解析宇宙学导论
第一章 引 言
§1.4 解析宇宙学重要规律的提出与验证
先回顾一下哈勃定律,看看哈勃定律是什么一回事。
哈勃于1929年研究了星系距离r和本征波长为λ的谱线在其光谱中的位移量△λ之间的关系,从中发现:
其中r是单位为Mpc的星系距离,c是光速,H0是哈勃常数,z为星系的红移。
由于天体无一不在运动,天文学上把天体空间运动速度在观测者视线方向上的分量称为天体的视向速度,而视向速度测定的基础是物理学上的多普勒效应。依据该效应,星系的红移z与星系的视向速度υ之间关系的数学表达式就是:
其中z为星系的红移,c是光速,υ是星系的视向速度。
将(
这就是哈勃定律的最简单的物理解释,是人们假设天体红移是由天体相对观测者的背离视向运动的多普勒效应引起红移的理论结果。
从哈勃定律的整个发现过程可见,将红移理解为多普勒效应的结果就是天体普遍存在系统性退行运动,这就是宇宙膨胀和大爆炸宇宙论的最有利佐证。然而,在发现宇宙正在加速膨胀的今天,哈勃定律的线性关系肯定存在问题,尽管人们已经将哈勃定律和400年前哥白尼提出的日心说相提并论,确认在天文学史上两者都具有革命性的意义,但科学是不相信眼泪的,人们必须从新审视哈勃定律。
在从新审视哈勃定律后我们不难发现,在剔除多普勒效应这个自然规律因素后,哈勃定律所描述的天体观测本意其实是系统性的天体距离与红移的正比例关系,并非是多普勒效应的天体距离与退行速度的正比例关系。再仔细审视哈勃定律也不难发现,描述这种系统性的距离与红移的正比例关系的数学表达式不止一个,比如将哈勃定律的分母视作1加红移的和在红移很小的情况下仍然满足哈勃定律,即数学表达式是:
其中r是单位为Mpc的星系距离,c是光速,H0是哈勃常数,z为星系的红移。(
在这里,作者认为有必要引用于2009年3月8日完成的人类首部《解析宇宙学》后记中的这样一段记载:
一个想法,引来一个全新的理念,或许将解开宇宙的诸多之谜。
本人对宇宙非常好奇,对现代宇宙学解释的宇宙有很多看法,虽然它解释了很多现象,但也留下很多不解之谜,关键是对哈勃定律如何理解。也不知道是什么时候,大概是2006年吧,有一天在脑海里出现了一个巨大的疑问,那就是在发现宇宙正在加速膨胀的今天是否还能继续沿用哈勃定律呢?佷明显哈勃定律在解释近距离的宇宙均匀膨胀现象是成功的,但要他去解释今天的正在加速膨胀的宇宙看来有点疑问,而且还要回过头来解释宇宙过去的减速膨胀现象那肯定是有问题的。如果继续强行沿用哈勃定律,那只能是附加很多的理论猜想,一个假设接着一个假设,人们始终是用新假设去解释旧假设的疑问,结果是出现了新的更难解释的疑问,因此,人们选择哈勃定律解释目前发现的宇宙变速膨胀现象的所有近似答案都是人们的一相情愿。在诸多宇宙难题面前我想尝试一下,特别是在宇宙学红移的本质性问题上尝试寻找一个既能包含哈勃定律成功之处又能成功解释宇宙变速膨胀现象的新理论。
从这段引文中,人们可以清楚地看出作者提出周坚红移定律的真实意图。
现在我们已经知道,哈勃定律所描述的天体观测本意其实是天体距离不仅与红移成正比,而且还与1+红移的和成反比,其数学表达式是:
其中r是单位为Mpc的星系距离,α是宇宙学红移常数,并且α=H0/c,c是光速,H0是哈勃常数,z为星系的宇宙学红移,在红移很小的情况下就是哈勃定律的原型。这就是自哈勃于1929年3月发现哈勃定律之后,时隔近80年的2008年6月29日,中国宇宙学家周坚首次提出的描述系统性的天体距离与宇宙学红移关系的周坚红移定律(当时并没有与发现宇宙正在加速膨胀的ΩM=0.3、ΩΛ=0.7的宇宙模型曲线进行拟合,只是一种假设而已,后来进行拟合后证实了其正确性才命名为周坚红移定律)。在这里,天体红移的物理意义已经发生了变化,它不再是哈勃定律所描述的天体退行的多普勒红移,而是天体的本征红移,这种天体的本征红移是系统性的,是名副其实的宇宙学红移。
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