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譜線(xiàn)紅移
基本信息
| 中文名 | 譜線(xiàn)紅移 |
引言
牛頓力學(xué)
譜線(xiàn)紅移
物質(zhì)的本身除了慣性之外，還存在另外一種屬性，這種屬性就是所有的物體之間都存在一種引力——萬(wàn)有引力。牛頓所建立的萬(wàn)有引力定律確定了物體之間的作用規律，這個(gè)作用規律在解決宇宙的問(wèn)題上和牛頓運動(dòng)定律的本身發(fā)生矛盾。如果宇宙是有限的，那么，物質(zhì)間由于萬(wàn)有引力的作用，最終會(huì )所有的物質(zhì)會(huì )由于萬(wàn)有引力的作用而凝聚到一起。如果宇宙是無(wú)限的，那么均勻分布在無(wú)限宇宙空間中內部區域的這些物質(zhì)之間的萬(wàn)有引力的作用，則會(huì )互相抵消。但是，這導致了另一個(gè)問(wèn)題，所有萬(wàn)有引力的疊加會(huì )導致引力勢為無(wú)限大，這就是Neumann-Seeliger佯謬。在理論計算上，由于處理方法的局限性，必須引入處理區域邊界的模式，因此，理論上的這種假設宇宙無(wú)限模式是無(wú)效的，或者說(shuō)這是數值計算模式的局限性。這個(gè)問(wèn)題體現了經(jīng)典力學(xué)先天固有的不足。
這樣就出現了天空背景無(wú)限亮的矛盾。實(shí)際上，這個(gè)矛盾是不存在的。因為在采用上面的處理方法忽略了一個(gè)重要的問(wèn)題，就是恒星發(fā)出的光與距離的關(guān)系。我們知道，光照強度同光源距離的平方成反比，這樣的一個(gè)關(guān)系導致了奧伯斯佯謬不能成立。
相對論
光作為宇宙信息很早就引起人們的注意，在光的傳播問(wèn)題上，十九世紀的麥克斯韋在解釋電磁理論的基礎上，提出了在宇宙空間中存在以太海的假設，但是在人們采用試驗的方法來(lái)驗證以太的存在時(shí)，比如比較有名的麥克爾遜——莫雷實(shí)驗，卻不能得到以太存在的證據。這說(shuō)明采用十九世紀以前經(jīng)典的力學(xué)方法不能對電磁理論關(guān)于光的傳播問(wèn)題很好的進(jìn)行解釋?zhuān)蛘吒M(jìn)一步說(shuō)，經(jīng)典的力學(xué)和電磁理論是不兼容的，采用試驗的方法客觀(guān)事實(shí)不支持這樣的結論，至少在十九世紀是這樣的。
愛(ài)因斯坦在當時(shí)的經(jīng)驗事實(shí)的基礎上，（主要是根據如下的兩點(diǎn)假設，第一光速與光源的運動(dòng)無(wú)關(guān)，第二，人們采用各種方法測量到的光速為一近似常數的結論）提出光速為一常數并且與慣性參照系無(wú)關(guān)的結論。并進(jìn)一步提出所有物體的運動(dòng)速度不能超過(guò)光速，將光速設定為物體運動(dòng)的極限速度。這通常叫做狹義相對論的光速不變原理。通過(guò)這個(gè)途徑，建立了電磁理論的聯(lián)系。這實(shí)際上是建立了關(guān)于宇宙中物體的運動(dòng)和定量的一種關(guān)系，或者說(shuō)宇宙中物體的描述狀態(tài)的關(guān)系。當然，僅憑這一點(diǎn)還是不夠的，因為在定量的過(guò)程中還存在定量體和被定量體，這一點(diǎn)是通過(guò)慣性系來(lái)實(shí)現的，即通常所說(shuō)的狹義相對論的相對性原理。
狹義相對論的相對性原理實(shí)際上是伽利略相對性原理，在原理所表述的內容上幾乎是沒(méi)有區別的。即：關(guān)于力學(xué)定律在所有慣性參照系中都是相同的原理。或者更進(jìn)一步的說(shuō)，是牛頓運動(dòng)定律擴展到描述系統的應用情況。另一方面說(shuō)明，牛頓力學(xué)規律的普適性，在相對論中兼容了牛頓力學(xué)規律。在狹義相對論中，慣性參照系普遍的定量規律為推廣到宇宙的定量狀態(tài)打下了一個(gè)伏筆。
前面我們知道，物質(zhì)本身的屬性存在兩種屬性，一種屬性是慣性，愛(ài)因斯坦通過(guò)慣性和光速不變原理建立了狹義相對論描述慣性系的基礎。另一種屬性則是萬(wàn)有引力，那么萬(wàn)有引力又是通過(guò)什么來(lái)進(jìn)行描述的呢？下面我們來(lái)看這個(gè)問(wèn)題。
物質(zhì)本身所具有的萬(wàn)有引力和物質(zhì)作用的關(guān)系，其本身是一種經(jīng)驗約定，在這個(gè)關(guān)系上，經(jīng)典的牛頓力學(xué)采用平方反比定律來(lái)對這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行描述。愛(ài)因斯坦則另辟小徑，通過(guò)加速度和引力的等效模式來(lái)進(jìn)行等效處理，或者說(shuō)慣性質(zhì)量等效于引力質(zhì)量。如果說(shuō)狹義相對論是處理慣性系的問(wèn)題，那么廣義相對論則是處理非慣性系參照系的問(wèn)題。在廣義相對論存在的問(wèn)題——原理上的問(wèn)題 中，我們已經(jīng)討論了這個(gè)問(wèn)題慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量是不需要采用等效的模式來(lái)進(jìn)行經(jīng)驗約定的，它們本身都是力學(xué)的定義系統。在廣義相對論中還包括另一種涵義，這種含義就是通過(guò)等效的模式建立狹義相對論和廣義相對論之間在觀(guān)念、范圍、描述模式上的聯(lián)系，在和狹義相對論相等效的模式上，物體在不同慣性參照系中切換的過(guò)程中（變速運動(dòng)），形成時(shí)間和空間的變率，如果是變速運動(dòng)是穩定的，比如角動(dòng)量為均勻的旋轉系，那么時(shí)間和空間的變率也是相同的。我們知道，變速運動(dòng)等效于引力，這使得廣義相對論具有相似的描述模式，甚至可以進(jìn)行等效切換。在數學(xué)上采用曲率張量來(lái)進(jìn)行描述，引力系統的引入使得數學(xué)上的空間彎曲成為一種形象的描述模式。
在一個(gè)引力系統所造成的空間曲率描述中，無(wú)疑會(huì )形成一種以引力源為中心的中心對稱(chēng)。那么，如果將整個(gè)的宇宙系統當作一個(gè)引力系統，無(wú)疑將是一個(gè)球形。如果宇宙的物質(zhì)分布是均勻的，那么將會(huì )得到一個(gè)準球形。
相對論的理論畢竟是理論，下面我們來(lái)看關(guān)于現代的宇宙理論以及客觀(guān)事實(shí)是否支持這樣的結論。
“膨脹”宇宙
總述
關(guān)于宇宙膨脹的觀(guān)念主要來(lái)自于對星體距離的測量上，采用幾何學(xué)三角測量的方法，以地球長(cháng)軸為基線(xiàn)所測定的極限距離不超過(guò)150光年，利用某一期間的角位移和譜線(xiàn)得多普勒效應來(lái)對星團自轉求線(xiàn)速度的方法，其測定出的距離不超過(guò)三千光年，超過(guò)這個(gè)極限則利用造父形脈動(dòng)變星的距離測量法，即知道天體的絕對亮度和標準光源進(jìn)行比較即可。1914年前后，V.M.Slipher根據譜線(xiàn)紅移發(fā)現了幾個(gè)大于10的三次方千米/秒的速度離開(kāi)我們的天體。大約有過(guò)了十年，哈勃測定了這些天體的距離，結果證明這些天體是一些距離在10的7次方光年以上的遙遠的星系。但是，如果恒星的距離太遠，則不能分辨和看到，對這種情況，有的以星系內最亮的恒星作為標準，有的只能以星系整體亮度作為標準盡可能的確定更多的星系的距離和紅移，經(jīng)過(guò)整理，1922年哈勃發(fā)現具有巨大紅移的星系，其退行速度和距離成正比。其中，為哈勃常數，其值為，他認為這是由于宇宙的均勻的膨脹而造成的。
后來(lái)利用二戰后發(fā)展起來(lái)的射電望遠鏡是觀(guān)測的范圍更加擴大，可是由于射電波幾乎都是連續的，所以信息量很少。只有從比較近的星系測得的21cm譜線(xiàn)的紅移才于光學(xué)觀(guān)測的情況相似。
來(lái)自于宇宙物理學(xué)
在宇宙膨脹的觀(guān)念中，其主要的證據來(lái)自于宇宙光線(xiàn)的譜線(xiàn)紅移，那么，譜線(xiàn)紅移的客觀(guān)事實(shí)結果的唯一解釋是不是譜線(xiàn)發(fā)射體在遠離我們而去呢？如果譜線(xiàn)發(fā)射體在遠離我們而去是譜線(xiàn)紅移的唯一的解釋?zhuān)敲从钪娴呐蛎浀慕忉寗t成立，否則，則不能成立。這樣的結論關(guān)鍵在于譜線(xiàn)紅移和譜線(xiàn)發(fā)射體在遠離我們而去是唯一對應的解釋。或者是主要的解釋?zhuān)渌赡馨慕忉尶梢月远挥嫛?/span>
我們稍微對光波和宇宙空間的環(huán)境分析一下，就知道這樣的解釋不是唯一的，更不是主要的解釋。下面我們來(lái)看引起譜線(xiàn)紅移的可能性的解釋。
解釋
傳遞波的介質(zhì)可能引起的紅移
（假設中的，很可能不存在）
引起譜線(xiàn)紅移的可能性的解釋我們可以先從常規波來(lái)探討這個(gè)問(wèn)題。
我們從平靜的水面上投擲一顆石子，那么石子會(huì )在水面上形成水面波，只要我們稍微注意一下就會(huì )發(fā)現，隨著(zhù)水面波向遠處傳遞，波峰的運動(dòng)速度會(huì )越來(lái)越慢。其原因是由于水的粘滯系數的關(guān)系。
在聲波上也有相似的結果，近處打雷的聲音要清脆一些，而遠處的雷聲要低沉一些，其原因是聲源所引起的聲壓、分子的運動(dòng)速度，都會(huì )由于損耗減小所至。[可參見(jiàn)速度的問(wèn)題之二————震動(dòng)與波（上）]
如上兩種機械波的在傳遞過(guò)程中所引起的頻率紅移，都是由于傳遞波的介質(zhì)而引起，或者說(shuō)是由于介質(zhì)的機械屬性所引起。當然，這和空間中傳遞的電磁波是完全不同屬性的波。不能做相同的類(lèi)比。
但是，光的傳遞介質(zhì)是不是存在。在十九世紀，以太作為光的傳遞介質(zhì)被麥克爾遜——莫雷實(shí)驗否定后，其它有效的并被人們所接受的作為介質(zhì)還沒(méi)有被提出來(lái)。如果傳遞光的介質(zhì)存在力學(xué)的屬性，那么譜線(xiàn)的衰減紅移，則是一種必然。可惜的是迄今沒(méi)有發(fā)現這種介質(zhì)。
（另：關(guān)于光的傳遞介質(zhì)，童正榮先生曾提出過(guò)wg粒子，它是和引力相關(guān)聯(lián)的粒子，在光的傳遞過(guò)程中，存在距離效應。童先生的文章我并沒(méi)有讀過(guò)，只是偶爾從論壇上看到過(guò)他所粘貼的帖子，也表達過(guò)距離紅移相似的內容。）
因此，對于遙遠星系光的紅移可以采用三種方法的可能，即：由于宇宙中存在的物質(zhì)所導致的康普頓散射、帶電粒子對光線(xiàn)能量的吸收所導致的紅移；宇宙膨脹導致的宇宙大小尺度上存在的距離紅移；由于宇宙天體的運動(dòng)所形成的多普勒頻移。
空間中的物質(zhì)導致的紅移
在廣漠的宇宙空間中存在著(zhù)大量的輕原子粒子、基本粒子，光線(xiàn)在穿過(guò)這些粒子的過(guò)程中，會(huì )產(chǎn)生散射。考慮到光線(xiàn)和這些粒子的作用，那么會(huì )存在降低譜線(xiàn)頻率的現象，這種現象通常叫作康普頓效應。傳統中所指的康普頓效應是指光線(xiàn)和原子中電子的碰撞過(guò)程，我認為光線(xiàn)不僅僅和原子中的電子發(fā)生的碰撞會(huì )存在頻率降低的現象，光線(xiàn)和基本粒子的作用也會(huì )存在頻率降低的現象。在空間的介質(zhì)問(wèn)題之四 ——光的本性與麥克爾遜—莫雷實(shí)驗（中）(光的粒子性)中，已經(jīng)討論了關(guān)于光和帶電粒子間的作用，另一方面，康普頓效應已經(jīng)解決了光和原子間作用的規律，因此這里就不探討光和原子間作用的詳細的細節性問(wèn)題了，而僅列出光和基本粒子作用的結論。即：
光和帶電基本粒子間的作用過(guò)程中，光的頻率降低而減小的量值同帶電粒子的速度變化率成正比。這一點(diǎn)不適用于原子等復合性的粒子，即：不適用于傳統康普頓效應的計算方法。
毫無(wú)疑問(wèn)，光通過(guò)宇宙空間中的介質(zhì)粒子的過(guò)程中，會(huì )和這些介質(zhì)粒子發(fā)生相互作用。由于這些粒子既包括高速運動(dòng)的帶電粒子流，也包括在近乎靜止的原子分子，因此在處理上，可以采用宏觀(guān)統計的方法進(jìn)行各向同性處理，對于廣闊的宇宙而言，甚至可以當作一種常數。當然，這樣的處理方法是近似的處理方法，并不是很?chē)烂埽驗樵诓煌挠钪婵臻g中，比如接近宇宙天體和遠離宇宙天體，粒子、離子、原子分布的種類(lèi)、數量以及狀態(tài)是完全不同的。將導致康普頓效應的空間介質(zhì)當作一種統計上的常量處理。（光和帶電粒子間的作用所導致的紅移能不能包含在其中，這是一個(gè)精確度的問(wèn)題，尋求更精確的我想不能包含在其中。）
宇宙天體和地球的相對運動(dòng)速度所導致的紅移
有一靜止波源在發(fā)射一個(gè)一維確定波長(cháng)的波，當觀(guān)測者靜止時(shí)，它會(huì )觀(guān)測到兩個(gè)豎直線(xiàn)間距離的波長(cháng)。假如這個(gè)觀(guān)測者以一個(gè)確定速度在運動(dòng)，那么當他接受到第一個(gè)波峰之后，它會(huì )繼續向波源運動(dòng)，當他接受到另一個(gè)波峰時(shí)，它所在的位置已經(jīng)在虛豎線(xiàn)的位置，那么我們所實(shí)際觀(guān)測到的波長(cháng)則不是靜止時(shí)的波長(cháng)。通常我們采用頻率的變化來(lái)描述這種狀態(tài)，通常叫做譜線(xiàn)的頻移。
在常規的機械波，如聲波中，假設觀(guān)察者和波源都在同一條直線(xiàn)上，并且觀(guān)測這和波源存在相對運動(dòng)，并且是勻速的，那么，波源所發(fā)出的一個(gè)確定頻率的波會(huì )因為波源和觀(guān)測者的相對運動(dòng)而在觀(guān)測者的觀(guān)測結果里，頻率會(huì )有所改變。通常我們把這種現象叫做多普勒頻移。其表達式為
其中為觀(guān)測者相對于媒質(zhì)的速度，u為波源相對于媒質(zhì)的速度，波的傳播速度為V，為觀(guān)測者觀(guān)測到的頻率，為波源發(fā)出的頻率。如果應用于宇宙空間中的多普勒頻移，只要將上式中的分母換作時(shí)間膨脹因子（或者空間收縮因子）為觀(guān)測者或者波源的速度，那么就是相對論的表達形式。
采用波長(cháng)來(lái)表達在形式上可以更為簡(jiǎn)單一些，即：λ=λ0-Δι，其中λ觀(guān)測者觀(guān)測到的波長(cháng)，λ0為波源發(fā)出的波長(cháng)，Δι為光通過(guò)一個(gè)觀(guān)測者觀(guān)測到的一個(gè)波長(cháng)的時(shí)間里，觀(guān)測者和波源之間的相對位移。
在觀(guān)測到的宇宙中遙遠的星光的頻率所發(fā)生的改變，通常被認為是第三種情況，宇宙天體和地球的相對運動(dòng)速度所導致的紅移，很自然的，在現代天文學(xué)中就得到了宇宙膨脹的結論。
鑒別方法
譜線(xiàn)頻移的鑒別方法
總述
在前面我們已經(jīng)探討了宇宙中遙遠星系所發(fā)出的光在我們觀(guān)測上可能會(huì )存在三種頻移，這三種頻移單獨觀(guān)察一個(gè)譜線(xiàn)是無(wú)論如何也不能進(jìn)行區分的。那么是不是就沒(méi)有辦法了呢？當然不，以下方法可以將譜線(xiàn)的三種頻移分辯開(kāi)來(lái)。
傳遞波的介質(zhì)或者距離效應所導致的紅移
（暫時(shí)針對機械波）
波的傳遞介質(zhì)或者距離效應所導致的頻移其原因是由于傳遞波的介質(zhì)在對光的能量傳遞過(guò)程中所形成的能量損耗所造成，因此在關(guān)系式上，可以表達成光衰減的頻率同光傳遞的距離成正比。可以表示為：
其中表示我們觀(guān)測到的頻率，為標準譜線(xiàn)的頻率，△為光線(xiàn)通過(guò)確定空間長(cháng)度后所衰減的頻率，它和距離長(cháng)度成正比。如果我們將上圖中的譜線(xiàn)橫線(xiàn)當作譜線(xiàn)坐標的話(huà)，那么我們會(huì )看到譜線(xiàn)均勻的橫向移動(dòng)，每一條實(shí)際觀(guān)測的譜線(xiàn)都會(huì )在標準譜線(xiàn)系圖上橫移△。如圖：
圖中顏色較淡的豎線(xiàn)，表示我們實(shí)際觀(guān)測到的發(fā)生頻移的譜線(xiàn)系。較深的豎線(xiàn)表示標準的譜線(xiàn)系。當然，在對遙遠星系的觀(guān)測過(guò)程中，我們得到一個(gè)譜線(xiàn)系是不容易的，因為光線(xiàn)強度是非常小的。其實(shí)，只要在實(shí)際的觀(guān)測中觀(guān)測到到任意兩條譜線(xiàn)，那么就可以采用這種比較的方法來(lái)得到結果。
宇宙天體和地球相對運動(dòng)速度導致多普勒紅移
多普勒頻移僅和觀(guān)測者和光源的相對速度有關(guān)，那么多普勒的表達形式為:
由于觀(guān)測者和光源之間的相對速度在不同的譜線(xiàn)中是相同的，因此可以簡(jiǎn)單的表達成=k，其中k等于。
我們可以看到，多普勒頻移和距離效應存在著(zhù)本質(zhì)的區別，這種區別就是在譜線(xiàn)系的標準圖上和我們觀(guān)測到的譜線(xiàn)系，其譜線(xiàn)的位置的變換為=k。如圖：
(關(guān)于這個(gè)圖并不是標準的，在譜線(xiàn)位置的關(guān)系上也是不對的，這里僅僅為了說(shuō)明觀(guān)測到的多普勒紅移在標準的譜線(xiàn)系上的比較存在區別，只要注意采用觀(guān)測譜線(xiàn)和標準譜線(xiàn)之間的關(guān)系很容易鑒定，那么這個(gè)圖則是次要的了。）
空間中的物質(zhì)導致的紅移
空間中的物質(zhì)所導致的紅移除了星際分子原子物質(zhì)和光發(fā)生的康普頓散射之外，其它的就是帶電粒子和光發(fā)生的作用了。但由于前面的多普勒頻移是簡(jiǎn)單的譜線(xiàn)移動(dòng)，那么這就提供了一種簡(jiǎn)單的鑒別兩種紅移的方法。
如果將宇宙中的媒質(zhì)采用統計的方法，可以將媒質(zhì)當作異種均勻的各向同性的分子原子物質(zhì)處理。但是對帶電粒子處理則不能采用這樣的方法，因為帶電粒子的運動(dòng)速度在空間中的分布應該符合一種統計的分布。光子和這些帶電粒子的作用所引起的譜線(xiàn)頻移則要采用統計分布的原則了。
頻率高的光和介質(zhì)發(fā)生的康普頓散射所損失掉的能量要多一些，頻移相對的要大一些。相反，頻率低的光和介質(zhì)發(fā)生的康普頓散射所損失掉的能量要小一些，頻移相對的也要小一些。那么這就存在這樣一種趨勢，就是光經(jīng)過(guò)大量的多普勒散射之后，頻率分布會(huì )趨向均勻，換句話(huà)說(shuō)，將會(huì )趨向于連續譜線(xiàn)。帶電粒子和光線(xiàn)的作用也是相似的。譜線(xiàn)系的結構在我們觀(guān)測上將會(huì )模糊或者消失。當然，這依賴(lài)于光線(xiàn)通過(guò)的距離。如果是光線(xiàn)通過(guò)的距離是無(wú)限的，那么我們所觀(guān)測到的則必然是某種連續譜線(xiàn)。這一點(diǎn)很容易和上兩種譜線(xiàn)頻移的原因區分開(kāi)。
關(guān)系
譜線(xiàn)頻移和宇宙狀態(tài)的關(guān)系
第一、如果我們觀(guān)測到的譜線(xiàn)頻移，其鑒定方法必須采用多普勒紅移來(lái)解釋?zhuān)蛘咭远嗥绽占t移為主來(lái)解釋?zhuān)敲催@說(shuō)明遙遠的星體在離我們而去。膨脹的宇宙成立。
第二、如果我們觀(guān)測到的譜線(xiàn)頻移，其鑒定方法必須采用第一種方法——傳遞波的介質(zhì)可能引起的紅移，或者以第一種方法為主，由于距離效應所引起，那么一個(gè)驚人的結論為牛頓力學(xué)在高精度內不能成立，牛頓力學(xué)定律不能成立。因為必然要引入力學(xué)屬性的衰減來(lái)解釋這種現象。那么慣性定律則沒(méi)有任何的意義。我們知道，相對論也是建立在牛頓力學(xué)的基礎上，因為狹義相對論的相對性原理則是牛頓力學(xué)的一種表述。相對論內建的力學(xué)系統不能成立的話(huà)，那么相對論也不能成立了。
這樣的一個(gè)結論是不用懷疑的。
第三、如果我們觀(guān)測到的譜線(xiàn)頻移，其鑒定方法必須采用空間中的物質(zhì)導致的紅移(如康普頓效應來(lái)解釋和帶電粒子和光的作用的解釋?zhuān)﹣?lái)解釋?zhuān)蛘咭源藶橹鱽?lái)解釋?zhuān)敲催@說(shuō)明膨脹的宇宙不能成立，當然，也包括宇宙大爆炸理論不能成立。那么宇宙的觀(guān)念要恢復到十九世紀的哲學(xué)觀(guān)念，整個(gè)宇宙無(wú)邊無(wú)際。
整個(gè)宇宙采用定量的方法來(lái)描述是沒(méi)有任何意義的。
有效性
由于遙遠星系發(fā)出的光的的強度是很微弱的，能否采用如上的方法依賴(lài)于觀(guān)測精度能否進(jìn)一步提高。
另一方面是關(guān)于如上的三種可能的原因疊加的問(wèn)題。我想采用數學(xué)上的方法應該可以區分開(kāi)來(lái)。
此外，能不能從理論上找到遙遠星系所發(fā)出光的兩條或者兩條以上的譜線(xiàn)，這個(gè)問(wèn)題很關(guān)鍵。如果不能確定這個(gè)問(wèn)題，那么本文的方法就沒(méi)有意義。由于星系所發(fā)光的物質(zhì)都是有限的，從恒星不同階段的能源上來(lái)說(shuō)也是有限的和確定的，因此在理論上一定可以找到兩條可供比較的譜線(xiàn)。
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
作者
