霍伊尔的恒稳态宇宙

宇宙是静态的，准静态的，动态的，还是恒稳态的？历史上曾有过激烈的争论。目前主流的观点认为宇宙是从一个密度无限高、体积无限小的奇点热大爆炸而产生的，且在持续地膨胀着。但霍伊尔（F. Hoyle）不接受这个理论，他和两外两位天文学家一起创立了恒稳态宇宙模型。这是一个什么样的宇宙模型呢？这里就给大家介绍霍伊尔以及他创立恒稳态宇宙模型的故事。

一、生平及性格

弗雷德·霍伊尔于1915年6月24日生于英国约克郡的宾利附近。父亲是经营毛线生意的小老板，母亲为了生计到无声电影院弹钢琴。霍伊尔是家中的长子。家境好的时候，父亲准备送他上私立小学。几个星期后父亲的生意一落千丈，霍伊尔只好转到普通的学校。这段时期，霍伊尔跟现行填鸭式的教育制度进行了几年（5岁到9岁）的“战争”。他经常逃学，性格固执、孤僻。好在父亲有很多藏书，霍伊尔的小学阶段的教育主要是靠自学完成的。1926年，霍伊尔进入宾利文法学校读中学。入学后不久霍伊尔的成绩就名列前茅。1932年霍伊尔报考里兹大学未考取。第二年雄心勃勃地报考剑桥大学的彭布罗克学院又名落孙山。但幸运的是，霍伊尔赢得了约克郡的奖学金到剑桥大学伊曼纽尔学院攻读科学学士学位。玻恩（M. Born）、 爱丁顿（A.Eddington）、狄拉克（P. Dirac）都是他的老师。1936年攻读硕士研究生，1939年获得硕士学位，同时具备博士学位的条件。

1939年第二次世界大战爆发，霍伊尔的一切都被打乱了。霍伊尔被征入海军部同时雷达研制及技术工作。在战争期间，霍伊尔和邦迪（H. Bondi）、古德尔（T. Gold）经常在一起喝酒，讨论宇宙学的问题。他们不喜欢热大爆炸宇宙学关于宇宙从奇点创生的理论，从而创立了“恒稳态宇宙学模型”。

1945年二战结束后霍伊尔到剑桥大学任讲师。1950年，霍伊尔在英国BBC电台做系列的天文学科普讲座。在最后一次讲座中，霍伊尔创造了“大爆炸”（the Big Bang，直译为“大咣嘭”）一词来嘲笑大爆炸宇宙创生理论。1958年，霍伊尔被任命为普鲁米安天文学和实验哲学教授。1972年因厌倦了和现有教育体制的斗争而从剑桥大学辞职，成为自由科学家。

霍伊尔获得过很多大奖及荣誉，如1968年获得皇家天文学协会金奖，1970年获得太平洋天文学协会的布鲁斯奖，1972年被封为爵士，1997年获得皇家瑞典科学院的克拉福德大奖，等等。霍伊尔还是多家学会的会员以及英国皇家天文学学会的会长。

霍伊尔还写过很多科幻小说，如《黑云》、《79号元素》、《进入宇宙深空》等等。

霍伊尔喜欢长途徒步旅行。1997年，霍伊尔在穿越沼泽地旅行时不小心跌入深谷而身受重伤，从此引发多种疾病，2001年8月20日在英国去世，享年86岁。

二、探索与发现

我们生活在宇宙之中。但这个宇宙到底是什么样子的？它是从哪里来的？它到底有多大？

关于宇宙有限和无限的问题，历史上曾进行过激烈地争论。在牛顿时代，“宇宙无限模型”占主导地位。爱因斯坦认为“宇宙无限”还是有问题的，于是提出一个“有界而无限”的准静态的宇宙模型。但哈勃发现星体是相互飞奔而去的，勒梅特认为这就是宇宙膨胀的证据。继而伽莫夫提出了热大爆炸宇宙理论，认为宇宙起源于一次热核大爆炸。

霍伊尔、邦迪、古德尔认为，宇宙起源于奇点的大爆炸、时间有一个开端的理论是不可接受的。从哲学的角度，既然大爆炸宇宙学的基础是宇宙学原理，亦即宇宙物质在大尺度上是均匀的，那么在时间上也应该是恒态的、没有起点的。他们称这个先验假设为“完满宇宙学原理”，或“广义宇宙学原理”。

1948年，邦迪、古德尔从哲学角度提出了“恒稳态宇宙模型”。其主要基础就是“完满宇宙学原理”。他们在论文的一开头就说[1]：

所有实验的无限制重复性是物理学的基本公理。这意味着实验的结果不受其实验进行的位置和时间的影响。

根据这个公理，宇宙有一个时间开端就明显地不合理了，因为在那里时间是零。宇宙中的物理规律应该是永恒的，这就是恒稳态宇宙模型。

同年，霍伊尔也发表了一篇题为《膨胀宇宙的新模型》的论文[2]。主要目的是建立一个恒稳态宇宙学的数学模型。对于恒稳态宇宙模型来说，为了保持宇宙既是膨胀的又保持一定的密度，必须有物质连续地“创生”进行补充，邦迪和古德尔在他们的文章中从哲学角度进行了说明。霍伊尔的文章则是从数学角度进行阐述。在文章的开头，霍伊尔说，20年前金斯（J. Jeans）就阐述过物质创生的观点，那是从星系外部空间注入的，在我们当地居民看来就是“创生”的。然后霍伊尔根据爱因斯坦场方程，把宇宙学常数λ换成对称对称张量场Cμv，这样宇宙的密度？就不会为零了。从数学上讲，由于这个对称张量场不为零，所以必须有物质创生。霍伊尔认为，这个创生的物质应该是中子，因为整个宇宙必须保持电中性。还有，在恒稳态宇宙中整体熵是不变的，这就避免了“热寂”的结局。

在上世纪40年代末到60年代中期这段时间里，恒稳态宇宙学成了科学界最感兴趣的宇宙学模型。

二、总结与评价

在“生平及性格”部分我们可以看到，霍伊尔是一个“叛逆者”。反对墨守成规，喜欢另辟蹊径，注重创新等，都是霍伊尔的性格特点。而三人喝酒时的头脑风暴，又进一步激发了这种创新灵感。

虽然，恒稳态宇宙学是一个标新立异的理论，但其理论基础仍无可厚非。换句话说，既然爱因斯坦可以把宇宙在空间尺度上的均匀一致性作为宇宙学原理，我们为什么不可以延伸到时间轴也是恒态的呢？

对恒稳态宇宙模型争议最大的是“物质创生”。因为它违反了物质及能量守恒定律。但对星系来说，可以有外来物质充当“物质创生”（或“物质补充”）的角色。而对于我们现在的可观测范围内的宇宙，有“外来”物质进行补充吗？这是个值得思考的问题。

1955年以后，随着射电天文学的快速发展，很多的观测数据是和恒稳态宇宙模型不相符合的。比如说类星体，遥远的类星体似乎有着早期宇宙的某些性质，这是恒稳态宇宙模型所解释不了的。

氦的合成与丰度也和恒稳态宇宙学的元素创生不相符，却和大爆炸宇宙模型的预言吻合得很好。

霍伊尔说，大爆炸怎么没有留下任何痕迹？1965年，微波背景辐射的发现，不仅印证了热大爆炸宇宙模型的温度，同时还表明该微波背景辐射具有完美的黑体谱，这令人信服地判定了热大爆炸宇宙学的胜利。

目前，恒稳态宇宙模型已经淡出了主流科学家的视野。但作为曾经轰动一时的热大爆炸宇宙学的主要竞争者，其历史意义还是很重要的。

参考文献

[1]Bondi，H.，Gold， T.，The Steady-state theory of the Expanding Universe （J），MNRAS， 1948（108）， 252-270

[2]Hoyle，F.，A New Model for the Expanding Universe （J）， MNRAS， 1948（108）， 372-382

作者简介：徐兴无 （1958--），男，汉族，安徽阜阳人。教授级高级工程师，硕士学位。主要研究方向：新能源，宇宙学，材料科学。