【争鸣】从韦布黎明观测说分形宇宙学证实
----我国现代宇宙学中的一个插曲
叶眺新（四川绵阳市）
摘要：随着韦布空间望远镜，公布“最遥远星系”记录到在宇宙刚诞生寥寥几亿年后就已出现，但在天文学家的模型中，那时初生的宇宙还不足以产生这样的星系，即从有史以来最强大的空间望远镜韦布空间望远镜，对宇宙学研究将带来的巨大改变，也许其中的一个插曲，是证实40多年前“分形宇宙学”的一些猜测。“分形宇宙学”不是反对“大爆炸宇宙学”和“暴涨宇宙学”，仅是对宇宙黎明时期的“爆炸”、“暴涨”作的一点补充。
关键词：韦布望远镜、宇宙黎明、宇宙大爆炸、分形分维、科商
【0、引言】
2023年1月号《环球科学》杂志“专题报道”《天文新纪元》系列4篇文章中，看完乔纳森?奥卡拉汉写的《超高红移改写宇宙黎明？》一文，引起我们深深的回忆----该文介绍的是：韦布空间望远镜对宇宙学研究带来的巨大改变，随着韦布空间望远镜第一批科学数据的公布，“最遥远星系”的记录被一次次打破：这些星系古老到在宇宙刚诞生寥寥几亿年后就已出现，但在天文学家的模型中，那时初生的宇宙还不足以产生这样的星系，即从有史以来最强大的空间望远镜韦布空间望远镜，对宇宙学研究将带来的巨大改变。
也许其中的一个插曲，是证实40多年前“分形宇宙学”的一些猜测。“分形宇宙学”不是反对“大爆炸宇宙学”和“暴涨宇宙学”，仅是对宇宙黎明时期的“爆炸”、“暴涨”作的一点补充。
40多年前，我国正是科学春天到来的时期。1981年看到《百科知识》杂志上发表介绍“不平等的宇宙”起源的文章，知道在大爆炸之后的宇宙演化是可以研究的。当时我们已从重庆，调回家乡四川盐亭县科协工作，早在1962年我们已开始思考环量子三旋理论。
这时受到《百科知识》杂志指明的“不平等的宇宙起源的暴胀起伏模型和宇宙弦模型有矛盾”，这一难题挑战的鼓舞，到1989年终于在四川大学出版社出版的《分形理论及其应用》一书中，发表了《三旋理论与分形、分维》，以及1991年在《华东工学院学报（社）》第3期发表的《三旋理论与物理学》的论文，都是试图用环量子分形宇宙学模型而不用球量子模型，来回答这个问题的研究。
【1、韦布望远镜再接再厉干什么】
詹姆斯?韦布空间望远镜，是专门设计用于探测红外辐射，使其能够回看到宇宙第一批恒星和星系形成的时期，它也能测量某些类系外行星的大气组成。全球很多研究人员正翘首以待韦布望远镜的最新观测结果，如英国卡迪夫大学，正在利用其研究可能导致恒星和行星形成的宇宙尘埃是如何产生的？
在宇宙大爆炸发生之后，宇宙中充满了暗物质和气体云。随后随着气体云逐渐聚集，并在引力的作用下形成了恒星和星系，整个宇宙第一次被“点亮”。这段时期被称为宇宙的“黎明时期”，也是目前宇宙学研究的一个重点。从韦布太空望远镜发回的第一批数据来看，一方面是观测到了超出哈勃太空望远镜能力的早期星系----有很强的证据显示，已经观测到了很多红移超过了10的星系。
另一方面是让人迷惑之处，那就是还观测到了很多非常明亮的星系。这对关于宇宙中星系形成的模型提出了挑战。想要探测在130多亿年前宇宙黎明时期的天体，判断其红移是一个重要标准。现在观测到的是宇宙大爆炸发生2.5亿年之后的星系----这时的宇宙还不到它现在年龄的2%。韦布太空望远镜的发现，颠覆了某些宇宙学理论。
“分形宇宙学”选择的是一个极早的时间，这是受平时看到类似吐烟圈式现象的启发，联想到的----吐烟圈，可以用有少量兰黑墨水的移液管，在离开水面2至3厘米高处滴一滴较大的墨水到水中来演示，这也是一种分形的自相似嵌套结构：这滴大墨水滴在水中立即形成一个墨水线旋环，但这线旋环不久会变成几个较小的线旋环，如此这样不断分裂下去。作为样本对照进行研究，我们发现在韦布空间望远镜传回的第一批图像中，天文学家发现了大量超高红移星系，它们不断打破着“最遥远星系”的纪录，也对宇宙学理论造成了冲击。
如《环球科学》杂志上乔纳森?奥卡拉汉的文章，是这样介绍的：在韦布空间望远镜全面运行的短短几周内，这个星系的发现就已经超出了天文学家最疯狂的想象。韦布空间望远镜是有史以来从地球上发射的尺寸最大、能力最强的天文台----正是为了彻底革新我们对宇宙的理解而建造的。为了避开地球的干扰，这个望远镜位于距离地球150万千米远的地方，网球场大小的遮阳板使其温度接近绝对零度，巨大的拼合镜面和极其敏感的仪器都经过精心设计，用于揭示以前从未观测到的宇宙黎明的细节。
借助从宇宙黎明时期窥探到的星系，宇宙学家可以测试他们对宇宙诞生时期的的认知----要么确认他们最认可的模型的有效性，要么揭示当前理论依然存在欠缺，而这可能预示着更深刻的新发现。
这是经过20多年的努力和100亿美元的资金投入，韦布空间望远镜终于在2021年圣诞节发射。一个月后，这个望远镜到达了它的目的地，在那里它将经历详尽的测试来优化性能。
2022年7月它已经准备好启动备科学观测。在初期，望远镜的部分观测时间将用于一些高影响力项目，通过观测天空中不同方向的小天区来寻找早期宇宙中的星系，这些数据将立即被公开。
但这个记录并没有持续很久。在接下来的几天里，几十个候选星系突然出现在天文学家的视野中，它们的红移估计高达20----仅仅是在大爆炸之后的1.8亿年。其中一些还具有盘状结构，这也明显不同于科学家预期的早期宇宙中的星系。同时，另一个小组发现了一个红移为10的星系，相当于它在大爆炸后不到5亿年的时间里，就发展到了与我们银河系相当的规模。
【2、韦布望远镜发现的提出挑战了什么】
韦布太空望远镜的发现，提出是如何创造星系？乔纳森?奥卡拉汉说，这需要对以前主流推测模型，简要地做个复习：它讲在大爆炸后的第一秒，我们的宇宙是一团热到难以想象的致密原初粒子汤。
快进40万年后，宇宙已经冷到足以让第一个原子出现。当宇宙有大约1亿年的历史时，条件终于适合第一批恒星出现了。
这些最早的太阳比今天的恒星更大、更亮，它们凝聚在原初星系中----附着在巨大的、看不到的暗物质结构上的气体团。引力引导了这些原初星系间的后续相互作用，它们最终合并形成更大的星系。
这个过程，即从早期的混乱的宇宙过渡到我们今天所知道的更有序的宇宙的过程，被认为花了约10亿年。韦布空间望远镜在早期宇宙中发现的明亮星系，对这一模式提出了挑战。
因为按以前主流推测我们应该看到的是很多小的原生星系碎片，它们还没有合并成一个大星系。但相反韦布太空望远镜看到的是一些大星系。那么这些早期星系中，有些可能是冒牌货，是笼罩在尘埃中的近得多的星系吗？当通过亮度判断时，这些星系看起来更暗，似乎更远。然而进行的后续观测表明，这个候选星系的情况并非如此：如智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵（ALMA）观测，没有看到大量的尘埃。这种情况，只有韦布空间望远镜自己可以做后续探测。
最令人吃惊的一个解释是：传统的LCDM宇宙学模型可能是错误的，需要修改。如美国宇宙学家麦高等，是主要的支持者。这个有争议的想法，是修改的牛顿动力学（MOND），它认为暗物质不存在，暗物质的观测现象可以通过修正在大尺度下的引力理论来解释。
到目前为止，韦布空间望远镜的观测结果可以支持这种理论。麦高说：“MOND预测的很多现象都被观测到了，而这是又一个被证实的预测。到目前为止，韦布空间望远镜的观测结果可以支持这种理论”。当然也有美国天体物理学家耶翰?卡尔塔特普说：“到目前为止，我们的所有用于测试MOND的观测现象，都没能给出一个令人满意的答案”。一个更简单的解决方案是：韦布或将改写宇宙历史，宇宙早期的星系里，可能很少或没有尘埃，这使它们看起来更明亮。
但这也会导致我们算错星系的真实质量，或也许可以解释ALMA没探测到红移为13的信号。意大利天文学家安德烈亚?费拉拉说：“可能是（在当时）超新星还没有足够的时间来产生尘埃，或者是在（星系形成）的初始阶段，尘埃被驱逐出了星系”。
2022年7月11日美国总统拜登在白宫，公布首张詹姆斯?韦布空间望远镜拍摄的全彩宇宙深空图像后，美国航天局12日公布了更多韦布空间望远镜拍摄的全彩宇宙图像及光谱图。图像展现的是该星系团约46亿年前的样子，因为它离我们约46亿光年，望远镜现在收到的光是它很久以前发出的。此外，图像上还有一部分是来自“宇宙大爆炸”不久后的光，也就是130多亿年前。
清华大学天文系蔡峥教授在谈到韦布空间望远镜时说：“它现在探测到的有些光，是从特别远的星系传过来的，比如130亿年前就发出来的光，到现在才被望远镜捕捉到，而当时的宇宙还处于婴儿期，因此人类有望通过望远镜看到宇宙婴儿时期的样子”。
从韦布看，当“深空”不再空荡----2021年12月25日迄今为止最先进、体积最大的太空观测仪器-----耗费巨额资金的韦布空间望远镜发射升空，执行的是用影像记录宇宙中首批发光恒星的任务。将接替哈勃望远镜的韦布望远镜由美国、欧洲和加拿大航天机构联合研发，功能比哈勃强100倍。韦布望远镜的镜面和最尖端的设备已经过调整，为的是能看到宇宙中首批发光恒星的光。宇宙中首次出现发光恒星，理论上发生在宇宙大爆炸后约2亿年（约135亿年前）。
【3、三旋分形在宇宙系统中的应用】
2023年2月3日观察者网发表《江晓原：疫情三年，科学技术改变我们了吗？》一文，是观察者网近日采访上海交通大学科学史与科学文化研究院院长江晓原教授的谈话。他说：“面对新冠，信奉科学等于正确，科学能解决一切问题，科学是至高无上的知识体系等这三条科学主义，就这三年疫情来说，如果想象科学主义和反科学主义这两个阵营打比赛，我认为，从理论上说两边都没得分。对于大部分人来说，他们无法亲自参与检验某种药有没有用？那么剩下的就只能通过信任传递。我们要知道科学的局限性是永远存在的，只不过随着技术的不断前进，我们还是能够解决越来越多的问题”。
江晓原教授批评科学主义是对的，但他对科学的认识是悲观的。其实从大众有各自的爱好来看，有一种主要是通过后天的学习，偏向自然科学逻辑的发明发现的爱好，叫“科商”。遵纪守法，个人科商自愿业余付出为人民服务，而不是单纯追求名利，创造发展的空间是很大的，也是有统一的价值的。我们的实践，三年疫情期间是这样，以前数十年间也是这样。以从韦布黎明观测说分形宇宙学证实来说，1981年我们看到《百科知识》杂志上，发表介绍“不平等的宇宙”起源的文章，是那时我国在我们身边的业余学习环境里，已经有新的天文观测的介绍，揭示宇宙中一些引人注目的、未曾预料到的结构。
例如说宇宙中巨大的空洞和星系链，某些星系分布的“片”状结构是显而易见的。这就是所谓的“不平等的宇宙”。如果说解释不平等的宇宙起源的有暴胀起伏模型和宇宙弦模型，40年前我们因业余学习，已经掌握了三旋圈态结耦分形的维数计算。证明这两种模型实际是等价的，它们都是说的同一件事情的前后两个不同侧重点。
因为宇宙的相变，正是按类似墨水线旋环的方式由时空点的量子环圈来结耦、结网的。如果基圆的圆圈太小，就只能形成轻子、强子、原子核、原子、分子等一类微观粒子。正是由暴胀形成了基圆的大圆圈，宇宙弦圈结耦、结网才在一个新的基点上进行演化。
但宇宙大爆炸和宇宙暴胀起伏的宇宙黎明时期，我们知道还没有“轻子、强子、原子核、原子、分子等一类微观粒子”的形成，“分形分维”作为宇宙黎明时期，大爆炸和宇宙暴胀模型补充缺环的插曲，是用什么来描述当时时空物质的呢？弗兰克?维尔切克帮助了我们。
因为在我们身边的业余学习环境里，早有一位量子色动力学的奠基人之一的维尔切克出现，他是美国麻省理工学院教授，后来2004年还获得了诺贝尔物理学奖。维尔切克命名为“轴子”的物质，及时地满足了我们的需要。原来“轴子”物质联系“时间反演对称性”。
我们知道，在1964年以前，无论是牛顿的运动方程和引力定律、麦克斯韦的电动力学方程、爱因斯坦的相对论，还是量子力学基石的薛定谔方程与狄拉克方程，它们都满足时间反演对称。即科学家们观察到的所有物理现象，似乎都满足时间反演对称性。
这个特征就是时间反演对称性，简称T对称。但到1977年两位美国物理学家罗伯托 ? 佩切伊和海伦 ? 奎恩，他们证明如果进一步在方程中加入对称性，就可以完全解释在什么情况下满足或者违背T对称。此时，维尔切克和史蒂文?温伯格为说明：为啥时间反演对称会被破坏？他们各自独立地意识到，这意味着存在一种全新的粒子。
即维尔切克把它命名为“轴子”，说这是终极的解释。其实，如果在宇宙大爆炸中产生了轴子，也可以解释三旋弦圈联络结耦的支付选择诞生的“分形宇宙学”谜团。
【4、三旋分形分维宇宙学初探】
宇宙的起源是一个复杂性问题，三旋分形对此为大爆炸宇宙学提供了新的思路。众所周知，相邻的圈子只交一次，要组成一个新圈，就象组成三角形要三条边一样，至少要三个圈子。
用此规则联系分形的自相似嵌套性质，取一个半径为Rn的大圆作源多边形，再取一个半径为rn的小圆作生成线，在平面上画一个有自相似嵌套结构的图形。构造的规则是每一级的圆圈由三个相同的小圆圈组成。三个小圆圈的耦合相交，用它们之间的相切近似代表，并表示新一级的圈所能构成的最大内空限度。这样小圆圈的半径rn与前面的大圆圈的半径Rn必然有：
rn＝Rncos30°＝（√3/2）Rn (n＝1、2、3…) （1）
按此方法作图，如此变形下去，随着变形的进行，会发现小圆圈不但向外扩展，而且还向中心位置堆积，以及在其周围形成等级式的成团分布等重要特征。这与实际观察中的大爆炸烟云、癌细胞的生成、化学反应溶液浓度的扩散、原子里的原子核与电子云结构模型等极为相似。细心研究该分形，变换成以一个圆内接正三角形为源多边形，和以一条V字形折线段为生成线的图形，折线段的每条线段长为Rn，生成线两端的距离等于正三角形一边的长：
2 rn＝（2×√3/2） Rn＝√3Rn （2）
根据分形曲线的分数余数定义：设某分形曲线的生成线是一条由N条等长直线段接成的折线段，若生成线两端的距离与这些直线段的长度之比为1/r，则这分形曲线的维数是：
D＝1gN／lg(1／r) (3)
按(3)公式，圈态结耦分形的D＝1gN／1g(√3Rn／Rn)＝lg2/lg√3＝1．26179。令人惊奇的是，圈态结耦分形的维数值，与国内外一些天文学家研究宇宙的分形结构，测得的星系分布的分形维数约为1．2相近似。那么联系三旋分形，宇宙是如何诞生的呢？
标准大爆炸的创世观，主张整个宇宙起源于一场异常巨大的爆炸，宇宙很快地膨胀了，在膨胀过程中它渐渐地冷下来，于是先是轻子，然后是强子、原子核、原子，最后是星系从中凝聚出来。正是由暴胀形成了基圆的大圆圈，宇宙弦圈结耦、结网才在一个新的基点上进行演化。其次，三旋弦圈联络结耦的支付选择，也是一种起伏变化。
因此说，暴胀起伏模型和宇宙弦模型都能用三旋圈态结耦的分形研究来综合；并且该分维图形还能具体地揭示大爆炸宇宙机制中过去未曾考察到的情况：即开始的爆炸不是象一个不断胀大的气球的表面那样爆炸，而是象吐烟圈式的爆炸，然后才像水中线旋环的奇异变化一样，所有的物质粒子才开始互相远离，即宇宙在三维方向才开始作扩张，但同时又还有物质粒子向中心区域集聚，形成明显的等级式成团结构的现象。原于有中心，太阳系有中心，银河系有中心……就是这种等级现象的明证。即三旋大爆炸宇宙的分维分析，能形象地对宇宙膨胀作出说明。这里有人问：“为什么不是二旋而是三旋？大于‘三’的‘旋’存在么？”回答是：拓扑学上环面与球面不同伦；理想的环面按自旋的对称性定义，作自旋只能有三种类似：体旋、面旋和线旋。
即一个中间有孔的形态----拓扑出来就是圈体形态----叫“类圈体”形态的自我运动的方式，有：1.围绕圈所在平面上的任意轴进行的自旋（类似地球摆动受的约束，即类似体旋）；2.围绕圈孔的中线轴的自旋（类似地球自转，即类似面旋）；3.围绕圈的横截面圆心点连成的中心圈的内外翻转；（类似地球的磁力线，即类似线旋）；类圈体只有这三种自我运动的方式。自我运动的意思是：不改变自我空间范围的运动，自己在自己的空间中运动。希望这能够说清楚了。
【5、结束语】
从韦布黎明观测，说分形宇宙学证实是我国现代宇宙学中的一个插曲。正如南京大学沈骊天教授在《博览群书》杂志2003年第2期发表的《三旋生万物》一文中所说；“作者只是一位独行的业余研究者，就其目前的社会影响力而言，完全无法和聚集着世界顶尖专业数学家、物理学家的超弦理论团队相比”，是非常正确，所以没有值得宣扬的。从“科商”到“科学实验”只是万里长征的第一步。
2023年1月9日科学网个人博客专栏，辜英求教授发表的《新年的壮举》一文中说：“去年3月上海封城之际，就曾向有关部门建议抗疫措施……我没有针对新冠病毒的实验结果，因此也不便坚持。现在政策调整，终于确证了我的防疫措施的科学性和有效性”。
其实，辜英求教授也许能做“新冠病毒的实验”，也不可行。2023年2月1日上海观察者网发表《北京：严禁超范围开展新冠病毒相关实验活动》一文报道，北京卫健委网站发布《北京市卫生健康委员会转发国家卫生健康委办公厅关于进一步做好新冠病毒实验室生物安全管理工作的通知》说：“从事新冠病毒培养、动物感染实验、核酸检测等实验活动，需经国家卫生健康委或我委批复后方可开展，严禁超范围开展实验活动”。可见个人想作某些“科学实验”，比有能力的单位还更难。其次一个人有“科商”，还要有经费、助手等条件。
2023年2月1日科学网个人博客专栏，高关中教授发表的《飞利浦电气开创者----菲利浦兄弟》一文介绍“菲利浦成功现象”。
荷兰著名跨国集团飞利浦公司，今天就连世界著名制造高端芯片光刻机的阿斯麦公司，1984年也是从飞利浦独立出来的。飞利浦电气开创者----首先是哥哥杰拉德?菲利浦（1858-1942），非常有“科商”。
1880年爱迪生率先发明了连续照明1200小时的碳化竹丝电灯，点亮了世界。这引起了杰拉德的浓厚兴趣，1886年他进入格拉斯哥的大学，积极学习研究电力照明和传输的最新知识。1890年杰拉德意识到他可以独立创业----他主导发明了碳丝极灯，性能稳定、成本合理，适合工业制造。但这一创新需要工厂生产来付诸实施，杰拉德说动父亲注资，于是菲利浦公司在1891年诞生了。
杰拉德的资金来自父亲弗雷德里克?菲利浦（1830 -1900），这个犹太富商，从事烟草咖啡贸易。杰拉德的妈妈是马克思母亲的妹妹，即他还是马克思的表弟。杰拉德作为长子没有兴趣继承家族生意，反而对科学技术十分着迷，1883年他在理工大学攻读机械工程专业，毕业后先后在荷兰和苏格兰的船厂工作。更巧的比他小16岁的弟弟安东?菲利浦博士（1874-1951），天生拥有经商的头脑。
1893年安东读完商科，在阿姆斯特丹和伦敦的证券公司历练不少。1895年他加入哥哥的公司后，操持销售和经营业务，让哥哥能够专心产品的研发生产。1900年飞利浦的碳丝极灯的产量达到了300万只，成为欧洲第三大白炽灯制造商。飞利浦的技术创新源源不断，直至今天全新形象渗入全球各个角落。可见“科商”是世界性的。
参考文献
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[3]叶眺新，三旋理论与分形、分维，《分形理论及其应用》，四川大学出版社，1989年6月；
[4]叶眺新，三旋理论与物理学的有关问题，华东工学院学报（社），1991年第3期；
[5]王德奎，三旋理论初探，四川科学技术出版社，2002年5月；
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[10]范爻黄，从宇宙“轴线”到宇宙三旋分形应用，Academia Arena，May 25, 2022；
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[12]王德奎，中国与世界秘史，金琅学术出版社，2019年。
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