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「量子化的」紅移現象顯示: 我們的銀河系是宇宙的中心

作者:

過去數十年間不斷湧現新證據,把人類恢復到神造的宇宙的中心。天文學家已經確認星系紅移的數值是“量子化的”,傾向於落入分離的小組。根據哈勃定律,星系紅移的大小與該星系到我們(銀河系【星河】)的距離成正比。因此,星系離我們的距離也會分成小組。這意味著所有的星系傾向於組成以我們的家鄉星系(銀河系)為中心的球狀殼。這些球狀殼之間的距離是一百萬光年的量級。只有在觀測位置與宇宙中心的距離小於一百萬光年的情況下才能觀測到清晰的紅移分組現象。地球處於宇宙中這樣一個獨一無二的位置的幾率小於一萬億分之一。由於大爆炸理論者預先假設宇宙有一個自然主義的開端,不可能有一個獨特的中心,所以他們一直為這個現象苦苦地尋求其它解釋,至今尚無明顯進展。這樣看來,紅移的量子化成為以下觀點的佐證:(1)反對大爆炸理論,(2)支持“河心說”(以銀河系【星河】為中心的宇宙學),就像金特立(羅伯特•金特立Robert Gentry)在一本書或我本人在《星光與時間》中所提出的。


1. 介紹

Figure 1
圖1:NGC4414是一個典型的漩渦狀星系。 距離我們大概六千萬光年(60百萬光年),直徑約十萬光年,包含了數千億顆恒星,跟我們銀河系比較相似。這個漩渦星系跟M31仙女座星系很相似。仙女座星系是位於北半球離我們最近的一個星系,距離我們約2百萬光年。

施禮佛(維斯托•斯裡弗Vesto Slipher)並不知道他正在發起一場反哥白尼的革命。大約一百年前在洛威爾天文臺(Lowell Observatory),施禮佛開始研究夜空中一些模糊的橢圓型物體的光線波長,這些物體當時被稱為白色星雲(white nebulae,nebulae是拉丁文的“雲”)。現在我們把這些白色星雲成為“星系”(galaxies,即希臘語的“乳白色”)。他能觀察到的最大最亮的星雲叫M31,位於仙女座(Andromeda)。圖1展示了一個類似的星系。像以前的天文學家一樣,1 施禮佛發現M31的波長譜線類似恒星的光譜,都包含了由氫(圖表2)、鈣和其他元素原子所發出的特徵譜線。

施禮佛找到了一種方法,能拍攝出比以往更加清晰的光譜圖像。借助這種方法,他能夠更加精確地測量光譜線中的波長。他發現來自M31的光波波長都比它們的正常值減少了0.1%。2 也就是說,譜線向整段光譜的藍端輕微移動了一些。天文學家也開始對其他星雲波長的變化現象進行了研究測量,到1925年為止,他們一共測量了45個星雲。3 結果有從-0.1%到+0.6%,平均值為+0.2%。正值反映了波長的增加,也就是說,(譜線)朝光譜的紅端移動,關於這點,圖2中已經有所說明,這就是我在上文中我們談及的紅移現象,這是本文的一個主題。

2. 哈勃定律

Figure 2
圖2. 理想化的星系光譜呈現的典型“吸收線”(在七色彩虹背景上的黑色線),這是由氫原子吸收光線後產生的。星系距離我們越遠,其黑色線向光譜紅色端的位移值就越大(對數比例)。

在1924年左右,大多數天文學家已經認為那些“白色星雲”位於銀河系之外。哈勃(愛德溫•哈勃Edwin Hubble)在威爾遜山天文臺(Mount Wilson Observatory)開始應用一種更準確的新方法,採用100英寸反射天文望遠鏡來計算這些“河外星雲”的距離。在完成之後,他開始印證了 “星雲越遠,紅移越大”這一普遍看法。在1929年,他發表了他的研究結果4 如圖3的歸納)。在圖中的趨勢線說明了光譜線的波長λ,和其位移值δλ,跟各個(河外)星雲與地球的距離r的比例關係:

Equation 1 (1)

這裡的c 代表光速,大約每秒30萬公里,H 是我們現在所稱呼的哈勃常數。這就是著名的哈勃定律,該定律說明了某些宇宙現象引起紅移,紅移值隨我們跟星系的距離增加而成比例地擴大。

哈勃的距離計算給我們的宇宙觀念帶來了一場革命。後來人們發現“白色星雲”類似於我們銀河系,每個這樣的星系由幾千億顆恒星組成,其直徑約有十萬光年。天文學家開始稱這些物體為“星系”。平均來說,每個星系彼此相隔至少1200萬光年(12百萬光年)。目前哈勃天文望遠鏡能觀察到150億光年(15十億光年)範圍以內的宇宙空間,而在這150億光年的宇宙空間中能觀察到數千億個這些的星系。

3. 膨脹紅移,不是多普勒位移

哈勃隨從施禮佛等人,把這種波長變化解釋為多普勒位移(Doppler Shifts),完全產生于光源相對於地球的速度v。這樣,在速度v遠遠小於光速c的情況下,波長位移可以近似地表述為:

Equation 2 (2)

因此,根據公式(1),在圖3中的趨勢線將對應星系飛離我們的速度v與他們和我們之間的距離r成正比關係:

Equation 3 (3)

然而其它因素也可以引起紅移。比如,愛因斯坦的廣義相對論指出:在一個膨脹的空間裡,隨著光線在其中被傳播的介質被拉伸,光線的波長也會被拉長。光源越遠,波長被拉伸得越大。所以紅移會隨距離增加。

Figure 3
圖3. 提取自哈勃1929年論文4中表格1的原始資料,展示紅移與距離的關係。每一個點代表一個星系的紅移和距離。 我已經將原圖表上的數量單位(百萬秒差距)轉換為我在本文中使用單位(百萬光年)。自1929年以來,天文學家已經重新校對了距離標度,所以目前接受的距離是原來的五到十倍。
Figure 4
圖4. 更多近期資料7支援在更大距離尺度下的哈勃定律。水平線代表塔利-費舍爾(Tully-Fisher)估量距離方法中的誤差範圍。我剔除了九個點(它們在趨勢線的左邊,被作者標記為“大吸引子【Great Attractors】區域的星群”)。同樣,我也將原圖上的數量單位(百萬秒差距)轉換為我在本文中使用單位(百萬光年)。本文注釋8引用的文獻第84-91頁提供了支援哈勃定律的其他資料。

今天,大多數的宇宙學家都相信圖3和圖4中的趨勢線代表這樣一種膨脹紅移(expansion redshift),而不是多普勒位移5,6。然而,天文學家仍然為了方便起見使用“等價速度”(equivalent velocity)來描述紅移,似乎它們是由多普勒位移引起的。不幸的是,這種做法誤導了公眾和媒體,甚至連天文學專業的本科生也會錯誤地認為這種紅移主要是由速度引起的。

圖4使用更多的最新資料展示了在超大距離範圍上的紅移與距離之間的關係7。趨勢線上的偏差不是由膨脹所引起,而是由其他現象引起,如多普勒效應。舉例而言,仙女座的M31星系似乎正以100公里/秒8的“當地”速度向我們的銀河系【星河】移動,產生了一個多普勒藍移,大於我們期待這個近鄰星系的膨脹紅移,因為它離我們僅2百萬光年之遙。

多年來,理論學家對宇宙紅移的傾向給出了其它的多種解釋9, 10, 11, 12, 13, 14。在過去的數十年裡,我研究了這些理論,但沒有找到一個令我滿意的。但是,在我注意到聖經的經文似乎支持空間膨脹之後,我對其他的紅移模型就再也沒有興趣了。以賽亞書40:22是一個範例:

“他鋪張穹蒼如幔子,展開諸天如可住的帳棚。”

聖經舊約中有十七段類似的經文15,用了四個不同的希伯來語動詞來表達“鋪張”或者“擴展”的意思。正如我在《星光與時間》16 一書所說明的,聖經中的“天”似乎是指空間本身,並不是指佔據空間的物體,比如太陽、月亮和星星。所以如果我們直接接受這些經文,那麼神是在說祂已經把空間的“布料”(fabric,代表質地、結構)鋪張開或者擴展開。這跟廣義相對論的空間膨脹思想非常吻合。通過幾個簡單的邏輯步驟,教科書中都展示出因膨脹而產生紅移。17這就是為什麼我認為膨脹是紅移的主要原因。

無論什麼原因,本文中所有談及的星系紅移都是大約與其距離成正比的,正如哈勃定律在等式(1)所示。

4. 提夫特(Tifft)觀察到量子化的紅移

天文學家經常將紅移值——波長變化的比例——用一個無量綱的數字z來表示:

Equation 4 (4)

星系的z值在原始資料中沒有顯現任何“優選值”(favored values)。然而在二十世紀70年代初期,美國亞裡桑那州圖桑市(Tucson, AZ)的斯圖爾德天文臺(Steward Observatory)開始將這些原始資料轉換成“功率譜”(power spectra),顯示出這些資料之間多麼經常地產生間隔。這種標準統計技術顯示出平時難以觀測到的規律,可以看見峰值在一些點超過雜訊。在這種情況下,雜訊的一個來源是 “局部”或“特別”的星系運動18。 提夫特驚奇地發現這些強峰值對應z值的間隔為0.00024,或0.024%。這意味著z值傾向於簇集在優選值附近,而優選值之間有相等的間隔,比如:

0.00000, 0.00024, 0.00048, 0.00072, 0.00096, …

如果用多普勒位移的術語來表述(如今的天文學家們經常如此),間隔值δz = 0.00024等同於“等價速度”的間隔值δv = 72公里/秒。19 後來,提夫特又發現另一個間隔值比較小的集組模式,大約36公里/秒。後續的觀察和文獻都繼續支持這種現象。在1984年,提夫特跟他的同事寇克(W. J. Cocke)一起查驗了1981年塔利-費舍爾(Talley-Fisher)對於光譜中無線電波(非可見光)部分的紅移的普查結果。這份結果列示了星系中氫原子發出的顯著的21釐米波長的紅移狀況。提夫特和寇克發現了“明顯的週期性”,是在72.45公里/秒的精確乘數(1/3和1/2),20 於是他們聲明:

“現在有非常肯定的證據表明:星系的紅移是量子化的,其主要間隔是72公里/秒。” 21

然而,在隨後十年裡一直有人懷疑他們的的結論,儘管提夫特不斷地在同行評審的刊物中發表文章,填補他的漏洞。22 , 23 後來在1997年,一個由衲毗葉(威廉•衲毗葉William Napier)和戈思銳(布魯斯•戈思銳Bruce Guthrie)主持的對250個星系的紅移狀況的獨立研究肯定了提夫特的基本觀察結果,他們說:

“紅移的分佈在以銀河系【星河】為中心(galactocentric)的參照系(frame of reference)中有明顯的量子化現象。這一現象顯而易見,不能歸因於統計誤差、挑選過程或者是錯誤的資料處理。已經發現了兩個以銀河系【星河】為中心的週期。一個是大約71.5公里/秒,在室女座星團(Virgo cluster);還有一個是大約37.5公里/秒, 在其他一切的在2600公里/秒(大概一億光年)之內的渦旋狀星系。目前這些研究結果都被高度肯定。” 24

“河心參照系”(galactocentric frame of reference)指的是以我們的銀河系【星河】為中心的一個靜態框架,補償了地球圍繞太陽的公轉以及太陽系圍繞銀河系【星河】的中心旋轉的因素,這樣顯示了更加清晰的量子化。在本文第七部分,我會進一步闡明“河心”(galactocentric)在參照系之外的意思。

衲毗葉和戈思銳的結果表明量子化至少會出現到中等距離,大即約一億光年的量級。其他證據,如哈勃天文望遠鏡的觀測結果,顯示出甚至在數十億光年的距離上也存在類似的紅移集組現象。25

Figure 5
圖5.哈勃定律將紅移的集組轉換為距離的集組。資料是理想化的,只演示一個觀察到的組間間隔。

在1996年,提夫特展示了通過考慮銀河系相對于宇宙微波背景輻射的運動進一步補償“河心系”紅移的重要性。26 ,27 微波的多普勒位移顯示出我們的銀河系正在以560公里/秒的速度向長蛇座(Hydra)的南邊移動。28 計入這種運動把“河心系紅移”轉換到一個相對于宇宙微波背景輻射是靜態的參照系裡,因此可以被假設為對整個宇宙都是靜態的。在這一參照系中紅移的集組就更加清晰分立。於是一些強度較小的週期成為可見的,比如2.6公里/秒,9.15公里/秒和18.3公里/秒。

或許由於這種(資料的)清晰,或許由於來自其他天文學家研究的驗證,批評者似乎已經不再質疑研究資料的可靠性了。似乎紅移的量子化——這一現象,而不是解釋它的理論——已經在四分之一個世紀的同行評審之後站住腳了。

5. 對(紅移)量子化的一個簡單解釋

在這一部分和下一部分,我打算闡述以下問題:(a) 紅移的分組對應距離的分組, (b)距離分組意味著星系處於以我們為中心的球狀殼上,而且 (c)這樣的分佈並非偶然。如果你想跳過一些數學細節,就只需看圖5到圖8,還有我在等式14後面對分析結果的討論。

Figure 6
圖6. 星系趨向於分佈在以我們的家鄉星系(銀河系【星河】)為中心的球狀殼上。球殼的間距是大約一百萬光年的量級,但是由於存在幾個不同的間隔,真實情況要比上面的理性化的圖片更複雜一些。
Figure 7
圖7.在第六部分使用的坐標系統。距離r′獨立於遠處星系的相對於位移軸的方位角(azimuth)ƒ。如果我們的星系遠離中心,從我們的位置看到的遙遠的星系集組會互相重疊,變成不可辨認。

根據哈勃定律,每個星系的紅移值的宇宙部分 z 對應一個特定的距離 r ,求解公式(1)可以得到距離:

Equation 5 (5)

對紅移分組的最簡單的解釋似乎是所對應的距離也分組,如圖5所示。對等式(5)求導數,就得出距離間隔δr與紅移間隔δz之間的關係:

Equation 6 (6)

如果用 “等價速度”的術語,紅移組群的速度間隔δv與距離間隔δr之間的關係是:

Equation 7 (7)

哈勃初始估算的哈勃常數H值是大約500【公里/秒】/百萬秒差距(1個秒差距【parsecond】等於3.2616光年),但是在天文學家重新校準了距離尺規之後,H值就大幅度減小。數十年前,H值一直浮動在50-100【公里/秒】/百萬秒差距之間。在過去十年裡,由於採用了更加精確的以空間(觀測)為基準的距離測量方法,這個值縮減到70-80【公里/秒】/百萬秒差距。29 讓我們用以下的值作為一個可行的估算資料:

Equation 8 (8)

將百萬秒差距轉換為我們更熟悉的距離單位之後,H值大致為23±1.5【公里/秒】/百萬光年,所以等式7變為:

Equation 9 (9)

於是,由衲毗葉和戈思銳提出的兩個紅移的間隔,37.5和71.5公里/秒,對應於距離間隔1.6和3.1百萬光年。

6.距離集組的意義

除了在被銀河系【星河】遮擋的方向,天文學家在所有其它的方向都觀察到大約同等數量的銀河外星系。如果某個紅移的集組代表一個星系距離的集組,簇集在離我們平均距離r1左右,那麼我們可以期待這些星系大約平均分佈在一個以我們為中心的半徑為r1的(概念上的)球狀殼上。第二組的距離是 r2 = r1 + δr,所以這些星系將會在第二個球殼上,與第一個球殼的距離為δr。圖6展示了這樣一種星系分佈。30

現在我要證明:我們能看到這樣一種距離分組的前提是我們的位置與這樣一個圖案的中心的距離小於100萬光年。如圖7所示,設想我們的星系與此中心的距離為a。根據餘弦定理(law of cosine),從我們的星系到另外一個星系的距離r′可以表述為:

Equation 10 (10)

這裡r代表另一個星系到中心的距離,而θ則是它的餘緯角(colatitude),就是從中心看該星系與位移軸之間的夾角。距離獨立於這個遙遠星系的方位角φ(環繞位移軸,在0-2π弧度之間)。所以儘管缺少第三個座標,以上分析在三維中仍然有效。當a遠遠小於r時,等式(10)可以近似為:

Equation 11 (11)

因為對於一個星系而言,餘緯度θ會在0-π弧度中隨意取值,對於任何已知半徑是r的球殼,r′的值在r – ar + a之間變動。如果a太大的話,那麼紅移的集組就會變成模糊不清,無法分辨。一個簡單的統計分析31顯示:r′依賴θ的標準差σθ是:

Equation 12 (12)

一個在任何球狀殼中的星系的半徑r的值也有統計分佈,並有一個標準差值σ,代表每個球殼的厚度。因此,根據統計學,32 的總標準差σ是:

Equation 13 (13)

如果σ明顯大於球殼之間的距離δr,這些紅移的集組就會互相重疊,變得難以分辨。即使在σr為零的情況下,假如σθ值大於δr,這些紅移的集組也會變成無法分辨。

圖8解釋了這種塗抹的情況。它展示了一個電腦類比的距離的分組,第一張圖的觀察點是在正中心,而第二張圖的觀察點是在離中心2百萬光年的位置。我選擇較小的σ值,使峰值更容易顯現。請注意遠離中心的結果是低處被填高,而峰值被拉平,導致很難從統計波動中辨認出分組來。

Figure 8
圖8. 電腦類比的我們的視角對星系的距離組群的影響。(a) 半徑的標準差是10萬光年,半徑方向的組間距離是160萬光年的模擬圖。(b) 從距離中心200萬光年的位置進行觀察的模擬圖。模擬圖b中的高低值與各組中星系數量較小時統計波動所產生出來的幾乎一樣大,所以真正的集組在雜訊中難以辨認。

這意味著,若要觀察到可分辨的紅移分組,我們必須靠近這些球狀殼的中心位置。根據等式13和其後的解釋,我們跟中心的距離a應該遠遠小於最小的觀測到的δr

Equation 14 (14)

因此,我們的家鄉星系到中心的距離必須小於在第五部分引用的δr值(1.6百萬光年)。使用最小的觀察到的間隔33會把我們放在離中心更近之處——相距大約10萬光年之內,這正是我們銀河系【星河】的直徑。

如果我們是碰巧地處在這個獨特的位置,其幾率P可以由體積的比率得出:

Equation 15 (15)

其中R 代表觀察到的宇宙的半徑,就算200億光年吧。取δ r 值為1.6百萬光年,得出的P 值為5.12 × 10-13。也就是說:我們的星系能碰巧這麼靠近宇宙中心的幾率將會小於一萬億分之一。

總而言之,觀察到的紅移量子化強烈地暗示宇宙有一個中心,而我們的星系離這個中心出奇地近!

7. 宇宙是以銀河系【星河】為中心的

要命名這個思想,我們需要提高“河心”(galactocentric)這個詞的地位,不像在第四部分僅被用於描述一個參照系。讓我們用這個詞來描述宇宙本身。這就是說,我們生活在一個以銀河系【星河】為中心的宇宙中——它的獨特的幾何中心非常靠近我們的家鄉星系,即銀河系【星河】。

正如我在第四部分結尾所提到的,宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background)的資料顯示我們的星系相對於這個宇宙的中心在移動。34我們的星系幾乎就在這個宇宙的中心點上,但不是相對它靜止不動。這與地心說(geocentrism)有別,後者認為地球位於宇宙的正中心,而且相對它靜止不動。35, 36 數位創造論者都提出過“河心說”(galactocentric)的宇宙學。37

天文學的技術性文獻幾乎完全忽略了“河心說宇宙學”作為一個對紅移量子化給出解釋的可能性。38 相反,世俗的天文學家似乎更喜歡用一種尚未被解釋的影響到光線本身的微觀現象來解釋,要麼是作用于光源的原子,要麼是作用於在空間中的傳播。提夫特自己積極推廣這一解釋。他援引一個“三維時間”的新概念,並說:

“紅移有來自於微觀的量子物理學的印記,但是它把這一印記帶到了宇宙的邊界”。39

於是,世俗的天文學家逃避這個簡單的解釋,多數人隻字不提其可能性。相反,他們抓住一般被他們蔑視的救命稻草,援引神秘未知的物理學說。我認為他們逃避明顯的(解釋),是因為“河心論”(galactocentricity)會質疑他們最深層的世界觀。這一問題切入大爆炸理論的核心——其自然主義的進化論假設。

8. 大爆炸理論不能接受(宇宙)存在一個中心

很少有人意識到大爆炸宇宙學與他們所構想有多大差別。這個廣泛流行卻誤導人的名字讓許多人設想一個小的三維球,有中心、有外沿,向外爆炸到空虛的三維空間裡。經歷數百萬年之後,物質將聚合成恒星和星系。數十億的星系將組合成“島”或“群島”,填充本來是空虛的空間“海洋”。就像公眾認為的初始的三維球一樣,這樣一個(星)島會有獨特的幾何中心。而“中心”的定義並不是神秘的,就是字典中的簡單解釋:

“中心……1.是指一個與周邊上或者邊界上的所有的點都具有同等距離或處於平均距離的點” 40

許多人,包括眾多的科學家甚至天文學家,對大爆炸的設想都是這樣。但是宇宙學專家對大爆炸的想法卻與此大相徑庭!他們反對初始的三維球概念,也反對宇宙島的理念。在“封閉”大爆炸中(目前最受歡迎的版本),他們設想——純粹靠類比——我們所能看到的三維空間僅僅是一個四維“氣球”的表面,而這個“氣球”膨脹進入一個四維的超空間(其中不包含時間維度)。41參看圖9。

Figure 9
圖9. 宇宙學家通過類比設想大爆炸是一個膨脹的氣球。這一類比把我們看得見的三維空間局限在四維氣球的三維表面上。星系就像表面上的微塵,隨著氣球膨脹而散開。在這種情況下,沒有一個星系可以稱為是獨特的中心。而膨脹真正的中心位於這個氣球的內部,是身處氣球表面的人所不能察覺的。

他們設想眾星系就像在氣球表面的塵粒(在氣球內部不存在星系)。在膨脹過程中,氣球膠面(代表空間本身的“布料”【即結構】)向外拉伸。於是塵粒彼此分散。從每顆塵粒的角度來看,其它塵粒在遠離自己而去,但沒有一顆塵粒是膨脹的獨特中心。在氣球表面沒有中心可言。膨脹的真正中心是在氣球內部的空氣中,代表“超空間”,超越那些被限制在三維“表面”的生物所能理解的範圍。

如果你有困難理解這個類比,可以嘗試觀看《星光與時間》的視頻版本。42由電腦生成的動畫幫助許多人理解這個類比,領他們一步一步地認識整個過程。

還有另外一個方法去看待宇宙學專家們的這個概念。如果你能夠在特定方向上作無限快的旅行,這些專家們認為你一定不會進入其中沒有星系的大範圍空間。你無法定義眾星系的邊緣或者界線,所以你不能定義一個幾何中心。一位宇宙學家這樣評述了流行的“宇宙島”的錯誤認識,說:

“這是錯誤的……【大爆炸宇宙】沒有中心和邊緣。”43

所以大爆炸沒有中心。在我們可見的三個空間維度內不存在獨特的中心。這就可以解釋為什麼大爆炸理論的支持者們會反對任何要求存在一個中心來解釋紅移量子化的理論。以下我會展示他們這種無中心論(acentricity)44 的主張是源於一個武斷的、並非被觀察證實的假設。s.

9. 大爆炸的假設

在他們的影響廣泛、高度專業化的著作《時空的大尺度結構》中,霍金( 史提芬•霍金Stephen Hawking)和艾利斯(喬治•艾利斯George Ellis)用以下的大致評述介紹了他們關於大爆炸宇宙學的部分。

“然而,我們對宇宙模型的建構是不可能沒有任何意識形態的摻合的。在早期宇宙學中,人類把自己放在宇宙的中心這樣一個居高臨下的位置。自從哥白尼時代以來,我們不斷地退居到一個中等大小的行星上,它圍繞著一顆中等大小的恒星運轉;這恒星是在一個相當普通的星系的週邊,而這星系也僅是本地星系群中的一員。如今我們是如此地民主,以至於我們不會主張我們在空間的位置在任何意義上是特別地顯著。我們將沿用邦迪(Bondi)在1960年的說法,把這一假設稱為‘哥白尼原理’” 45。【強調是後加的】

這個觀點在過去被稱為“宇宙學原理”。46, 47 請注意霍金和艾利斯稱之為一個“假設”和“意識形態的摻和”——一個不被觀察結果要求的假設的概念。而他們的措辭“我們不會主張……”事實上是一個武斷的主張,即地球在宇宙中不處於一個特殊位置。他們繼續說:

要合理地解釋這個模糊不清的原理,就應該這樣理解它的含義:當我們用恰當的尺度(scale)去觀察時,宇宙基本上是在空間中均勻分佈的(spatially homogeneous)。48

“在空間中均勻分佈”的意思就是“均勻地擴展到遍及所有的可及的空間(available space)”。霍金和艾利斯是在宣稱空間在任何時候都完全充滿了質能。他們說:“從來就沒有過空虛的大範圍的空間,而且永遠也不會有”。

他們作了這個信心的跳躍,是因為觀察表明宇宙是各向同性的(isotropic),或者說圍繞著我們是球狀對稱的。這意味著從我們的有利位置出發觀看各個方向都是相同的結果。一般情況下,霍金和艾利斯會指出,這意味著“我們身處一個非常特別的位置”,49——比如說是(宇宙的)中心。但那會跟他們的“地球不處於一個特別的位置”的願望不吻合,於是他們要尋求一個不那麼使他們不安的宇宙理論。

“其中在時空的每個點上宇宙都是各向同性的。所以我們會把哥白尼原理解釋為主張宇宙大致在每個點上都是球狀對稱的(因為在我們周圍宇宙大致是球狀對稱的。)” 49

他們把這樣古怪的假設加入到廣義相對論的數學體系中之後,結果就推導出各式各樣的大爆炸理論。

10. 大爆炸理論的核心是無神論

讓我們深究這一假設背後的動機。為什麼大爆炸理論家要百般周折地設計一個“地球不在特殊位置”的宇宙學理論呢?天體物理學家高特(理查•高特Richard Gott)在一篇專門論述哥白尼原理的文章的介紹中揭示了其原因:

“哥白尼革命教導我們:在沒有充足理由的前提下假設我們人類在宇宙中身處特權的位置是錯誤的。達爾文也表明,關於起源,我們並不比其它的物種更優越。我們不過是處在本地星系群(local supercluster)當中的一個普通星系當中的一顆普通恒星的周圍;我們的位置看來是繼續地越變越不重要。我們並非處於一個獨特的空間位置這一思想對於宇宙學是至關重要的,因為它直接導致大爆炸理論。在天文學中哥白尼原理行得通,是因為有智力的觀察者可能存在的地方按定義只有少數特別的位置,卻有許多普通的位置,所以你最可能(likely)身處的是一個普通的位置。”50

那個詞“最可能”揭示了很多東西。高特顯然認為我們身處這個位置是出於偶然(by accident)!他顯然根本沒有考慮過這種可能性,就是神,一位智慧的設計者,有意地將我們放置在宇宙中的一個特殊位置。因此,哥白尼原理背後的終極動機是無神論的自然主義。因為這是自然主義進化論背後的支配性哲學思想,所以高特引用達爾文是恰當的。大爆炸理論和達爾文主義是同一個無神論的起源神話的兩半,分別覆蓋物理學和生物學兩個學科。

因此,那些支持大爆炸理論的基督徒應該意識到:他們在不經意間否定了他們的神,並且向無神論的世界觀妥協。

11. 宇宙有中心這件事的科學意義

如果神在第四天的創造中使用了一些過程來創造眾星和星系,那麼紅移量子化就見證說這個過程的一部分對於我們的星系是球狀對稱的。舉例而言,我們可以想像一個球狀震盪波,在一個不斷膨脹的氣體或等離子體的球內,在其中心和邊緣來回震盪,我在《星光與時間》51一書中談及這樣一個嘗試性的宇宙模型。這樣的震盪波在一定半徑上會互相干擾,而在另一些半徑上會互相疊加,形成一種“駐波”(standing wave)圖案,稠密的氣體集中在同心的球狀殼上。然後神凝聚這些氣體形成眾星和星系。最終形成的同心的星系圖案會比較複雜,有多種間隙,對應不同的震盪模式。或許重要的是,我們觀察到的最主要的球殼間隙δr是3.1百萬光年,而星系之間的平均距離是12百萬光年,兩者是同一量級的。52

駐波暗示著物質有一個週邊邊緣,可以讓震盪波反彈回來。這樣其幾何中心也成為質心。如果我們把這些邊界條件(一個邊緣和中心)放入愛因斯坦的廣義相對論方程式中,就可以得到我在《星光與時間》一書中所闡述的宇宙模型。其質心是引力中心,強度低但是範圍廣,遍及整個宇宙。於是,在膨脹的一個特定階段,引力在中心點造成巨大的時間延緩效應。

因此,紅移量子化對我提出的宇宙學模型是觀察證據,證明了我在1994年初步提出的觀點:

“尤其是,被很多天文學家觀察到的星系紅移的‘量子化’分佈22似乎跟哥白尼原理和所有以此為基礎的宇宙學(包括大爆炸理論)相矛盾。但是這一現象已經有了解釋,就是通過我提出的非哥白尼的‘白洞’(while hole)宇宙學”。 53

12. 宇宙有中心這件事的屬靈意義

對於基督徒,我們位於宇宙的中心這一思想從直覺上是令人滿足的。對於世俗主義者,這卻會令他們深感不安。幾個世紀以來,他們一直致力於進一步推進哥白尼革命,54 好遠離中心說。卡爾•薩根(Carl Sagan)專門寫了一本以下這種風格的書來貶低我們(在宇宙中)位置的和我們自己的重要性。

“在浩瀚的宇宙競技場中,地球只是一個非常小的舞臺…。我們故作的姿態,我們想像的自重,以及我們在宇宙中有特殊位置的妄想,都受到這一點蒼白陽光的挑戰【一張由旅行者一號拍攝的地球照片】。我們的行星是一顆孤獨的微塵,被巨大的全宇宙的黑暗所包圍。在我們的無名中,在這一切的浩瀚裡,沒有任何跡象表明會有來自其它地方的援助,來拯救我們脫離我們自己。” 55

讓我們進一步思考為什麼人類在宇宙裡的中心位置這一思想是如此重要,以致於神的仇敵試圖避開它。

首先,《聖經》宣稱我們的家鄉行星(地球)具有獨一無二的中心位置。創世記1:1首先提到地球,是在創世周第一天,遠遠早於十幾節經文之後在第四天提到太陽、月亮和眾星。創世記1:6-10把地球放在宇宙的物質的“中間”,正如我在《星光與時間》中解釋的。56創世記1:14-15,神說天體存在是為了地上萬物的益處。所以,不是人類想像自己“處於宇宙中的一個居高臨下的位置”,57而是神說我們在那裡。能看到(科學)證據再次支持聖經,實在令人振奮。

“好吧,”你可能會說,“為什麼 神不把我們放置在我們的星系的正中心呢,這樣會令(地球)中心說更具說服力?”。 不過看起來神有更好的想法。首先,我們的太陽在銀河系【星河】中的位置是一個很好的設計,讓它處在一個理想環境。58,59星系的中心是非常活躍的,存在大量的超新星,或許有巨大的黑洞,會釋放強烈的輻射。60然而太陽是在一個近似圓形的軌道上,使得地球能遠離危險的中心區域。事實上,太陽與銀河系【星河】的中心有一個最優化的距離,叫“共轉半徑”(co-rotation radius)。只有在這個位置上,恒星的公轉速度與星系旋臂的速度一致——否則太陽會頻繁跨越旋臂,暴露給其它超新星。另一個設計就是太陽的軌道幾乎與銀盤面(銀河系【星河】的平面)平行,否則跨越那平面將是毀滅性的。

其次,還有美學和屬靈方面的原因。如果神把太陽放在更靠近銀河系【星河】中心的位置,那些厚重的星雲,星塵和氣體(姑且不論超新星),會讓我們觀察宇宙的範圍縮小若干光年。所以神把我們放在一個最優化的位置,即不在週邊的邊緣(那樣銀河系會太遠而昏暗不清),而是足夠地遠,讓我們能看清諸天的高深。這有助我們理解神的手段和思想的偉大,正如以賽亞書55:9所指出的。

最重要的是,能看到人類在神的計畫裡有中心地位的證據非常令人鼓舞。是地球上犯的罪使得整個宇宙落入痛苦和呻吟(羅馬書8:22)。是在我們的行星上,三位一體的第二位道成肉身,造物主進入被造物,在的神性上添加人性,不僅為了救贖我們,也要救贖整個宇宙(羅馬書8:21)。神在浩瀚的宇宙中給渺小的人類最好的地位。這點思想令我們震驚和敬畏,正如詩篇8:3-4所講:

“我觀看你指頭所造的天,並你所陳設的月亮星宿,便說:人算什麼,你竟顧念他!世人算什麼,你竟眷顧他!”

致謝

在這裡我想對眾多創造論學者提供給我的意見表示感謝,——這些創造論學者包括了我經常在新墨西哥州見到的朋友。

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參考文獻

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  10. 諾爾曼和塞特菲,《原子常數、光和時間》,斯坦福研究院國際部特邀研究報告,加州門羅公園市,1986年。Norman, T. and Setterfield, B., The Atomic Constants, Light, and Time, SRI International Invited Research Report, Menlo Park, CA, 1986. 這部專著提出光速的衰減會引起紅移現象。 返回文章.
  11. 韓福來,“光速衰減和星系紅移”,創世專刊,第6卷1期74-79頁,1992年。Humphreys, D. R., C decay and galactic red-shifts, Journal of Creation 6(1):74–79, 1992. 我指出如果我們一致地應用塞特菲的理論 (注10),那麼原子會釋放藍移的光,剛好抵消光線在傳播過程中出現的紅移。據我所知,塞特菲從來沒有否認這觀點。 返回文章.
  12. 阿爾普,《見紅而止:紅移、宇宙學和門派科學》,無邊出版社,加拿大蒙特利爾,1998年。Arp, H., Seeing Red: Redshifts, Cosmology, and Academic Science, Apeiron Press, Montreal, 1998.阿爾普談到了一些高紅移值的物體(比如類星體)似乎與一些中等紅移值的物體(比如星系)有聯合的物理過程(因此距離很近)。他建議除了膨脹因素以外,應該還有其他因素讓類星體的紅移值比近鄰的星系的紅移值大很多。因此,對於一般的紅移—距離趨勢線是出於膨脹的理論,阿爾普的觀察並不是反對的證據。見創世專刊第14卷3期39-45頁上的評述,TJ 14(3):39–45, 46–50, 2000。 返回文章.
  13. 金特立,《創世的小奧秘》,第三版,【又見《創世的指紋》】,地球科學協會,田納西州諾克斯維爾市,287-290頁,1992年。Gentry, R.V., Creation’s Tiny Mystery, 3rd edition [see also Fingerprints of Creation], Earth Science Associates, Knoxville, pp. 287–290, 1992.金特立提議說遙遠的星系是在一個軌道上運轉,中心離我們的星系很近。其軌道速度會產生一個“橫向”多普勒位移,這種紅移是由於相對論的時間延緩所引起的。有一個問題就是引力藍移,就是光線朝我們下落的結果。他後來試圖引入新物理學來嘗試解決這個問題,見金特立,“一個新的紅移的解釋”,現代物理學快訊,A類12卷37期2919-2925頁,1997年。Gentry, R.V., A new redshift interpretation, Modern Physics Letters A12(37): 2919–2925, 1997。兩個版本無一能解釋星光怎樣能在6000年之內到達我們這裡。或許我們可以修改第一個版本,讓其中已經有的引力時間延緩(引起藍移效應)足夠大,使得光線能迅速到達地球(用地球上的時鐘測量)。這一點可能使它對創造論者來說更有興趣。世俗的天文學家反對金特立的理論,因為就像我的理論一樣,金氏的理論也是“河心說”的。 返回文章.
  14. 韋斯特,“宇宙的各向異性的模型”,創世科學研究協會季刊,第31卷2期78-88頁,1994年。West, J.K., Polytropic model of the universe, CRSQ 31(2):78–88, 1994. 韋斯特按照金特立的理論(注13)的第一個版本,提供了幾個具體範例,指出軌道紅移能克服引力藍移。 返回文章.
  15. 韓福來,《星光與時間》,主人書社,阿肯色州綠林市,66頁,1994年。Humphreys, D.R., Starlight and Time, Master Books, Green Forest, p. 66, 1994. 聖經經文是:撒母耳記下22:10;約伯記9:8, 26:7, 37:18;詩篇18:9, 104:2, 144:5;以賽亞書40:22, 42:5, 44:24, 45:12, 48:13, 51:13;耶利米書10:12, 51:15;以西結書1:22和撒迦利亞書12:1。 返回文章.
  16. 韓福來,注15,67頁。Humphreys, Ref. 15, p. 67. 返回文章.
  17. 任德樂,注5,212-214頁。Rindler, Ref. 5, pp. 212–214. 返回文章.
  18. 這種運動不會摧毀我在第五和第六部分所描述的殼狀結構。一個星系若以300公里/秒(典型的“本地”速度)運動,它需要直線運動10億年才從其起始的位置移動1百萬光年的距離。殼結構向我們暗示:我們所看到的星系要麼沒有運動超過10億年,要麼不是在作直線運動。 返回文章.
  19. 提夫特,“紅移的分離狀態和星系動力學,第一部分:單個星系裡的內部運動”,天體物理學雜誌,第206卷38-56頁,1976年。Tifft, W.G., Discrete states of redshift and galaxy dynamics. I. Internal motions in single galaxies, Astrophysical J. 206:38–56, 1976. 這篇文章沒有清楚地討論星系群的紅移量子化,而是提及他更早的一篇文章,在沙可沙夫特(編),國際天文學聯合會專題研討會58,《星系的形成和動力學》,雷德爾出版社,荷蘭多特雷赫特市,243頁,1974年。Shakeshaft, J.R. (ed.), IAU Symposium The Formation and Dynamics of Galaxies, Reidel, Dordrecht, p. 243, 1974. 在隨後的十年裡,提夫特開始更清楚地描述這一現象,雖然他的理論還是很令人費解。 返回文章.
  20. 在提夫特展示的功率譜中,某些峰值的寬度甚至小於幾個公里/秒。 返回文章.
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  27. 提夫特,“相對宇宙背景靜止的參照系中的紅移量子化”,天體物理學和天文學雜誌,第18卷4期第一部分415-433頁,1997年。Tifft, W.G., Redshift quantization in the cosmic background rest frame, J. Astrophysics and Astronomy 18(4):415–433, 1997. 返回文章.
  28. 史考特等人,在寇科斯(編),《艾倫的天體物理量》,第四版,斯普林格出版社,紐約,658,661頁,2000年。Scott et al.; in: Cox, A.N. (Ed.), Allen’s Astrophysical Quantities, 4th edition, Springer-Verlag, New York, pp. 658, 661, 2000. 太陽正在以370.6 ± 0.4公里/秒的速度移動,相對于宇宙微波背景,向著星系經度和緯度(264.°31 ± 0.°17, 48.°05 ± 0.°10),或赤經和偏角為(11h, 9°S)。那個方向是在獅子座(Leo)的稍下方,位於鮮為人知的六分儀星座(Sextant)。我基於參考書中的資料計算如下:(a)太陽相對於我們星系的中心的速度是240公里/秒,方向是朝著星系座標(88°, 2°)。(b)我們星系的中心相對于宇宙微波背景的速度是556公里/秒,方向是朝著星系座標(266°, 29°)。後者的赤經和偏角為(10h 30m, 24°S),位於長蛇座(Hydra)下方。以上這些速度比地球環繞太陽的公轉速度(29.79公里/秒)大很多。 返回文章.
  29. 巴考、奧斯垂克、泊穆特、和斯坦哈特,“宇宙三角:揭示宇宙的狀態”,科學雜誌,第284卷1481-1488頁,1999年。Bahcall, N.A., Ostriker, J.P., Permutter, S. and Steinhardt, P.J., The cosmic triangle: revealing the state of the universe, Science 284:1481–1488, 1999. 返回文章.
  30. 比起在紅移測量中觀察到的大規模“泡沫”狀的星系排佈,球狀殼結構其實小很多。就是說,星系的薄殼(間隔為一百萬光年)存在於星系的厚“牆”(十數個百萬光年)之上,而牆之間是大而空的“泡”,其中不存在任何星系。 返回文章.
  31. 取θ有一個平坦的幾率分佈,視等式11中的a cos θ為一個取值範圍在- a到+ a之間的隨機變數x。帶入給出在給定θ下的幾率的積分,得出x的幾率分佈是(a2 – x2 )– 0.5。把這一分佈帶入通常的計算方差的運算式(注釋32,第57頁,底部),進行積分,然後取方差的平方根,就得出我在等式13中給出的標準差。 返回文章.
  32. 布耳默,《統計學原理》,多佛出版社,紐約,第72頁,1999年。Bulmer, M.G., Principles of Statistics, Dover Publications, New York, p. 72, 1979. 返回文章.
  33. 提夫特記錄的最小的δv值是2.6公里/秒(雖然這個資料不如更大的間隔那麼突出)。於是δr縮小到0.12百萬光年,於是在等式15中的幾率P降到2.24×10-16,也就是小於一千萬億分之一(10-15)的幾率。 返回文章.
  34. 見注釋28中的在不同參照系中的不同的速度。See Ref. 28 for various velocities in various reference frames. 返回文章.
  35. 包隔海,《地心說》,聖經天文學協會,克利夫蘭,1992年。Bouw, G.D., Geocentricity, Association for Biblical Astronomy, Cleveland, 1992. 包氏提倡地心說。他引用詩篇93:1作為他的基礎經文。注意這段經文中翻譯成“世界”的希伯來詞 תבל tevel可以被解作“大陸”,根據見郝禮待,《簡明希伯來文和亞蘭文舊約詞典》,愛德曼出版公司,密西根州大瀑布市,第386頁,1979年。Holladay, W.L., A Concise Hebrew and Aramaic Lexicon of the Old Testament, Eerdmans, Grand Rapids, p. 386, 1971. 於是,這段經文意味著在詩篇成書時(大洪水之後),各大陸相對於其下面的“地球根基” 不會再有明顯的移動。 返回文章.
  36. 傅丹霓,“地心說與創造論”,創世專刊,第15卷2期110-121頁,2001年。Faulkner, D.R., Geocentrism and Creation, TJ 15(2):110–121, 2001. 這是一篇詳細的對現代地心說的批評。 返回文章.
  37. 金特立,注釋13;韓福來,注釋15。 返回文章.
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  39. 儘管有些創造論者贊成非銀河系中心說的解釋,他們似乎沒有明白為什麼世俗主義者拒絕銀河系中心說,為什麼這對於基督徒而言是個優勢?為什麼那可能是創世記1:6中的強烈暗示?見韓福來,注釋15,71-72頁。 返回文章.
  40. 蘇卡諾夫(編),《韋氏大辭典II:新河邊大學辭典》,河邊出版社,波士頓,第242頁,1984年。Soukhanov, A.H. (Ed.), Webster’s II New Riverside University Dictionary, Riverside Publishing Company, Boston, p. 242, 1984. 返回文章.
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  44. “無中心說”意味著“沒有任何中心”。大爆炸理論家主張“每個點都是一個中心”,這反而模糊了問題。公眾和大多數科學家認為“中心”這個詞是指我在第八部分引用的那種詞典中的定義,暗示一個物體只能有一個中心。 要讓問題更清晰,大爆炸理論的支持者應該重述他們的主張為“每個點都是一個球狀對稱點。” 返回文章.
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  57. 霍金和艾利斯,注釋45, 第134頁. 參看第九部分開頭的引言。 返回文章.
  58. 夏法天,“太陽:我們的特殊的恒星”,創世雜誌,第22卷1期27-30頁,1999年。Sarfati, J., The Sun: our special star, Creation 22(1):27–30, 1999. 返回文章.
  59. 丘恩,“一個何等的恒星!”,新科學家雜誌,第162卷2192期第17頁,1999年。Chown, M., What a star! New Scientist 162(2192):17, 1999. 返回文章.
  60. 莫里斯,“在我們的星系的中心正在發生什麼事?”,物理世界雜誌,1994年十月號,37-43頁,1994年。Morris, M., What’s happening at the centre of our galaxy? Physics World (October 1994) pp. 37–43, 1994. 返回文章.