登录站点

用户名

密码

类比实验——天文研究的主动测量方法

1已有 710 次阅读  2015-01-07 06:23   标签周坚  解析天文学  天文学  类比实验  方法 

类比实验——天文研究的主动测量方法

解析天文学网络公开课

第十三讲:类比实验——天文研究的主动测量方法

周坚/201517

我们知道,天文研究的手段主要是观测,即被动地观测,它不能像其它学科那样,人为地设计实验,“主动” 地去影响或变革所研究的对象,只能“被动”地去观测,根据已经存在的事实来进行分析。

在上几讲中,我们通过拉扯橡皮筋的实验来类比天体红移现象,从类比显示的结果来看,我们似乎隐隐约约发现了什么,似乎也说不清楚,只是发现这个拉扯橡皮筋实验与天体红移现象在规律方面存在雷同,而这种发现似乎揭示了一种天文研究的主动测量方法,我们不妨将这种方法称之为类比实验,现在,只要我善于观察发现,我就能设计一个类比实验主动去研究我们头顶上的星星。在这一讲中,我们不妨将这种方法归纳出来供大家参考应用,具体实例详见图13-1解析天文学:光传播类比实验示意图。

§13.1 类比实验

类比实验是实现天文研究的主动测量最佳方法,它通过实验设计、测量和发现三大步骤,将现实中的事实与天文观测事实进行类比的实验。现以研究光传播距离到底是有限还是无限的问题为例进行类比实验,在类比实验中,我们以拉扯橡皮筋实验类比光传播过程。

第一步:实验设计。

橡皮筋随处可见,我们不妨取一段橡皮筋(为方便标注单位距离刻度,实验选用白色松紧带),在橡皮筋上,首先标注出中心刻度,再向两边标注出固定的单位距离刻度,称之为原始单位距离刻度长度,用符号“λ0表示,并让它自然伸展成为一条直线。

夜空中的星系(天体很多,这里以星系为代表)随处可见,而星系它自身会向四面八方辐射光,光无非就是一种电磁波,而特定光谱具有固定的波长,称之为原始波长,用符号“λ0表示。

注意:这里将橡皮筋原始固定单位距离刻度的长度类比为星系特定光谱原始波长的长度。

第二步:测量。

测量橡皮筋原始单位距离刻度长度。

测量星系特定光谱的原始波长的长度。

第三步:发现。

橡皮筋的原始单位距离刻度长度,只要设定好,无论将它摆放在任何地方,它的原始单位距离刻度长度都不会发生变化。

星系特定光谱的原始波长,无论它在宇宙的任何地方,以及任何宇宙时空,它都不会发生变化。

通过上述类比实验的设计、测量和发现这三步,我们发现具有固定单位距离刻度的橡皮筋与遥远星系辐射特定光谱的原始波长存在雷同的现象。

现在,我们重复这三个步骤进一步进行类比实验,看看会发生什么情况。

第四步:实验设计。

我们拉住标有固定单位距离刻度橡皮筋的两头向相反的两个方向拉扯,让橡皮筋做拉伸运动。在这种状态下,它的单位距离刻度长度就不是原始单位距离刻度长度,而是随拉伸距离的增大而变长,设定拉伸过程中的拉伸距离为r,单位距离刻度变长的长度为λ。

星系向它的正反两个方向同时进行光的传播,设定在光传播的两头分别有观测者对传播的星系光进行观测,其观测距离完全相等。依据哈勃的观测,在这种状态下,特定光谱的原始波长就不是原始波长的长度,而是随距离的增大而变长的长度,设定距离为r,波长变长的长度为λ。

注意:这里将橡皮筋原始固定单位距离刻度的长度变化类比为星系特定光谱原始波长的长度变化。

第五步:测量。

测量橡皮筋在拉伸过程中的拉伸距离r和单位距离刻度变长的长度λ。

测量星系特定光谱原始波长变化后波长的长度λ。这里为什么不测量它的距离呢?由于星系距离我们太遥远了,我们不可能直接测量它们的距离。

第六步:发现。

单位距离刻度的相对变化量是(λ-λ0/λ0,我们可以用“z”来表示。

星系特定光谱的波长相对变化量是(λ-λ0/λ0,我们可以用“z”来表示,在天文学中,这就是我们所指的天体红移,哈勃于1929年已经进行了观测并发现。

通过上述类比实验的设计、测量和发现,我们发现我们拉住标有固定单位距离刻度橡皮筋两头,向相反的两个方向进行拉扯,与星系向正反两个方向同时进行光的传播,其单位距离刻度相对变化量与光传播的特定光谱波长相对变化量,其变化规律完全一致。

§13.2 假设无限

通过上述类比实验的实际观察、测量和计算,我们发现,在假设橡皮筋能够无限拉伸以及光传播距离无限的情况下,对于拉扯橡皮筋来说,橡皮筋的拉伸距离r与单位距离刻度相对变化量z=(λ-λ0/λ0成正比,即r=Z0z=Z0(λ-λ0/λ0;而对于光传播来说,光传播距离与红移z=(λ-λ0/λ0成正比,即r=Z0z=Z0(λ-λ0/λ0,其中的Z0是比例常数,它们都是z=1情况下的距离常数。

至此,我们发现它们的变化规律是一样的,但问题是橡皮筋的拉扯不可能无限进行下去,而光传播的无限性是我们目前的主流共识,类比实验在这里出现了矛盾

§13.3 假设有限

如果我们假设橡皮筋拉伸距离和光传播距离都是有限的,那会出现什么情况呢?我们仍然通过上述类比实验的实际观察、测量和计算发现,对于拉扯橡皮筋来说,橡皮筋的拉伸距离r,不仅与单位距离刻度相对变化量z成正比,而且同时还与单位距离刻度相对变化量z1的和成反比,即r=Z0z/(z+1);而对于光传播来说,光传播距离r,不仅与红移z成正比,而且同时还与红移z1的和成反比,即r= Z0z/(z+1),其中的Z0是比例常数,它们都是z=∞情况下的极限距离常数。

现在是问题是我们如何确定它们的极限距离常数呢?戏曲性的发现就在于此。

1998年,美国科学家索尔·珀尔马特等人,依据那个Ia型超新星哈勃图给出了理论依据,虽然按照大爆炸宇宙学这个标准理论推演获得宇宙正在加速膨胀的结论。

时隔10年之后的2008年,那位中国的民间人士叫周坚,在美国科学家索尔·珀尔马特等人绘制的那个Ia型超新星哈勃图基础上,也给出了另外一个理论依据,从此获得光传播的距离与波长相对变化量成正比,与波长相对变化量加1的和成反比的自然规律,当时,为了区别于哈勃定律,发现者就以他自己的名字进行命名,称之为周坚定律(当时称之为周坚红移定律,后更名为周坚定律),其中光在传播过程中的波长相对变化量定义为周坚红移,用小写z加小写脚注z的符号“zz”表示,距离定义为光在传播过程中的传播距离,用符号“r”表示,其中还有一个比例常数,称之为周坚常数,用大写Z加脚注0的符号“Z0表示,即Z0=13,771,980,862.5686光年,近似为137.72亿光年,它的物理意义就是光(电磁辐射)传播极限距离,任何光(电磁辐射)在传播中都不可能超出这个传播极限距离,这就是我们假设橡皮筋拉伸距离和光传播距离都是有限情况下的那个比例常数。

至此,我们发现,在假设橡皮筋拉伸距离和光传播距离都是有限情况下,它们的变化规律不仅一样,而且与实际观测情况完全吻合,难道这是巧合吗?!不!这是苍天有眼不负有心人,我们通过光传播类比实验发现了光传播的一个自然定律,那就是周坚定律!周坚定律!!周坚定律!!!它告诉我们,光(电磁辐射)在传播过程中,其传输波长会随传播距离的增大有规律地向红端发生自然位移,而这种发生自然位移的现象就称之为周坚效应,产生的相对变化量就定义为周坚红移,光(电磁辐射)传播的距离就与周坚红移成正比,与周坚红移加1的和成反比,其中还有一个比例常数,称之为周坚常数,用大写Z加脚注0的符号“Z0表示,即Z0=13,771,980,862.5686光年,近似为137.72亿光年,它的物理意义就是光(电磁辐射)传播极限距离,任何光(电磁辐射)在传播中都不可能超出这个传播极限距离。

§13.4 类比实验三要素

这里需要提醒注意的是,类比实验必须满足三个要素,即实验状态、已占空间和待占空间,它们缺一不可。实验状态是实验对象的存在形式,比如自然展开的橡皮筋,以及拉伸过程中的橡皮筋。已占空间是实验对象实际占用的空间,比如自然展开和拉伸过程中橡皮筋已经占用的空间。待占空间是实验对象占用空间之外的空间,比如自然展开和拉伸过程中橡皮筋已经占用空间之外的空间。这些现象对于光传播现象来说也是如此。

总之,只要我善于观察发现,我就能设计一个类比实验主动去研究我们头顶上的星星。看!我做到了!做到了!我相信只要我们大家都善于观察发现,我们大家都能设计一个类比实验主动去研究我们头顶上的星星。要知道,类比实验是天文研究的主动测量方法。

分享 举报