为什么需要宇宙学原理？

大家知道，宇宙学原理是建立“大爆炸宇宙学”的理论基础之一；它也是我在《一个可能不存在‘大爆炸’的宇宙模型》那篇博文中，所介绍之修改的宇宙模型的理论基础之一；在以牛顿力学为根据的、可近似描述宇宙膨胀的牛顿宇宙学中, 物质在空间的分布仍然是假定为均匀和各向同性的[1]，即牛顿宇宙学也仍然采用了宇宙学原理作为其理论基础之一。为什么这些出发点和结论都不相同的宇宙学竟然都采用宇宙学原理作为它们的一个理论基础呢? 这是因为宇宙学原理反映了宇宙学的一个重要规律: 空间是均匀和各向同性的。这个规律必然会在天文观测的事实中和宇宙演化逻辑关联中表现出来；以下我将分别从这两方面来加以说明。本篇博文先谈天文观测的事实，下篇博文后谈宇宙演化中的逻辑关联。

 

天文观测的事实

有如下一些天文观测的事实：1），大尺度空间内星系或星系团的分布，2），射电源的计数，3），微波背景幅射强度的测定，大体上是符合宇宙学原理的。

最早是以大尺度空间内星系分布的计数来验证宇宙学原理的，后来发现用微波背景幅射来验证宇宙学原理，精确度更高。

如果空间是均匀和各向同性的，若再假定物质之间不存在引力相互作用（物质之间的引力相互作用可使两部分物质彼此接近，否则彼此不能接近），但物质可影响时空的几何性质（时空的几何性质反过来也可影响物质的运动，这种特性与物质之间的引力相互作用是两种不同的概念，留在以后再讨论），则由对称性可推知，物质在空间的分布必为均匀和各向同性的。

可是物质之间存在引力相互作用和其它相互作用, 因之星系之内便构成各种天体,包括恒星、双星、星团、星云、分子云、星际尘埃、宇宙线、星际磁场等等。如果星系之间，引力相互作用可忽略不计，则全部星系的质心在空间的分布（这就是所谓大尺度空间内星系的分布的科学含义）必为均匀和各向同性的（在宇宙学中最早就是这样假定的）。但星系之间的引力相互作用不可忽略不计，致使星系可组成星系团，甚至星系团再组成超星系团。这样，在研究物质在空间的分布仍然是否为均匀和各向同性时，就必须用星系团的质心或超星系团的质心来代表星系团或超星系团。

可能有人认为，如果随着空间范围的扩大，上述‘成团’性的等级式结构也继续发生的话，则物质在空间的分布就不可能是均匀和各向同性的了，换句话说，宇宙学原理便不成立。对于“大爆炸宇宙学”，时间有起点，空间也可能有限，这种情况有可能出现，也是个大问题。可是，对于我所主张的修改的宇宙模型，这种情况却很可能不会出现；这是因为，在修改的宇宙模型中，时空是无限的，当等级式结构的级别越高时，同级天体之间的距离有可能大到使彼此之间的引力相互作用可忽略不计。当然，是否这样尚有待天文观测的事实来捡验。但可以肯定，目前还没有可靠的证据可以否定宇宙学原理。

微波背景幅射是“大爆炸宇宙学”的主要支柱，而不少观测结果说明，微波背景幅射以很高的精确度符合宇宙学原理。是否宇宙学原理可能是导致“大爆炸宇宙学”的原因之一？可以肯定，宇宙学原理与‘大爆炸’没有联系。我在《一个可能不存在‘大爆炸’的宇宙模型》那篇博文中所介绍之修改的宇宙模型，既采用了宇宙学原理，又不出现‘大爆炸’，就说明了这个问题；也说明了，要否定‘大爆炸’，并不需要否定宇宙学原理。

最近天文观测发现了几个有违宇宙学原理的现象，对于“大爆炸宇宙学”难以完满解释，我觉得用这些现象来否定‘大爆炸’是可以的；但若用它们来否定宇宙学原理，就须要深入探讨了。按照修改的宇宙模型，由于Lorentz 与Levi-Civita守恒定律，在适当条件下，在某一时刻，在局部空间中，是有可能创生出物质场能量的。这样，局部违背宇宙学原理的现象是可能发生的；宇宙学原理应理解为平均效应。

总之，天文观测的事实说明，在大体上宇宙学原理是成立的。

 

参考文献

[1] Plebanski J. , Krasinski A. 2006,“A introduction to general relativity and cosmology”，Cambridge University Press, New York.

 

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