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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标 题: [转载] 我的物理哲学之路－潘根(11)
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun May 11 14:57:26 2003) , 转信
十二、在宇宙学上走过的路
１９６２年至２０００年．
上述不彻底的统一场论应当算是带有一定突破性意义的进展，但我还是决定
暂不公布，并且让它搁置了３９年．这是因为要考虑以下两个因素：
１）引－电统一场论不可能不涉及引力场，引力场总是要占据整个宇宙空间
的，这就必须同宇宙模型联系起来，不同的宇宙模型要求引－电统一场论采用不
同的形式．本理论既然是以复质量守恒原理为基本假设之一，那就意味着已经认
定宇宙是无限的，不得不批评爱因斯坦的宇宙有限论．一个尚未毕业的大学五年
级学生，居然要批评全球的头号权威，有哪个杂志敢发表这种文章？
２）爱因斯坦在１９１８提出的统一场论是要求“把力学、电动力学和量子
力学统一在单一的逻辑体系里”，如何用逻辑方法导出量子力学？这个问题困扰
了我３９年，直到２０００年７月才取得全线突破．
对于我来说，宇宙学问题已在心里有底，只存在如何说服别人的问题；而在
量子力学问题方面，还完全不知该从何处入手．因此决定：先将宇宙学方面已完
成的工作以及引－电统一场论所需的逻辑框架分阶段发表．我注意到：爱因斯坦
在论证有限无界宇宙模型时只使用了引力佯谬，未提光度佯谬问题．心想：如果
文章里要驳引力佯谬，那么，审稿人只要知道作者是学生，就能轻松地以“爱因
斯坦”这个名字为真理的判据来下结论了．因此，我决定先把光度佯谬当做孤立
的专题抽出来撰文，完全不提引力佯谬问题，也完全不提宇宙是否有限的问题．
１９６２年５月，我把题为《对奥伯斯佯谬的新探讨》的论文寄了出去，不
久退回．审稿人的意见有两条：
①文中的指数衰减律正是早已被否定的光子老化假说．
②文中未给出宇宙空间物质吸收系数β的具体数值，因而无法与观测对照．
审稿从来就是相互的，作者对审稿人写的评语也是要审查的．我的评论是：
１．光子老化假说是说光子在运动过程中能量不断减少，波长变大，表现为
红移．我文章里的指数衰减律是说星光在传播过程中必然会被宇宙尘埃之类的物
质吸收掉一部分，使光子数减少，光强度变弱，这与红移问题风马牛不相及．
.18.
２．我确实未给出β的具体数值，确实无法与观测对照．如果能给出β的具
体数值，当然是最好．但这个要求实在是过分苛刻了．宇宙即使不是无限大，也
已是大到无法对β作直接测量的程度．奥伯斯佯谬说天空亮度是无限大．我虽未
给出β的具体数值，但已给出β的理论公式，已经肯定β大于零，从而肯定天空
亮度不可能是无限大．虽说是定性的判断，但把无限大纠正为有限大，这是质变
性的定性．探索性工作哪能像工程上那样按现成的格式来设计图纸？爱因斯坦在
探索宇宙模型时所给出的空间曲率ｋ不也是抽象的代数符号吗？后来，他虽然以
西利格用超距观点导出的引力佯谬为基本论据，选择了ｋ＞０，但还不是具体数
值．最后定出ｋ＝１，那是用猜测法，惟一的理由是：ｋ＝１是最简单、最优美
的专题抽出来撰文，完全不提引力佯谬问题，也完全不提宇宙是否有限的问题．
１９６２年５月，我把题为《对奥伯斯佯谬的新探讨》的论文寄了出去，不
久退回．审稿人的意见有两条：
①文中的指数衰减律正是早已被否定的光子老化假说．
②文中未给出宇宙空间物质吸收系数β的具体数值，因而无法与观测对照．
审稿从来就是相互的，作者对审稿人写的评语也是要审查的．我的评论是：
１．光子老化假说是说光子在运动过程中能量不断减少，波长变大，表现为
红移．我文章里的指数衰减律是说星光在传播过程中必然会被宇宙尘埃之类的物
质吸收掉一部分，使光子数减少，光强度变弱，这与红移问题风马牛不相及．
.18.
２．我确实未给出β的具体数值，确实无法与观测对照．如果能给出β的具
体数值，当然是最好．但这个要求实在是过分苛刻了．宇宙即使不是无限大，也
已是大到无法对β作直接测量的程度．奥伯斯佯谬说天空亮度是无限大．我虽未
给出β的具体数值，但已给出β的理论公式，已经肯定β大于零，从而肯定天空
亮度不可能是无限大．虽说是定性的判断，但把无限大纠正为有限大，这是质变
性的定性．探索性工作哪能像工程上那样按现成的格式来设计图纸？爱因斯坦在
探索宇宙模型时所给出的空间曲率ｋ不也是抽象的代数符号吗？后来，他虽然以
西利格用超距观点导出的引力佯谬为基本论据，选择了ｋ＞０，但还不是具体数
值．最后定出ｋ＝１，那是用猜测法，惟一的理由是：ｋ＝１是最简单、最优美
的方案．玻尔兹曼关于熵与热力学概率的对数成正比的著名公式，起初连一个抽
象的比例系数也没有给出，完全是定性的．如今人们看到的比例系数ｋ，那是隔
了二十多年之后由普朗克引入的．物理学中的许多基本常数，有哪一个是由提出
常数的人亲自测出的？β的具体数值是多少，应当是天文台的测量任务．科学事
业是社会性的，现代科学更是需要通过社会协作来逐步完善．诚如恩格斯在研究
科学发展史后所得出的结论：只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说．
退稿后，我未考虑答辩．心想：换一个人审，估计不会再提出光子老化，但
还会要你拿出β的具体数据来．这是由中国学术界的“不许假说问世”的“慎重
观”决定的，不是哪一个人的问题，而是有广泛社会基础的窒息性传统观念．
文革期间，觉得社会正处于由“测不准关系”支配的时期，因而未参加任何
群众团体．一门心思攻量子力学和统计力学，终于在文革结束后不久的１９７７
年用统计方法得到了β的具体数值．１９７８年５月在本校科学报告会上再次提
出充实了新内容的论文，但仍回避引力佯谬，最初的题目是《对奥伯斯佯谬和宇
宙背景辐射的新探讨》．戴文赛教授在病危期间两次嘱咐“赶快发表”．有人提
醒我：“还应当考虑引力佯谬．”使我意识到引力佯谬问题无法回避，于是立即
在文章里加了一节，将题目改为《对奥伯斯佯谬、西利格佯谬和宇宙背景辐射的
新探讨》，于１９７９年１月寄出．该文因编委会里有两派意见而搁浅．
１９８０年１０月，中国科技大学的副校长、宇宙学家方励之教授到我校讲
学，介绍并发挥老子的“道生一”和“有生于无”的哲学思想，阐述大爆炸宇宙
论的哲学意义．“一”是指“至大无外的大一”，即宇宙；至于“道”，老子说
它是“先天地生”的．方励之教授把“道”解释成“物理规律”．
散会时，我把自己的宇宙学论文手稿赠给了他，并提醒他：“奥伯斯的光度
佯谬中完全未考虑‘星球和宇宙尘埃都具有体积’这个无可争议的事实，人为地
使天空亮度的理论值变成为无限大．”他回答说：“即使考虑体积，也还是无济
于事．如果过去的时间已经是无限大，那么现代宇宙就应当是处于热平衡态，整
个天空到处都会像恒星表面一样明亮，还是与观测不符．”
光度佯谬的早期提法是以光度学平方反比定律为理论依据，该经验定律是早
已得到人们公认的，因而早期提法必须认真对待．对于光度佯谬的现代提法，我
本来并未给予重视，因为它是以宇宙热寂论为理论依据，而热寂论本身是至今尚
有争议的问题，不能拿来当做论据．但是，既然现代宇宙学掌权派坚持以热寂论
为论据，那么光度佯谬就仍然是悬案．对于宇宙无限论来说，两个佯谬中只要有
一个能够成立，就足以致命，因而不能不讨论“宇宙是否可能热寂”的问题．
我和方励之先生只交谈了几分钟，但这几分钟的谈话使我回家后思考了整整
一通宵．就是在那个不眠之夜，我构思了以下两个理想实验：
.19.
１）“大爆炸实验”．该理想实验是模仿宇宙大爆炸，但只着眼于熵，因而
无必要考虑物质成分的变化．设想一团理想气体原先被约束在小区域内，某时刻
突然发生爆炸，出现与宇宙大爆炸有点类似的景象．然后利用理想气体熵的公式
进行计算，结果表明：如果宇宙无限，那么宇宙就无终态，宇宙熵无极限，熵增
加原理不能适用于无限宇宙；如果宇宙有限，并且有固定的边界，那么就能达到
热寂，但熵增加原理也只能保证在接近于平衡态时才成立(见《述评》 p.276)．
佯谬中完全未考虑‘星球和宇宙尘埃都具有体积’这个无可争议的事实，人为地
使天空亮度的理论值变成为无限大．”他回答说：“即使考虑体积，也还是无济
于事．如果过去的时间已经是无限大，那么现代宇宙就应当是处于热平衡态，整
个天空到处都会像恒星表面一样明亮，还是与观测不符．”
光度佯谬的早期提法是以光度学平方反比定律为理论依据，该经验定律是早
已得到人们公认的，因而早期提法必须认真对待．对于光度佯谬的现代提法，我
本来并未给予重视，因为它是以宇宙热寂论为理论依据，而热寂论本身是至今尚
有争议的问题，不能拿来当做论据．但是，既然现代宇宙学掌权派坚持以热寂论
为论据，那么光度佯谬就仍然是悬案．对于宇宙无限论来说，两个佯谬中只要有
一个能够成立，就足以致命，因而不能不讨论“宇宙是否可能热寂”的问题．
我和方励之先生只交谈了几分钟，但这几分钟的谈话使我回家后思考了整整
一通宵．就是在那个不眠之夜，我构思了以下两个理想实验：
.19.
１）“大爆炸实验”．该理想实验是模仿宇宙大爆炸，但只着眼于熵，因而
无必要考虑物质成分的变化．设想一团理想气体原先被约束在小区域内，某时刻
突然发生爆炸，出现与宇宙大爆炸有点类似的景象．然后利用理想气体熵的公式
进行计算，结果表明：如果宇宙无限，那么宇宙就无终态，宇宙熵无极限，熵增
加原理不能适用于无限宇宙；如果宇宙有限，并且有固定的边界，那么就能达到
热寂，但熵增加原理也只能保证在接近于平衡态时才成立(见《述评》 p.276)．
２）“热寂实验”．假定宇宙无限，并假定已处于热寂状态．系统处于平衡
态时，应当是在热作用、机械作用和质量作用三方面都达到平衡，与这些相互作
用分别对应的强度量温度、压强和化学势都不可以具有梯度，意味着所有的物质
都均匀地分布在整个宇宙空间．这种情况正是爱因斯坦设想过的静态宇宙．由于
存在引力相互作用，所以这种平衡只能是属于不稳定平衡，是不可能持久的．根
据金斯不稳定理论，这种系统必然自发分裂，然后其碎片在引力作用下收缩，势
能转化为动能，造成温度差，甚至引起化学反应、核反应，意味着力平衡、热平
衡、化学平衡全部消失．这就表明，熵增加原理不能适用于整个宇宙．
上述两个理想实验，分别从正、反两个方面排除了宇宙热寂的可能性．“热
寂实验”是对“大爆炸实验”的重要补充，但忘了把它写入《述评》，现在觉得
这是一个令人遗憾的疏忽．上述两个理想实验还表明：即使是有限大小的孤立系
统，当它离开平衡态很远时，它的熵并不是单调地增加．这就向人们提出一个问
题：即使对于有限大小的孤立系统来说，熵增加原理是否总能无条件地成立？
熵增加原理被认为是热力学第二定律的数学表述，后者是经验定律．我注意
到，该定律所依赖的实验都是在地球表面附近的实验室的尺度内完成的，实际上
未考虑引力场所能引起的效应．如果把范围扩大，疑点就出现了．例如，地球物
理学家们已经计算过地球的引力场在地表附近的大气中所引起的压强梯度和温度
梯度(见艾伦《物理量与天体物理量煌爬硐肫逶缺辉际谛∏蚰冢呈笨?
突然发生爆炸，出现与宇宙大爆炸有点类似的景象．然后利用理想气体熵的公式
进行计算，结果表明：如果宇宙无限，那么宇宙就无终态，宇宙熵无极限，熵增
加原理不能适用于无限宇宙；如果宇宙有限，并且有固定的边界，那么就能达到
热寂，但熵增加原理也只能保证在接近于平衡态时才成立(见《述评》 p.276)．
２）“热寂实验”．假定宇宙无限，并假定已处于热寂状态．系统处于平衡
态时，应当是在热作用、机械作用和质量作用三方面都达到平衡，与这些相互作
用分别对应的强度量温度、压强和化学势都不可以具有梯度，意味着所有的物质
都均匀地分布在整个宇宙空间．这种情况正是爱因斯坦设想过的静态宇宙．由于
存在引力相互作用，所以这种平衡只能是属于不稳定平衡，是不可能持久的．根
据金斯不稳定理论，这种系统必然自发分裂，然后其碎片在引力作用下收缩，势
能转化为动能，造成温度差，甚至引起化学反应、核反应，意味着力平衡、热平
衡、化学平衡全部消失．这就表明，熵增加原理不能适用于整个宇宙．
上述两个理想实验，分别从正、反两个方面排除了宇宙热寂的可能性．“热
寂实验”是对“大爆炸实验”的重要补充，但忘了把它写入《述评》，现在觉得
这是一个令人遗憾的疏忽．上述两个理想实验还表明：即使是有限大小的孤立系
统，当它离开平衡态很远时，它的熵并不是单调地增加．这就向人们提出一个问
题：即使对于有限大小的孤立系统来说，熵增加原理是否总能无条件地成立？
熵增加原理被认为是热力学第二定律的数学表述，后者是经验定律．我注意
到，该定律所依赖的实验都是在地球表面附近的实验室的尺度内完成的，实际上
未考虑引力场所能引起的效应．如果把范围扩大，疑点就出现了．例如，地球物
理学家们已经计算过地球的引力场在地表附近的大气中所引起的压强梯度和温度
梯度(见艾伦《物理量与天体物理量》 p.151)，这就带来了这样的问题：如果没
有温差，则压强梯度所应引起的漂移效应原则上可由引力作用来平衡；但温度梯
度是不可避免的，必然引起热扩散，这是引力场阻止不了的；压强梯度和温度梯
度有着相同的方向，因而不能指望单纯地利用压强梯度来与热扩散抗衡；惟一可
以考虑的方案是，让引力作用超过压强梯度引起的效应，相消一部分以后，使压
强的余下部分具有反向的梯度，但这种方案仍然无效，因为压强是与分子热运动
速度的一次方成比例，而温度是与分子热运动速度的平方成比例，所以热平衡和
力平衡根本不可能同时出现．
根据热力学的现有理论，系统只有在热平衡、力平衡和化学平衡都实现之后
才算是到达了平衡态，这时，系统内的温度差、压强差和化学势差都为零．这种
平衡态确实已被人们无数次地观察到了，但都是在引力效应可以忽略的条件下观
察到的．一旦引力效应不容忽略，那么就不仅温度差和压强差不可避免，甚至还
会出现化学势差，因为在压强和温度足够高处将会发生相变、化学反应以致核反
应．所以，单凭引力场的效应这一点，就完全可以肯定：不论宇宙是否有限，都
是在任何情况下都根本不可能到达热寂状态．
我审查了熵增加原理的推导过程，注意到：
１）克劳修斯是利用可逆循环导出熵(见《述评》 p.269)，这就表明，他只
是给平衡态的熵下了定义．从逻辑上讲，平衡态可以看作是非平衡态的极限，因
而由非平衡态的运动规律原则上可以推出平衡态的规律，可惜这个命题是不可逆
的．逻辑结论只能是属于逻辑前提中已经隐含的东西．因此，由平衡态的熵导出
.20.
非平衡态的熵(即广义熵)是违背形式逻辑的基本原则的．
２）尽管逻辑上不允许由平衡态的熵导出广义熵，但事实上以往的教科书里
都已经导出了广义熵(见《述评》 p.271)．这就奇怪了．仔细一看才发现：以往
强的余下部分具有反向的梯度，但这种方案仍然无效，因为压强是与分子热运动
速度的一次方成比例，而温度是与分子热运动速度的平方成比例，所以热平衡和
力平衡根本不可能同时出现．
根据热力学的现有理论，系统只有在热平衡、力平衡和化学平衡都实现之后
才算是到达了平衡态，这时，系统内的温度差、压强差和化学势差都为零．这种
平衡态确实已被人们无数次地观察到了，但都是在引力效应可以忽略的条件下观
察到的．一旦引力效应不容忽略，那么就不仅温度差和压强差不可避免，甚至还
会出现化学势差，因为在压强和温度足够高处将会发生相变、化学反应以致核反
应．所以，单凭引力场的效应这一点，就完全可以肯定：不论宇宙是否有限，都
是在任何情况下都根本不可能到达热寂状态．
我审查了熵增加原理的推导过程，注意到：
１）克劳修斯是利用可逆循环导出熵(见《述评》 p.269)，这就表明，他只
是给平衡态的熵下了定义．从逻辑上讲，平衡态可以看作是非平衡态的极限，因
而由非平衡态的运动规律原则上可以推出平衡态的规律，可惜这个命题是不可逆
的．逻辑结论只能是属于逻辑前提中已经隐含的东西．因此，由平衡态的熵导出
.20.
非平衡态的熵(即广义熵)是违背形式逻辑的基本原则的．
２）尽管逻辑上不允许由平衡态的熵导出广义熵，但事实上以往的教科书里
都已经导出了广义熵(见《述评》 p.271)．这就奇怪了．仔细一看才发现：以往
教科书里实际上是利用早期热质说中的热质守恒定律来推导的，而热质守恒定律
只有在机械作用和质量作用都不存在时才能成立(见《述评》 p.272)，所以如此
得到的熵增加原理只能保证在系统已经接近于平衡态时才是靠得住的．
这样看来，把熵增加原理说成是热力学第二定律的数学表述，并不是完全正
确的．确切地说，应当是：熵增加原理是热力学第二定律在近平衡条件下特有的
数学表述．它不能成为宇宙热寂论的依据
１９８６年，在华东六省一市物理学会联合年会上，我第三次提出《对奥伯
斯佯谬、西利格佯谬和宇宙背景辐射的新探讨》．此后《天文学报》编委会表达
了准备发表的意向．我研究宇宙学，是为了替引－电统一场论选定空时框架，既
然我的宇宙观即将与读者见面，那么引－电统一场论所需的逻辑框架就也该是到
了应当让读者初步了解一下的时候了，心想：“第一步应当是要让读者熟悉一下
逻辑框架．如果一开始就提出负质量、虚质量之类的概念，那就又不知道要搁浅
多少年．从策略上考虑，最好以电磁理论教学研究的名义发表．”于是写了一篇
题为《略论电磁理论的基本假设和逻辑体系》的论文．高教出版社的编审胡南奇
教授立即来函，表示“非常欣赏”．于是，该文和上面提到的宇宙学论文都是在
１９８７年分别在《教材通讯》和《天文学报》上与读者见面，后者立即被国外
期刊 《Chinese Astronomy and Astrophysics》全文译载．
１９８８年，我开始考虑建立自己的宇宙模型．我注意到：尽管大爆炸宇宙
模型能提供一幅合乎情理的宇宙演化(不是指“宇宙起源”)的图像，但它在反物
质、宇宙射线的来源、γ射线大爆发等方面遇到的困难是无法排除的．１９９６
年，我在研究了黑洞理论之后，就发现那些问题在宇宙无限框架内是很容易解释
的，于是提出“岛－洞宇宙模型”，但论文受阻．这时才意识到：功利问题不是
政界特有的，只要传统的“文责共负”的观念未能被“文责自负”取代，就不能
指望让反潮流的学术论文在学术杂志上与读者见面．每个时代都有占统治地位的
学说，在不同的时代以不同的方式扼杀异端．所以，在人类只知道有理数的时代
里，毕达哥拉斯的门徒竟因利用三角形证明了无理数的存在而被抛入大海；在中
世纪，哥白尼的日心说只能秘密出版；在封建社会向资本主义社会过渡时期，赫
姆霍兹的能量守恒原理只能自费出版，鲍耶的非欧几何只能以数学游戏的名义放
在书的附录里出版．血淋淋的科学史提醒了我，使我于２０００年作出决定：把
自己的宇宙模型放在教材正文后面的探索篇里，让后人评说．
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