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解析天文学教你从实验中领悟天体红移的本质

已有 259 次阅读  2014-12-26 06:42   标签周坚  解析天文学  天文学  中国  公开课 

解析天文学教你从实验中领悟天体红移的本质

解析天文学网络公开课

第十讲:天体红移的本质

周坚/20141226

我们知道,红移的测量始终贯穿于宇宙一切物质存在,无论是在对恒星的测量中,还是在对星系的测量中,或者在对宇宙微波背景的测量中,等等,红移效应无处不在。红移效应,说白了就是光源的观测波长λ0与光源本身波长λ的相对差值z=(λ0-λ)/λ。

在宇宙中,由于一切物质存在的形式以及运动状态等等因素的差异,红移效应的产生机制,目前已知的就有光源相对观测者运动产生的多普勒红移,以及由引力源产生的引力红移,和由天文学家目前所指的空间膨胀产生的宇宙学红移。在这三种红移当中,多普勒红移是我们研究最透彻的,我们就不用多说了,引力红移是涉及高密度天体才能明显反映出来的,为简化应用,我们也可以暂时忽略,而接下来的就是宇宙学红移了,它存在很大的争议,天体红移最大争议就在于此。在这一讲中,我们做一个拉扯橡皮筋实验,从实验中来证明这个争议最大的天体红移,到底是由空间膨胀引起的宇宙学红移,还是由光(电磁辐射)在传播过程中的传输波长随传播距离的增大向红端发生自然位移现象,称之为周坚效应引起的周坚红移。

§10.1 拉扯橡皮筋实验

由于一切天体都距离我们非常遥远,我们不可能用实验的方法来研究它们,但我们能够用拉扯橡皮筋的实验来间接研究它们。现在,我们就开始做这个实验,实验示意图详见图10.1

实验步骤1:取一段标有等距离刻度的橡皮筋,让它自然伸展成一条直线。现在,我们通过观察就会发现,这个具有固定距离刻度的橡皮筋的刻度至始至终都是固定的。

实验步骤2:当我们拉扯住橡皮筋的两头向相反方向拉扯,让橡皮筋做拉伸运动。现在,我们通过观察就会发现,这个具有固定距离刻度的橡皮筋的刻度,随着拉伸运动的进行,就从原来固定状态不断的变长。

实验步骤3:在橡皮筋做拉伸运动的过程中,当我们抓住橡皮筋的中心向右拉扯,。现在,我们通过观察就会发现,这个具有固定距离刻度的橡皮筋的刻度,随着拉伸运动的进行,仍然在变长,但左边变长的程度比右边变长的程度更长。

实验步骤4:在橡皮筋做拉伸运动的过程中,当我们抓住橡皮筋的中心向左拉扯。现在,我们通过观察就会发现,这个具有固定距离刻度的橡皮筋的刻度,随着拉伸运动的进行,仍然在变长,但右边变长的程度比左边变长的程度更长。

总之,按照宇宙的一致性原理,这种拉扯具有固定距离刻度橡皮筋的实验,无论是置于宇宙的任何角落进行,也无论是置于宇宙的任何时刻进行,其实验结果不可能出现差异。换句话说,我们不可能恰巧看到这种拉扯具有固定距离刻度橡皮筋实验结果所对应的那个特定的宇宙空间或宇宙时刻。

§10.2 类似拉扯橡皮筋实验的天体红移观测

当我们将拉扯具有固定距离刻度橡皮筋实验与天体红移的观测联系起来,我们会发现什么呢?现在,我们就开始进行这种类似拉扯具有固定距离刻度橡皮筋实验的天体红移观测假设实验,假设实验示意图详见图10.1

假设步骤1:当我们将拉扯橡皮筋使之拉伸运动的方向看做是中心星系光传播方向,其星系的红移看做是拉扯橡皮筋过程中的固定距离刻度变长,而观测者就在等距离的两头对星系进行观测。现在,我们通过观察就会发现,两头的观测者所观测到星系的红移相同。

假设步骤2:中心星系以一定速度向右运动,这类似于我们抓住橡皮筋的中心向右做拉伸运动。现在,我们通过观察就会发现,两头的观测者所观测到星系的红移就不同,即左边观测者观测到星系的红移就比右边观测者观测到星系的红移要高。

假设步骤3:中心星系以一定速度向左运动,这类似于我们抓住橡皮筋的中心向左做拉伸运动。现在,我们通过观察就会发现,两头的观测者所观测到星系的红移也不同,即右边观测者观测到星系的红移就比左边观测者观测到星系的红移要高。

总之,按照宇宙一致性原理,这种类似拉扯具有固定距离刻度橡皮筋实验的天体红移观测现象,无论在宇宙的任何角落,即便是宇宙天边,那至始至终都具有相同的观测结果。换句话说,我们不可能恰巧看到这种与拉扯具有固定距离刻度橡皮筋实验类似的天体红移现象所对应的那个特定的宇宙空间或宇宙时刻。

§10.3 类似拉扯橡皮筋实验的天体红移观测结果

通过类似拉扯橡皮筋实验的天体红移观测,我们获得如下结果:

1、依据红移与距离成正比的哈勃关系,天文学家说宇宙膨胀是指空间本身在膨胀(或加速膨胀),这就好比在一维空间中标有固定距离刻度的橡皮筋,虽然它的固定距离刻度是固定的,但也会随着宇宙空间不同而不同,因为空间固定距离刻度随宇宙空间的膨胀而变长,这就好比我们18的高大个子,在今天的宇宙中恰好就是18的高大个子,但追溯到宇宙过去时刻就不是18的高大个子,而是比18的高大个子要矮小很多很多,甚至小到比引起宇宙大爆炸的那个“奇点”还要小,当然了,我们再反观到宇宙的将来时刻,我们今天18的高大个子,就不是今天18的高大个子,而是比18的高大个子还要高大很多很多,甚至大到无限,可想而知,这就显然严重违背了宇宙的一致性原理。

2、当我们将红移与距离成正比的哈勃关系看成是光(电磁辐射)在传播过程中的传输波长随传播距离的增大有规律地向红端发生自然位移,这种现象在解析天文学中被命名为周坚效应,如此一来,光传播的载体就是固定不变的宇宙空间,它是永恒不变的一切物质存在的载体,至此,宇宙一致性原理得到充分体现。

§10.4 天体红移的本质

从观测的角度来说,天体的红移,主要包括两种,即由天体自身运动的多普勒效应产生的多普勒红移和由光(电磁辐射)在传播过程中的传输波长随传播距离的增大有规律地向红端发生自然位移的周坚效应产生的周坚红移,而我们观测到天体的红移就是多普勒红移和周坚红移的和(注:天体的引力红移在高密度星体上才能明显显现,解析天文学为了简化研究,就将它暂时忽略),而红移的发生载体就是永恒不变的宇宙空间。

现在,我们设定观测到天体的红移称之为观测红移zg,由周坚效应产生的红移称之为周坚红移zz,由多普勒效应产生的红移称之为多普勒红移zd,那么就有zg=zz+zd这样的红移关系。


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