解析宇宙學(xué)

光(電磁輻射)傳播的解析理論

(二)

在上一章節(jié)中我們已經(jīng)對(duì)光（電磁輻射）傳播全過程進(jìn)行了完整的描述，如果要描述宇宙空間中的無數(shù)天體在作為光源向宇宙空間傳播光（電磁輻射）的全過程，那還是非常困難的，這就需要我們將這個(gè)光（電磁輻射）傳播全過程進(jìn)行代數(shù)化處理，這是我們進(jìn)一步正確認(rèn)識(shí)宇宙的必由之路。在這一章節(jié)中，我們就從規(guī)定光源點(diǎn)、光（電磁輻射）傳播方向、單位傳播距離和單位傳播距離所對(duì)應(yīng)的周堅(jiān)紅移入手，逐步將光（電磁輻射）傳播全過程進(jìn)行代數(shù)化處理。

2.1  背景知識(shí)

我們的星空，閃爍著無數(shù)的星星，定放著它那美麗動(dòng)人的風(fēng)采，讓我們產(chǎn)生無窮的遐想，致使我們好奇地不斷追問，這些星星到底是什么呢？自從意大利物理學(xué)家和天文學(xué)家伽利略于400年前發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡以來，我們通過望遠(yuǎn)鏡的觀察發(fā)現(xiàn)，這些星星都是恒星、星系、星系團(tuán)等等的發(fā)光天體，并且通過美國航天局（NASA）發(fā)射的MWAP探測器還觀測到宇宙的一個(gè)屏障——宇宙微波背景輻射。

我們通過一切觀測手段對(duì)宇宙進(jìn)行觀測，為什么能夠發(fā)現(xiàn)宇宙就是這種模樣呢？這讓我們產(chǎn)生了無數(shù)的猜想，其中比較成功的猜想理論就是目前堪稱標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型的大爆炸宇宙學(xué)，但無論如何這都是一種猜想，特別是紅移大于1的情況更是如此。

我們知道，我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)都是通過這些恒星、星系、星系團(tuán)等等天體輻射出來的光（電磁輻射）傳播到我們面前的感受認(rèn)識(shí)，要正確認(rèn)識(shí)宇宙，我們就必須熟悉光（電磁輻射）傳播的特征。

目前我們已經(jīng)知道光（電磁輻射）在宇宙空間中的傳播是直線傳播的，當(dāng)然如引力透鏡等特殊天象除外，而傳播的極限速度就是我們稱之為的光速，它等于299，792.458km/s（約30萬公里/秒）。

然而，周堅(jiān)定律這個(gè)自然規(guī)律于2008年6月29日被正式發(fā)現(xiàn)之后，由此我們還知道光（電磁輻射）的傳播極限距離（周堅(jiān)定律中的周堅(jiān)常數(shù)Z₀）是13，771，980，862.5685光年（約137.72億光年），對(duì)應(yīng)的周堅(jiān)紅移是無窮大，對(duì)應(yīng)的完成這個(gè)極限傳播距離的時(shí)刻間隔是13，771，980，862.5685年（約137.72億年）。

2.2 光源點(diǎn)的概念

由于恒星、星系、星系團(tuán)等等的天體距離我們都非常遙遠(yuǎn)，我們不可能通過皮尺等測量工具去直接觀測它們的距離，我們只能通過觀測來自它們輻射出來的光（電磁輻射）進(jìn)行判斷。為了將這些傳播到我們面前的光（電磁輻射）能夠進(jìn)行有效的計(jì)算對(duì)比，我們必須將它們視作一個(gè)點(diǎn)，這就引入了一個(gè)光源點(diǎn)的概念，圖2.1就是光源點(diǎn)的概念示意圖，它將天空中的恒星、星系、星系團(tuán)等等的發(fā)光天體統(tǒng)統(tǒng)視作光源點(diǎn)。

2.3 光（電磁輻射）傳播方向

在光（電磁輻射）傳播的光源點(diǎn)被確定后，接下來我們就是要確定光（電磁輻射）傳播的方向，具體確定過程詳見圖2.2，它將確定光（電磁輻射）傳播的方向通過圖形表達(dá)的方式反映出來。

2.4 單位傳播距離

在光（電磁輻射）傳播的光源點(diǎn)和傳播方向被確定后，接下來我們就是要確定光（電磁輻射）傳播的單位傳播距離，由于恒星、星系、星系團(tuán)等等的天體距離非常遙遠(yuǎn)，單位傳播距離的設(shè)定必須適應(yīng)宇宙學(xué)尺度，距離單位選擇億光年是最合適的，圖2.2就是這種規(guī)定的示意圖，它用圖形表達(dá)的方式展現(xiàn)了確定光（電磁輻射）傳播的單位傳播距離的過程。

2.5 單位傳播距離所對(duì)應(yīng)的周堅(jiān)紅移

在光（電磁輻射）傳播的光源點(diǎn)、傳播方向和單位傳播距離被確定后，接下來我們就是要將光（電磁輻射）傳播一定距離后，其傳輸波長隨傳播距離的增大而向紅端位移的相對(duì)變化量，即周堅(jiān)紅移標(biāo)注在對(duì)應(yīng)單位傳播距離刻度上，圖2.4就是完成這種規(guī)定的示意圖，它用圖形表達(dá)的方式展現(xiàn)了確定光（電磁輻射）傳播全過程在類似數(shù)軸上表達(dá)的全過程，而其中的Z₀就是周堅(jiān)定律中的周堅(jiān)常數(shù)，它的物理意義就是光（電磁輻射）傳播的極限傳播距離，對(duì)應(yīng)的周堅(jiān)紅移就是無窮大（∞）。

2.6  周堅(jiān)數(shù)軸的概念

數(shù)軸的概念我們是非常熟悉和清楚的，在我們的生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用也是非常廣泛的，然而，我們能否在宇宙學(xué)研究領(lǐng)域中繼續(xù)應(yīng)用數(shù)軸呢？

說實(shí)在的，這種應(yīng)用非常困難，似乎是不現(xiàn)實(shí)的，原因就是我們不可能直接去精確測量那遙遠(yuǎn)天體的距離，我們只能通過各種觀測手段去猜測它，特別是紅移大于1的遙遠(yuǎn)天體更是如此。

然而，周堅(jiān)定律這個(gè)自然規(guī)律于2008年6月29日被正式發(fā)現(xiàn)了，我們通過上述的分解講解已經(jīng)注意到，在規(guī)定了光源點(diǎn)、光（電磁輻射）傳播方向、單位傳播距離和單位傳播距離所對(duì)應(yīng)的周堅(jiān)紅移后，一個(gè)類似數(shù)軸的一種新的數(shù)軸形式出現(xiàn)在我們面前，這種規(guī)定了光源點(diǎn)、光（電磁輻射）傳播方向、單位傳播距離和單位傳播距離所對(duì)應(yīng)的周堅(jiān)紅移的直線就是一種新的數(shù)軸形式，它是為我們研究光（電磁輻射）傳播全過程而出現(xiàn)的，為了今后論述的方便，我們無論如何也應(yīng)該給它取一個(gè)名字，不妨就將這種類型的數(shù)軸用發(fā)明者的名字來命名為周堅(jiān)數(shù)軸，圖2.5反映的就是周堅(jiān)數(shù)軸的概念示意圖。

從圖2.5中我們可以清楚地看到，規(guī)定了光源點(diǎn)、光（電磁輻射）傳播方向、單位傳播距離和單位傳播距離所對(duì)應(yīng)的周堅(jiān)紅移的直線就稱之為周堅(jiān)數(shù)軸。而光源點(diǎn)、光（電磁輻射）傳播方向、單位傳播距離和單位傳播距離所對(duì)應(yīng)的周堅(jiān)紅移是構(gòu)成周堅(jiān)數(shù)軸的四大要素。

周堅(jiān)數(shù)軸的概念，我們應(yīng)該從它的宇宙學(xué)意義來理解：

其一，單位傳播距離為宇宙學(xué)尺度的單位傳播距離，對(duì)應(yīng)一般數(shù)軸的單位長度，距離單位一般用光年或億光年等等較適宜。

其二，單位傳播距離所對(duì)應(yīng)的周堅(jiān)紅移只與光源所在位置點(diǎn)——光源點(diǎn)有關(guān)。在周堅(jiān)數(shù)軸的概念示意圖中，我們是將光源所在位置點(diǎn)，即光源點(diǎn)設(shè)置在周堅(jiān)數(shù)軸的原點(diǎn)上。

其三，單位傳播距離所對(duì)應(yīng)的周堅(jiān)紅移始終都是正值，它的大小只與相對(duì)光源所在位置點(diǎn)（光源點(diǎn)）遠(yuǎn)近有關(guān)，與光（電磁輻射）輻射的正反傳播方向無關(guān)。

其四，光（電磁輻射）完成它的整個(gè)傳播過程后，它的極限傳播距離就是13，771，980，862.5685光年（約137.72億光年），對(duì)應(yīng)的周堅(jiān)紅移就是無窮大，對(duì)應(yīng)的完成這個(gè)極限傳播距離的時(shí)刻間隔就是13，771，980，862.5685年（約137.72億年）。

點(diǎn)評(píng)：為了能夠用代數(shù)來解決宇宙問題，引進(jìn)這種新形式的數(shù)軸概念是必由之路，當(dāng)然了，普通數(shù)軸的直接引用是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)槲覀儫o從知曉天體的精確距離，但在周堅(jiān)定律被發(fā)現(xiàn)后的今天，我們通過周堅(jiān)定律中的周堅(jiān)紅移這個(gè)紅移觀測參數(shù)來進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣就為實(shí)現(xiàn)用代數(shù)來解決宇宙問題奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)，并讓我們進(jìn)一步正確認(rèn)識(shí)宇宙邁出了關(guān)鍵而重要的一步。

2.7  周堅(jiān)定律向光(電磁輻射)傳播方程轉(zhuǎn)換

引進(jìn)周堅(jiān)數(shù)軸的目的就是要列出光（電磁輻射）傳播全過程的傳播方程，這個(gè)光（電磁輻射）傳播方程能夠讓我們對(duì)光（電磁輻射）在宇宙空間中的傳播全過程進(jìn)行計(jì)算，從而讓我們能夠更好的應(yīng)用代數(shù)來研究光（電磁輻射）在宇宙空間中的傳播全過程。圖2.6就是將周堅(jiān)定律向光（電磁輻射）傳播方程轉(zhuǎn)換示意圖。

從圖2.6中我們可以清楚地看到，一切天體輻射出來的光（電磁輻射）在直線傳播的整個(gè)過程中，我們都能夠用周堅(jiān)數(shù)軸將它們表達(dá)出來，此時(shí)的周堅(jiān)定律已經(jīng)可以轉(zhuǎn)換為方程 的表達(dá)形式來表達(dá)，這為天體輻射出來的光（電磁輻射）傳播進(jìn)行有效計(jì)算創(chuàng)造了必要條件。

2.8  在周堅(jiān)數(shù)軸上的光(電磁輻射)傳播方程一般式

在實(shí)際應(yīng)用中，作為光源的天體不可能統(tǒng)統(tǒng)都在周堅(jiān)數(shù)軸的原點(diǎn)位置上，而是在任意位置點(diǎn)x₀上，因此，依據(jù)代數(shù)理論，在周堅(jiān)數(shù)軸上的光（電磁輻射）傳播方程就應(yīng)該是，這就是在周堅(jiān)數(shù)軸上的光（電磁輻射）傳播方程一般式。對(duì)于x₀等于0的特殊情況，即作為光源的天體處在原點(diǎn)位置上的特殊情況，它在周堅(jiān)數(shù)軸上的傳播就可以直接用圖2.7，即光（電磁輻射）傳播方程在周堅(jiān)數(shù)軸上表達(dá)示意圖來表達(dá)。

2.9  應(yīng)用實(shí)例

2.9.1  已知某天體處在周堅(jiān)數(shù)軸的40億光年位置上，現(xiàn)在，它輻射出來的光（電磁輻射）已經(jīng)向左傳播了40億光年，試求光（電磁輻射）傳播到此時(shí)此刻由周堅(jiān)效應(yīng)引起的周堅(jiān)紅移。

解：

已知：根據(jù)題意，在周堅(jiān)數(shù)軸上，光源點(diǎn)在x₀=40億光年的位置上，向左傳播40億光年后就傳播到x=0億光年的傳播距離位置上。

答：處在周堅(jiān)數(shù)軸的40億光年位置上的某天體輻射出來的光（電磁輻射）向左傳播40億光年后的周堅(jiān)紅移是0.409334。

2.9.2  已知某天體處在周堅(jiān)數(shù)軸的40億光年位置上，現(xiàn)在，它輻射出來的光（電磁輻射）已經(jīng)向右傳播了80億光年，試求光（電磁輻射）傳播到此時(shí)此刻由周堅(jiān)效應(yīng)引起的周堅(jiān)紅移。

解：

已知：根據(jù)題意，在周堅(jiān)數(shù)軸上，光源點(diǎn)在x₀=40億光年的位置上，向右傳播80億光年后就傳播到x=120億光年的傳播距離位置上。

答：處在周堅(jiān)數(shù)軸的40億光年位置上的某天體輻射出來的光（電磁輻射）向右傳播80億光年后的周堅(jiān)紅移是1.386006。

這兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例是讓我們具體體驗(yàn)一下用代數(shù)來解決光（電磁輻射）在傳播過程中的傳播問題的樂趣。為了讓我們直觀的體驗(yàn)這種應(yīng)用樂趣，這里給出這兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例的圖形表達(dá)形式，詳見圖2.8所示。