理学和宇宙学精益求精的伽莫夫在1946年提出了宇宙大爆炸理论，当时受到了主流学界的冷嘲热讽，1968年8月20日，美籍俄裔物理学家和天文学家伽莫夫去世，1904年出生于乌克兰敖德萨的伽莫夫发表过代表性的科普著作《物理世界奇遇记》，但过早去世使得他错失了诺贝尔物理学奖的机会，这不是他留给科学界的遗憾，而是科学界留给他的缺憾。

科学哲学的等效原理在宇宙学和宇宙哲学中表现为不变性原理，宇宙学和宇宙哲学的“三个不变性原理”分别是暗能量密度、时空粒子密度和真空能量密度的不变性原理，简要说来，在宇宙膨胀或时空扩大的过程中，暗能量的密度、时空纤维的密度、真空量子涨落的能量密度没有发生任何的变化。暗能量和真空能量密度的不变性意味着宇宙总的暗能量和总的真空能量呈现加速增长的趋势，这似乎违背了能量的守恒定律，时空纤维或时空粒子密度的不变性意味着宇宙总的时空纤维或总的时空粒子呈加速上升的趋势，这似乎违背了物质的守恒定律，宇宙大爆炸理论只有假定，总的暗能量和总的真空能量、总的时空纤维或时空粒子都是在宇宙大爆炸的最初时刻产生的。

什么是暗能量密度的不变性？在恒星和星系、星系云和星系团内以及在宇宙背景辐射中储藏的宇宙能量与在宇宙时空中潜藏的暗能量有一个本质的区别，总能量的密度随着宇宙的膨胀或空间的扩大呈现下降的趋势，宇宙中物质和能量的聚集方式变得越来越稀薄，稀少到每立方米的空间装不进几个微小的原子。暗能量的密度随着宇宙的膨胀或空间的扩大保持不变，天体物理学家在宇宙大爆炸理论模型的研究中发现，从过去的大约70亿年到现在，暗能量的某种斥力作用推动了宇宙的膨胀，暗能量密度的不变性意味着总的暗能量和宇宙空间接同一比例扩大。暗能量密度在早期宇宙发生过变化，在遥远的未来宇宙可能重新发生变化，宇宙的未来取决于暗能量密度随时间流动出现的变化性，而暗能量密度特殊性的奥秘有待未来科学家的破解。

什么是时空结构？2021年7月7日，本作者发布了文章“时空纤维由时空粒子编织而成”，2021年7月12日，本作者发布了文章“物质和时空粒子的相互作用产生引力波”。两篇文章的主题相当于提出了新科学哲学的两个预言，一个是时空纤维或时空结构由时空粒子构成；一个是时空粒子的振动产生了引力波。前一个预言有广义等效论的哲学基础，物质粒子和时空粒子适合科学哲学存在论的等效原理，后一个预言有科学发现的基础，科学家不仅发现了中子星和黑洞弯曲了周围的时空、光线在恒星周围的穿越出现弯折、陀螺仪轴线在近地太空产生了偏转，而且在2016年首次公布了对引力波信号的检测结果。引力波好似时空海洋的涟漪，暗物质可能由暗物质粒子组成，时空结构可能由时空粒子组成，可以把时空粒子定义为“爱因斯坦粒子”，爱氏对引力波的预言相当于同时预言了“引力子”，引力波和引力子的共生性适合科学哲学的不可分割原理或互补原理。

时空结构受引力的影响，广义相对论对引力现象进行了时空弯曲的解释，物质场使得四维的时空结构发生了弯曲或扭曲的变形。霍金和彭罗斯等天体物理学家证实，当一个有质量的物体体积无限收缩到零时，无限大的引力将把任何一个有质量的物体变成一个奇点，在奇点周围形成了黑洞，奇点周围的时空弯曲导致了连光也无法逃避的程度。天文学家多次在中子星附近观测到了时空扭曲现象，在中子星周围出现了含铁元素气体的拖尾线形或环状气云。天文学家最早在日食的观测中证实，光线在太阳周围穿行时产生了偏折。1976年，美国宇航局的科学家在空间陀螺仪的实验中发现了时空的扭转，陀螺仪轴线出现了预期的倾斜。天体旋转对四维的时空结构产生了扭曲作用，空间科学家发现，卫星的轨道稍许偏离了地球轨道，地球的自转可能对周围时空产生了微小的扭曲，越靠近地球，时空结构的扭曲越明显，反之，越远离地球，时空结构的扭曲越暗淡。

到目前为止，物理学家没有发现和宇宙学常数对应的暗能量，却在理论和实验中发现了和宇宙学常数有关的真空能量，量子场论揭示了真空的非零或某种最低的能量状态，“真空零点能”产生于真空的量子涨落。荷兰物理学家卡西米尔认为，在真空的量子涨落中不断产生了各种虚粒子对，它们不断地产生、湮灭和相互转化，制造了量子世界的真空涨落现象，真空中的“卡西米尔效应”或“卡西米尔力”通过量子涨落理论得到了解释。按照量子场论的计算，真空的能量密度为每立方厘米2×10的103次方焦耳，但通过天文观测和计算得到的真空能量密度为每立方厘米2x10的负17次方焦耳，二者的差距达到了120个数量级。现代的量子技术已允许物理学家从真空中提取正电子、反质子和反中子等粒子，在真空中留下对应的反粒子。