解析宇宙學(xué)導(dǎo)論

第一章  引  言

§1.4  解析宇宙學(xué)重要規(guī)律的提出與驗(yàn)證

1.4.2周堅(jiān)紅移定律的提出 

先回顧一下哈勃定律，看看哈勃定律是什么一回事。

哈勃于1929年研究了星系距離r和本征波長(zhǎng)為λ的譜線在其光譜中的位移量△λ之間的關(guān)系，從中發(fā)現(xiàn)：

                  （1.4.2.1）  

其中r是單位為Mpc的星系距離，c是光速，H₀是哈勃常數(shù)，z為星系的紅移。

由于天體無(wú)一不在運(yùn)動(dòng)，天文學(xué)上把天體空間運(yùn)動(dòng)速度在觀測(cè)者視線方向上的分量稱為天體的視向速度，而視向速度測(cè)定的基礎(chǔ)是物理學(xué)上的多普勒效應(yīng)。依據(jù)該效應(yīng)，星系的紅移z與星系的視向速度υ之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式就是：

                  （1.4.2.2）  

其中z為星系的紅移，c是光速，υ是星系的視向速度。

將（1.4.2.2）式代入（1.4.2.1）式就獲得如下關(guān)系式：

              （1.4.2.3）  

這就是哈勃定律的最簡(jiǎn)單的物理解釋，是人們假設(shè)天體紅移是由天體相對(duì)觀測(cè)者的背離視向運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)引起紅移的理論結(jié)果。

從哈勃定律的整個(gè)發(fā)現(xiàn)過(guò)程可見(jiàn)，將紅移理解為多普勒效應(yīng)的結(jié)果就是天體普遍存在系統(tǒng)性退行運(yùn)動(dòng)，這就是宇宙膨脹和大爆炸宇宙論的最有利佐證。然而，在發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹的今天，哈勃定律的線性關(guān)系肯定存在問(wèn)題，盡管人們已經(jīng)將哈勃定律和400年前哥白尼提出的日心說(shuō)相提并論，確認(rèn)在天文學(xué)史上兩者都具有革命性的意義，但科學(xué)是不相信眼淚的，人們必須從新審視哈勃定律。

在從新審視哈勃定律后我們不難發(fā)現(xiàn)，在剔除多普勒效應(yīng)這個(gè)自然規(guī)律因素后，哈勃定律所描述的天體觀測(cè)本意其實(shí)是系統(tǒng)性的天體距離與紅移的正比例關(guān)系，并非是多普勒效應(yīng)的天體距離與退行速度的正比例關(guān)系。再仔細(xì)審視哈勃定律也不難發(fā)現(xiàn)，描述這種系統(tǒng)性的距離與紅移的正比例關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式不止一個(gè)，比如將哈勃定律的分母視作1加紅移的和在紅移很小的情況下仍然滿足哈勃定律，即數(shù)學(xué)表達(dá)式是：

                  （1.4.2.4）  

其中r是單位為Mpc的星系距離，c是光速，H₀是哈勃常數(shù)，z為星系的紅移。（1.4.2.4）式就是周堅(jiān)紅移定律的雛形。

在這里，作者認(rèn)為有必要引用于2009年3月8日完成的人類首部《解析宇宙學(xué)》后記中的這樣一段記載：

一個(gè)想法，引來(lái)一個(gè)全新的理念，或許將解開宇宙的諸多之謎。

本人對(duì)宇宙非常好奇，對(duì)現(xiàn)代宇宙學(xué)解釋的宇宙有很多看法，雖然它解釋了很多現(xiàn)象，但也留下很多不解之謎，關(guān)鍵是對(duì)哈勃定律如何理解。也不知道是什么時(shí)候，大概是2006年吧，有一天在腦海里出現(xiàn)了一個(gè)巨大的疑問(wèn)，那就是在發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹的今天是否還能繼續(xù)沿用哈勃定律呢？佷明顯哈勃定律在解釋近距離的宇宙均勻膨脹現(xiàn)象是成功的，但要他去解釋今天的正在加速膨脹的宇宙看來(lái)有點(diǎn)疑問(wèn)，而且還要回過(guò)頭來(lái)解釋宇宙過(guò)去的減速膨脹現(xiàn)象那肯定是有問(wèn)題的。如果繼續(xù)強(qiáng)行沿用哈勃定律，那只能是附加很多的理論猜想，一個(gè)假設(shè)接著一個(gè)假設(shè)，人們始終是用新假設(shè)去解釋舊假設(shè)的疑問(wèn)，結(jié)果是出現(xiàn)了新的更難解釋的疑問(wèn)，因此，人們選擇哈勃定律解釋目前發(fā)現(xiàn)的宇宙變速膨脹現(xiàn)象的所有近似答案都是人們的一相情愿。在諸多宇宙難題面前我想嘗試一下，特別是在宇宙學(xué)紅移的本質(zhì)性問(wèn)題上嘗試尋找一個(gè)既能包含哈勃定律成功之處又能成功解釋宇宙變速膨脹現(xiàn)象的新理論。

從這段引文中，人們可以清楚地看出作者提出周堅(jiān)紅移定律的真實(shí)意圖。

現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，哈勃定律所描述的天體觀測(cè)本意其實(shí)是天體距離不僅與紅移成正比，而且還與1+紅移的和成反比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式是：

                  （1.4.2.5）  

其中r是單位為Mpc的星系距離，α是宇宙學(xué)紅移常數(shù)，并且α=H₀/c，c是光速，H₀是哈勃常數(shù)，z為星系的宇宙學(xué)紅移，在紅移很小的情況下就是哈勃定律的原型。這就是自哈勃于1929年3月發(fā)現(xiàn)哈勃定律之后，時(shí)隔近80年的2008年6月29日，中國(guó)宇宙學(xué)家周堅(jiān)首次提出的描述系統(tǒng)性的天體距離與宇宙學(xué)紅移關(guān)系的周堅(jiān)紅移定律（當(dāng)時(shí)并沒(méi)有與發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹的Ω_M＝0.3、Ω_Λ＝0.7的宇宙模型曲線進(jìn)行擬合，只是一種假設(shè)而已，后來(lái)進(jìn)行擬合后證實(shí)了其正確性才命名為周堅(jiān)紅移定律）。在這里，天體紅移的物理意義已經(jīng)發(fā)生了變化，它不再是哈勃定律所描述的天體退行的多普勒紅移，而是天體的本征紅移，這種天體的本征紅移是系統(tǒng)性的，是名副其實(shí)的宇宙學(xué)紅移。