錢維宏

北京大學物理學院

世界真的很小，傳統的數理化生是四個自然科學分支，在北京大學分別對應著數學科學學院、物理學院、化學與分子工程學院、生命科學學院。2025 年 7 月 6 日，中國科協年會發布的 2025 十大前沿科學問題中，有三個恰好花落在北大物理學院下屬的三個系：天文系、大氣系和物理系，分別是宇觀天文領域的 “暗能量與哈勃常數危機”、宏觀大氣領域的 “臺風路徑異常與強度突變”，以及微觀物理領域的 “希格斯粒子性質和質量起源”問題。關于對撞機高能物理學問題和臺風氣象學問題，已經有了相關解讀，現在，讓我們將目光聚焦到引力天文學問題 ——“暗能量與哈勃常數危機” 上 。

在地球上，萬物因受到一種無形之力的牽引而向地心下落，這是再平常不過的現象。1687年，牛頓從蘋果落地這一日?，F象中敏銳洞察到背后的規律，提出了萬有引力定律。這一定律以簡潔而有力的統計數學形式描述了物體之間的引力作用，成功解釋了眾多天體運動和地球上物體的力學現象。然而，隨著人類對宇宙探索的不斷深入，牛頓引力理論逐漸暴露出一些局限性，尤其在解釋星系旋轉問題時，遇到了難以逾越的困境。

牛頓所提出的引力概念本質上是一種超距作用，物體之間瞬間就能感受到彼此的引力，這一觀點在當時就引發了一些爭議。對于這種“勾引”，牛頓本人也深感不安，而愛因斯坦更是試圖另辟蹊徑來解釋引力現象。1915 年，愛因斯坦提出了廣義相對論，這一理論革命性地用物質的時空幾何數學表達替代了牛頓的引力統計數學表達。在廣義相對論中，引力不再是一種神秘的超距力，而是時空彎曲的表現。物質和能量的存在會導致時空彎曲，而物體在彎曲的時空中沿著測地線運動，就好像受到了引力的作用。

1917年，為了構建一個靜態的宇宙模型，愛因斯坦在廣義相對論場方程中引入了宇宙學常數（Λ）。這個常數代表著空間固有的排斥能，它的引入使得宇宙能夠保持靜態平衡，不至于因為物質之間的引力而坍縮。然而，僅僅過了 12 年，1929 年，美國天文學家哈勃通過對星系的觀測，驚人地發現宇宙并非靜態，而是在不斷膨脹。這一發現讓愛因斯坦意識到自己引入宇宙學常數的做法可能是一個錯誤，他稱這是自己“一生中最大的失誤”，并隨后放棄了宇宙學常數 Λ。

時光流轉到 1998 年，天文學領域又一次發生了重大突破。對 Ia 型超新星的觀測結果令人意外地表明，宇宙不僅在膨脹，而且還在加速膨脹。這一發現與傳統觀念中物質引力應導致宇宙減速膨脹的觀點完全相悖。為了解釋這一奇特現象，科學家們重新啟用了愛因斯坦曾經放棄的宇宙學常數Λ，并將其解釋為一種神秘的“暗能量”存在，給它穿上了物理學的外衣。據估算，暗能量約占宇宙總能量的 68%，其具有負壓特性，正是這種負壓驅動著時空加速膨脹。這一發現徹底改變了人們對宇宙的認知，愛因斯坦的宇宙學常數 Λ 從被認為是錯誤的引入，一躍成為現代宇宙學的核心參數，而暗能量也成為了廣義相對論框架下最神秘的未解之謎，吸引著無數科學家為之探索。

在描述宇宙膨脹的過程中，哈勃常數扮演著至關重要的角色。它就像是宇宙膨脹的“當前速度計”，定量地刻畫了當前宇宙的膨脹速率。精確測定哈勃常數一直是現代宇宙學的一個核心科學問題。然而，近年來，科學家們在測量哈勃常數時遇到了巨大的挑戰。當使用不同的方法對哈勃常數進行測量時，得到的結果出現了明顯的差異。一種測量方法是通過對早期宇宙遺跡，如微波背景輻射的觀測數據，借助特定的宇宙學模型進行全局擬合，從而推算出哈勃常數的數值，這種方法得到的哈勃常數值相對較??；另一種方法則是通過對近處天體，如超新星的直接觀測，利用距離階梯等手段來測量哈勃常數，其測量結果卻比前者大很多。這種矛盾無法用現有理論進行解釋，嚴重挑戰了主流宇宙學模型，被稱為“哈勃常數危機”。

自 2010 年代以來，哈勃常數危機不僅沒有得到緩解，反而隨著觀測精度的不斷提升而日益深化。2025 年，韋伯太空望遠鏡傳來的局部測量數據，進一步驗證了哈勃常數H?差異的真實性，這無疑給本就復雜的暗能量研究帶來了更大的危機。這些持續深化的危機，迫使科學界不得不重新審視現有的引力理論以及暗能量的本質。

在這樣的背景下，2025 年 7 月 6 日，中國科協將“暗能量與哈勃常數危機”列為 2025 年十大前沿科學問題之一。該問題指出，哈勃常數危機的解決以及暗能量動力學本質的揭示，將引發人類對宇宙起源、演化以及基礎物理定律的全新認知與深入反思，有望在物理學與天文學交叉領域催生突破性的理論變革，重塑科學范式。

那么，科學家們為何要引入暗物質和暗能量的概念呢？從引力的觀測事實來看，物質之間的引力作用會使宇宙有收縮的趨勢，然而哈勃的天文觀測卻明確顯示宇宙在膨脹。為了調和這一矛盾，科學家們提出了暗物質和暗能量的設想。暗物質不參與電磁相互作用，無法直接觀測到，但它具有引力效應，可以提供額外的引力來維持星系的結構和運動；暗能量則被認為具有負壓，能夠產生一種排斥力，抵消引力對宇宙的收縮作用，從而使宇宙達到目前觀測到的加速膨脹速率。

在眾多試圖解決當前宇宙學困境的理論中，正交碰撞理論的提出獨樹一幟。該理論認為，引力實際上只是人們看到的一種客觀現象，而這些現象的本質是來自宇宙大爆炸后的新粒子膨脹力。一直以來，人們習慣從引力的角度去看待宇宙中的各種現象，形成了一種固定的世界觀。正交碰撞理論指出，人們只需要從引力（被動）世界觀轉換為膨脹力（主動）世界觀，許多困擾科學家的問題可能就會迎刃而解，也不再需要借助暗物質和暗能量的設想來解釋宇宙加速膨脹的觀測事實。人類文明進程中已經經歷過從“地心說”到“日心說”的世界觀轉變，再次進行世界觀的轉變也并非不可接受。

宇宙萬象經歷了一個生成、發展和消亡的生命過程，一種新現象的出現是相互作用的結果。我們現在的宇宙及其膨脹現象的誕生是兩個物質正交碰撞的產物。正交碰撞的前后意味著，舊物質碰撞的質能（質量與能量的乘積）完全轉變成了新物質的質能。碰撞前后的質能是等量的，但質量和能量是不等量的。碰撞前的質能轉化成了碰撞后的新物態，其中包含大量的新粒子加速運動，而新粒子的質量很小。正交碰撞是新舊事物或現象的生死瞬間過程，碰撞前后屬于兩個完全不同的陰陽世界，信息是不交換的。正交碰撞也涉及哲學的理念。

現實世界中，所有物體或粒子的運動速度都是變化的，且不是直線運動，而是曲線運動。從正交碰撞理論的視角來看，宇宙中所有粒子的加速度運動都可以分解為徑向加速度和切向加速度，分別對應徑向膨脹力和切向向心力。地心引力就是徑向膨脹力，而地球自轉偏向力和繞轉太陽的變速運動是切向向心力的組成部分。現代宇宙粒子的膨脹力和向心力是大爆炸后留給它的永恒記憶和遺產。物體與物體或粒子與粒子之間的碰撞是兩個分量力之間的碰撞。

在宇宙大爆炸之后，產生的新粒子處于加速度運動狀態，這種運動持續至今，形成了現代宇宙的持續性加速度膨脹。在宇宙大爆炸之后的一段時間里，新粒子是有目標地分股加速運動的。例如，有一股粒子的加速運動目標是太陽中心，另外相鄰兩股粒子的加速運動目標分別是地球中心和月球中心。分股粒子在兩個分量加速度下最終形成了太陽、地球和月球，以及它們的自轉和公轉。在更大的尺度上，銀河系的所有恒星、行星、衛星和小尺度天體都在向著銀河系中心加速邁進，這一切都源于宇宙大爆炸后粒子的有目標趨向運動。

現代物理學發展至今，雖取得了眾多輝煌成就，但也面臨著諸多危機，其中引力理論作為物理學的重要基石，面臨的挑戰尤為突出。不僅是引力理論，現代物理學的大多數內容都是基于定律和數學統計關系建立起來的。這些定律和統計關系雖能夠對許多物理現象進行描述和預測，但幾乎沒有給出萬物現象背后的物理本質。即使是具有獨特幾何數學關系的廣義相對論，也未能完全揭示引力的本質。

因此，尋找一種能夠統一描述現代宇宙中各種物理現象、揭示萬物物理本質的理論，成為了當今科學界的重要使命?；蛟S，對暗能量與哈勃常數危機的深入研究，以及像正交碰撞理論這樣的新理論探索，將為我們開啟一扇通往全新物理學世界的大門，引領我們逐步揭開宇宙的神秘面紗，實現對宇宙更深刻、更全面的認識。

參考文獻

[1] Qian WH (2023) A Physical Interpretation of Mass-Energy Equivalence Based on the Orthogonal Collision. J Mod Phys 14: 1067-1086.

[2] Qian WH (2023) A Tidal Theory Based on the Inertial Motion of the Matter in the Universe. J Mod Phys 14: 1252-1271.

[3] Qian WH (2023) On the Attribution of Mercury’s Perihelion Precession. J Applied Math & Physics 11: 1359-1373.

[4] Qian WH (2024) The Essence of Gravity Is the Expansion Tendency of the Universe after the Big Bang. J Mod Phys 15: 804-849.

[5] Qian WH (2025) Expanding Force in Astronomy and Updraft Force in Meteorology. J Mod Phys 16: 267-285.

來源: 錢維宏