对宇宙学原理的再解释

 

     在我的博文《为什么需要宇宙学原理？（一）、（二）、（三）》及《宇宙膨胀是什么在膨胀?和为什么膨胀?》之中，我曾试图解释宇宙学原理的合理性，但解释得还不透彻，而且有些解释不够恰当，因此我便再写这篇博文来作为补充。首先要指出，宇宙学原理是宇宙学中的一个基本假说，它不是从理论上推导出来的，它只能由观测来验证；虽然如此，但也可以对宇宙学原理的合理性作一些解释。例如可以把宇宙学原理解释为哥白尼原理的推广（哥白尼首先认识到地球不是宇宙的中心，以后天文学家又认识到太阳系、银河系、本星系团、...都不是宇宙的中心,这就是哥白尼原理; 把它推广到整个宇宙,便是宇宙学原理)。又如我的博文《为什么需要宇宙学原理？（二）》中所述也是对宇宙学原理之合理性所作的一种解释。其次要指出，宇宙学原理等效于宇宙的物质场被视为理想流体，何以等效？这在文献[1]中讲的很详细，为节省篇幅，本文就不多讲了；以后我们对‘宇宙学原理’和‘宇宙的物质场被视为理想流体’这两个概念常彼此对换。

     在银河系内部，物质在空间的分布，显然不是均匀的也不是各向同性的。研究宇宙学的学者曾猜想，若以星系为单元（在前几篇博文中，我曾把‘单元’写成‘单位’，应改称单元较为恰当），宇宙中的全部星系在空间的分布，或许可能是均匀的和各向同性的。这种猜想可以这样直观想象：把宇宙中的星系在同一时刻‘拍照’在一‘三维的相片’中，相片的大小不变，但空间范围不断扩大致使星系数目不断增加，因之在相片中每一星系的体积不断缩小以致可以用一个质点来代替一个星系，这个质点的质量应等于该星系的质量，这个质点的位置大致位于该星系的质心。在上述‘三维的相片’中，当代表各星系的质点非常密集时，便可把宇宙的物质体系看成是流体。至于是理想流体还是非理想流体？则是无法推导出来的，只能由观测事实来决定。

     在宇宙学中，至今为止，绝大多数学者假定可把宇宙的物质体系看成是理想流体，即假定宇宙学原理是正确的。但天文观测表明,以星系或以星系团为单元，把宇宙作为整体来考虑,严格的宇宙学原理都不成立。现在有些学者主张以空洞及其周围的星系为单元，把宇宙作为整体来考虑；这样考虑，宇宙学原理是否成立？尚无定认。即使以空洞及其周围的星系为单元，严格的宇宙学原理仍不成立；由于天文观测已说明，宇宙空间很可能是无限的，我们还有可能去考虑比一个空洞及其周围的星系更大的单元。此外还可以考虑对宇宙学原理的修正，例如用非理想流体代替理想流体，等等。必须强调，从理论上不可能肯定宇宙学原理是正确的，从理论上也不可能肯定宇宙学原理是不正确的，一切都得由观测事实来决定。既然观测事实尚不能决定宇宙学原理是完全不正确的，有什么充足的理由要扬弃宇宙学原理呢？

必须强调宇宙学是把宇宙当作一个整体来研究的，不研究宇宙整体就没有宇宙学。宇宙学原理对研究宇宙整体能起很大的作用，例如对下述一些问题：宇宙的这一部分和那一部分在结构上是否大致相同？若宇宙的这一部分全是正物质，是否那一部分全是反物质？宇宙的这一部分暗能量与暗物质的百分比是否同那一部分暗能量与暗物质的百分比相等？… 有了宇宙学原理就很易于回答，没有宇宙学原理，除非你去过或详细观测过宇宙这两部分，否则不可能回答。虽然宇宙学原理也可能是错的，但借助它逐渐修正错误，找出规律，总比把它扬弃，瞎摸索一翻较有利吧。

最后，对我的博文《为什么需要宇宙学原理？（一）》中的一个错误作些修正。在这篇博文中我曾说：“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必为均匀和各向同性的”，这句话是是对的。但接下来的一大段话似乎是在说：“如果星系之间，引力相互作用不能忽略不计，则全部星系的质心在空间的分布就不可能是均匀和各向同性的了”（没有明说，有这种意思),这样就说错了。因为理想流体的内各部分之间是存在相互作用力的（表现为压强），因此，虽然星系之间存在引力相互作用，宇宙的物质场仍可能被视为理想流体，即宇宙学原理仍有可能成立。

 

参考文献

[1] Weinberg S. 1972, “Gravitation and Cosmology”, Wiley, New York.

 

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