物理学理论的研究模板Word下载.docx

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有人据此怀疑宇宙大爆炸假说;

也有人从星系的演化推算出宇宙的年龄大于150亿年;

还有人认为若宇宙大爆炸假说是正确的,那么宇宙辐射在各个方向上就会表现出各向异性;

更有人担心宇宙的膨胀没有尽头,遂认为宇宙的膨胀和收缩是交替进行的……。

但不管怎样,大部分人还是相信“眼见为实”,由星系光谱的红移现象承认了宇宙大爆炸假说。

更有人把红移现象与宇宙背景辐射和宇宙元素丰度并作宇宙大爆炸假说的三大支柱。

那么宇宙是否发生过爆炸并仍在向外扩张,年龄是否只有150亿年呢?

非也!

1.星系光谱红移原因

20世纪初,当人们用望远镜观测银河系以外的星系时,发现绝大多数星系光谱都有红移现象,并且越远的星系其光谱红移值越大。

有人认为星系光谱红移是因为星系正在离我们远去,从而得出这样的结论:

所有的星系都是以我们银河系为中心向外爆炸后形成的,越远的星系离开我们的速度也越大;

宇宙中所有的星系都在彼此分离,并且越远的星系相互分离的速度越大。

值得一提的是,我们银河系正处在爆炸中心,足以值得我们自豪的是:

银河系是宇宙中独一无二的星系—因为它是宇宙的中心。

更让我们惊奇的是,银河系自身也在不断运动着,然而无论它运动到哪里,它始终是银河系的中心。

我们解释不了银河系为什么是宇宙的中心,因为银河系也和其它星系一样,并没有什么特别之处。

有人以为,银河系处于宇宙的中心是一个巧合,虽然银河系从上个世纪至今一直在不断运动,但它走过的距离和整个宇宙空间的尺寸比起来是微不足道的,所以银河系目前仍然处在宇宙的中心,这种看法未免有些牵强。

因为人们在观测近处的星系时,发现近处的星系并没有相互分离的趋势,并且也没有证据表明近处的星系正在以某一个中心为起点向外膨胀。

因此“银河中心说”颇值得怀疑。

还有的人虽然承认宇宙大爆炸假说,但不承认“银河中心说”,他们不认为银河系是宇宙的中心。

这种观点同样也是站不住脚的。

我们可以这样分析:

如果宇宙大爆炸假说是正确的,那么宇宙中所有的星系必定在以某一个中心为起点向外膨胀,星系之间彼此互相分离。

目前我们观测到近处的星系并没有相互分离的趋势,并且也没有证据表明近处的星系在以某一个中心为起点向外膨胀。

倘若我们不是在宇宙的中心而是处于偏离宇宙中心的任一点处,因为在我们周围的星系都没有相互分离的趋势,也没有以某一个中心为起点向外膨胀,这样一来,倘若宇宙中任一点处的星系都没有相互分离的趋势,那么整个宇宙也不可能在膨胀,即宇宙大爆炸假说是错误的。

前事不忘,后事之师。

人类文明发展到今天,“地心说”和“日心说”都被证明是为科学,难道我们还要重蹈覆辙提出“银河中心说”吗?

愚以为,我们应当承认这样一个假设,那就是:

银河系按目前的速度运动下去,100万年,100亿年以后,我们仍然会发现自己处在宇宙的“中心”,无论我们处在宇宙的任何地方,中心也好,边缘也好,我们都会发现宇宙中越远的星系光谱红移值也越大,就好象我们处在宇宙的“中心”一样。

事实上,这个“中心”是光子在宇宙空间中的传播特性引起我们视觉上的错误,“眼见”未必“为实”,我们不能过分相信“眼见”的东西。

红移现象是否由观测者自身的运动引起的呢?

不是的!

如果红移现象是由观测者自身的运动引起的,那么我们将观测到与我们相向运动的星系光谱将发生蓝移而与我们相背运动的星系光谱将发生红移,然而事实并非如此。

再者,虽然我们“坐地日行八万里”,但这个速度和光速比起来实在算不了什么,不至于影响观测结果。

换句话说,我们在观测星系红移值时,观测者自身运动速度的影响可以忽略不计。

红移现象说明光子与观察者之间的相对速度变小了。

产生这种情况有两种可能:

第一是星系正离我们远去,第二是光子在穿越宇宙空间时速度变小了。

这两种情况都可能导致星系光谱红移。

我们认为导致星系光谱红移的原因是后者。

光子在穿越宇宙空间时会与各种粒子（比如引力子）相

互作用从而使其速度逐渐减小。

当然单个粒子与光子作用时间极短,引起光子速度的改变量也是极其微小的,以致于我们观测不到。

随着光子穿越宇宙空间距离的增大,与光子作用的粒子数目也逐渐增多,光子速度的减小量也越明显。

可以推测:

光子在穿越一定的宇宙空间距离后速度将减小到零。

由于光子速度为零故相对我们的能量也为零,这样的光子当然不会被我们观测到。

可见用光学法观测宇宙空间尺度时有一个极限:

150亿光年（也有人认为是200亿光年）。

在这个尺度以外的星系发出的光子由于在没有到达地球时速度已经降低到零,所以这样的星系不可能被我们观测到,至少目前还没有办法观测到。

也有人认为,红移现象是由光子频率减小引起的,即认同第一种可能:

认为星系正离我们远去。

这种观点听起来很有道理,却经不起分析。

我们知道,星系离我们远去时会引起光子频率减小,但各种不同频率光子的频率减小量应该相同,反应在星系光谱上,各种不同频率光子的红移量应该相同。

因此,不论星系离我们多远,星系光谱虽然发生红移但不应该变宽,但事实上远处星系光谱却被拉宽了（星系光谱不会变宽是指星系光谱中任意两条谱线的距离恒定,虽然它们都发生了红移,但它们移动的距离相等,因此各谱线之间的距离不变）。

而且能量越小的光子红移值越大,能量越大的光子红移值越小。

不同频率光子的频率减小量不同,说明红移现象不是由光子频率减小引起的。

即第一种可能站不住脚。

假设宇宙中所有的星系都是静止的,宇宙空间中的物质是均匀分布的,那么光子穿越宇宙空间时的速度衰减量仅与其通过的空间距离有关。

光子穿越的宇宙空间越长,其速度衰减量也越大。

这样星系光谱的红移值仅与其离我们的距离有关,离我们越远的星系红移值也越大,就好象越远的星系正在以越快的速度离开我们一样。

这也正是哈勃定律所揭示的:

星系远离银河系的速度ν与距离成正比,ν=H*D,其中H为哈勃常数。

实际上宇宙中各星系都在不断运动着,宇宙空间中的物质也并非均匀分布的,造成星系光谱红移的原因也很多,所以光谱的实际红移值要考虑许多情况。

2.谱线红移与光子速度衰减

光子与宇宙空间中的粒子是如何作用的呢?

可以设想,宇宙空间中存在许多比光子质量小得多的粒子（比如引力子）。

由于光子在与粒子作用后仍然是光子,可以认为光子仅与粒子发生了弹性碰撞。

既然是弹性碰撞,我们知道,二者质量越接近光子损失的能量越大。

由于光子的质量远远大于引力子的质量,所以在不同频率（质量）的光子中,频率（质量）较小的光子损失的能量较大。

于是经过同一段宇宙空间以后,在不同频率（质量）的光子中,频率（质量）较大的光子损失的能量较少,频率（质量）较小的光子损失的能量较大,例如红光损失的能量比紫光损失的能量多。

由于不同频率（质量）的光子在宇宙空间运动时都损失了能量,这样整个星系的光谱将向红端移动,但由于红光损失的能量多向红端移动的距离大,而紫光损失的能量少向红端移动的距离小,于是整个光谱被“拉宽”了。

如果不同频率（质量）光子的能量损失率相同,虽然它们都产生红移,但是它们红移的距离相等,这样星系光谱虽存在红移但不会被“拉宽”,星系光谱存在红移而且被“拉宽”说明两点:

第一光子在穿越宇宙空间时速度会衰减,第二不同频率（质量）的光子速度衰减率不同。

显然,由于不同频率（质量）光子的能量损失率不同,各种光子的速度衰减量差异将随着空间距离的增加而增大,这样星系光谱被“拉宽”的程度与其离我们的距离有关,离我们越远的星系其光谱被拉宽的程度也越大。

另外,星系光谱被拉宽时还有一个特点,那就是能量大的光子被拉宽的程度小,能量小的光子被拉宽的程度大。

也就是说,越靠近红端光谱被拉宽的程度越大,越靠近紫端光谱被拉宽的程度越小。

考虑到星系引力场的影响,实际情况还要复杂一些。

上面我们谈到光子在宇宙空间运动时速度会逐渐减小,这和人们熟悉的“真空中光速不变”的看法相矛盾。

实际上宇宙空间并非真空,即使宇宙空间是绝对真空它还存在引力场。

换句话说,光子在真空中速度变不变的问题,实际上是光子受不受引力作用的问题。

如果光子不受引力作用,那么真空中光速不变,但这样一来不论星体的引力再强,对光子都没有影响,从而宇宙中也不可能产生“黑洞”了,而现在的黑洞理论基础将不复存在;

假如光子受引力作用,则就不应该有“真空中光速不变”的结论。

有人对此这样解释:

宇宙空间中各星体的引力分布在不同的方向上,它们的作用力相互抵消,因此光子在宇宙空间中的速度不变。

这种解释也是站不住脚的。

我们知道在太阳系内,引力的方向是指向太阳的;

在银河系里引力的方向是指向银河系中心的,所以局部的宇宙空间引力总是有一定的方向的。

我们认为光子作为一种物质实体,它的速度并非一成不变的。

... 

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无论在真空中还是在介质中,它的运动速度都会越来越小。

所以,光速不变只是一个神话,光年也不能作为距离单位,因为光子在前一年中走过的路程总比后一年中走过的路程长。

3.光子在引力场中的运动

星光在通过太阳附近时会受到太阳引力的作用而发生弯曲,说明光子也会受到引力的作用。

其实光子也有质量,当然会受到引力作用了。

通常我们认为:

引力场中物质的加速度仅与引力场的强弱有关,而与物质的质量无关。

如在地球表面不管是1吨的物体还是1千克的物体,其每秒获得的速度增量都是米/秒。

但引力场中光子的加速度与其质量有关:

质量越小的光子加速度越大,质量越大的光子加速度越小。

既然光子也受引力作用,那么很自然,光子在离开引力场时必然会被减速,在进入引力场时必然会被加速,在垂直于引力方向（或其它方向）运动时受引力影响其运动轨迹也会发生变化。

既然光子在离开引力场时会被减速,而且质量越小的光子速度衰减量也越大,那么星体发出的不同频率的光子就有不同的速度。

一般而言,星体引力越强,其发出的光速度也越小;

当星体引力足够强时甚至可能使一部分光子摆脱不了星体引力的束缚,产生黑洞现象。

对同一星体而言,在它发出的光中,质量大的光子速度大,到达地球的时间也越早;

质量小的光子速度小,到达地球的时间也越晚。

我们通常认为不同频率的光同时到达地球,这其实是错误的。

关于这一点我们可以用实验来证实。

当星体发生爆发或其它异常时,总是能量较大的X射线或γ射线先被我们观测到,其次才是可见光,然后才是红外线。

虽然理论上如此,但在实际观测中总有这样或那样的因素及别的解释使大部分人不相信这一点。

如果条件允许的话,我们可以用一个实验来证实我们的观点。

在离我们很远的宇宙飞船上以两种不同能量的光子同时发出一种信号,这两种光子的能量差异越大它们到达地球的时间差异也越大。

实际上考虑到不同能量的光子在同一介质中的传播速度不同,我们应该想到不同频率的光子在真空中的传播速度也不相同。

由于光子在穿越宇宙空间时速度逐渐减小,并且质量小的光子速度衰减得快,可以想象,在经过一段相当长的距离以后,质量小的光子速度已经衰减到零而质量大的光子速度不为零,这样我们就只能观测到质量大的光子。

若星体离我们更远一些,则我们只能观测到质量更大的光子……,随着空间距离的增大,最终我们将看不到远处星体发出的光,这个距离就是我们现在认为的宇宙极限--150亿光年。

人们在观测宇宙时总有一个错误想法:

由于真空中光速不变,所以不管离我们多远的星系,只要足够亮就可以被我们发现。

事实上宇宙空间并非真空,光子在其中穿行时速度会逐渐减小,所以任何星系发出的光只能传播一定的距离,也正因为如此,不管我们