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譜線紅移
基本信息
| 中文名 | 譜線紅移 |
引言
牛頓力學
譜線紅移
物質的本身除了慣性之外，還存在另外一種屬性，這種屬性就是所有的物體之間都存在一種引力——萬有引力。牛頓所建立的萬有引力定律確定了物體之間的作用規(guī)律，這個作用規(guī)律在解決宇宙的問題上和牛頓運動定律的本身發(fā)生矛盾。如果宇宙是有限的，那么，物質間由于萬有引力的作用，最終會所有的物質會由于萬有引力的作用而凝聚到一起。如果宇宙是無限的，那么均勻分布在無限宇宙空間中內部區(qū)域的這些物質之間的萬有引力的作用，則會互相抵消。但是，這導致了另一個問題，所有萬有引力的疊加會導致引力勢為無限大，這就是Neumann-Seeliger佯謬。在理論計算上，由于處理方法的局限性，必須引入處理區(qū)域邊界的模式，因此，理論上的這種假設宇宙無限模式是無效的，或者說這是數(shù)值計算模式的局限性。這個問題體現(xiàn)了經典力學先天固有的不足。
這樣就出現(xiàn)了天空背景無限亮的矛盾。實際上，這個矛盾是不存在的。因為在采用上面的處理方法忽略了一個重要的問題，就是恒星發(fā)出的光與距離的關系。我們知道，光照強度同光源距離的平方成反比，這樣的一個關系導致了奧伯斯佯謬不能成立。
相對論
光作為宇宙信息很早就引起人們的注意，在光的傳播問題上，十九世紀的麥克斯韋在解釋電磁理論的基礎上，提出了在宇宙空間中存在以太海的假設，但是在人們采用試驗的方法來驗證以太的存在時，比如比較有名的麥克爾遜——莫雷實驗，卻不能得到以太存在的證據(jù)。這說明采用十九世紀以前經典的力學方法不能對電磁理論關于光的傳播問題很好的進行解釋，或者更進一步說，經典的力學和電磁理論是不兼容的，采用試驗的方法客觀事實不支持這樣的結論，至少在十九世紀是這樣的。
愛因斯坦在當時的經驗事實的基礎上，（主要是根據(jù)如下的兩點假設，第一光速與光源的運動無關，第二，人們采用各種方法測量到的光速為一近似常數(shù)的結論）提出光速為一常數(shù)并且與慣性參照系無關的結論。并進一步提出所有物體的運動速度不能超過光速，將光速設定為物體運動的極限速度。這通常叫做狹義相對論的光速不變原理。通過這個途徑，建立了電磁理論的聯(lián)系。這實際上是建立了關于宇宙中物體的運動和定量的一種關系，或者說宇宙中物體的描述狀態(tài)的關系。當然，僅憑這一點還是不夠的，因為在定量的過程中還存在定量體和被定量體，這一點是通過慣性系來實現(xiàn)的，即通常所說的狹義相對論的相對性原理。
狹義相對論的相對性原理實際上是伽利略相對性原理，在原理所表述的內容上幾乎是沒有區(qū)別的。即：關于力學定律在所有慣性參照系中都是相同的原理。或者更進一步的說，是牛頓運動定律擴展到描述系統(tǒng)的應用情況。另一方面說明，牛頓力學規(guī)律的普適性，在相對論中兼容了牛頓力學規(guī)律。在狹義相對論中，慣性參照系普遍的定量規(guī)律為推廣到宇宙的定量狀態(tài)打下了一個伏筆。
前面我們知道，物質本身的屬性存在兩種屬性，一種屬性是慣性，愛因斯坦通過慣性和光速不變原理建立了狹義相對論描述慣性系的基礎。另一種屬性則是萬有引力，那么萬有引力又是通過什么來進行描述的呢？下面我們來看這個問題。
物質本身所具有的萬有引力和物質作用的關系，其本身是一種經驗約定，在這個關系上，經典的牛頓力學采用平方反比定律來對這個問題進行描述。愛因斯坦則另辟小徑，通過加速度和引力的等效模式來進行等效處理，或者說慣性質量等效于引力質量。如果說狹義相對論是處理慣性系的問題，那么廣義相對論則是處理非慣性系參照系的問題。在廣義相對論存在的問題——原理上的問題 中，我們已經討論了這個問題慣性質量和引力質量是不需要采用等效的模式來進行經驗約定的，它們本身都是力學的定義系統(tǒng)。在廣義相對論中還包括另一種涵義，這種含義就是通過等效的模式建立狹義相對論和廣義相對論之間在觀念、范圍、描述模式上的聯(lián)系，在和狹義相對論相等效的模式上，物體在不同慣性參照系中切換的過程中（變速運動），形成時間和空間的變率，如果是變速運動是穩(wěn)定的，比如角動量為均勻的旋轉系，那么時間和空間的變率也是相同的。我們知道，變速運動等效于引力，這使得廣義相對論具有相似的描述模式，甚至可以進行等效切換。在數(shù)學上采用曲率張量來進行描述，引力系統(tǒng)的引入使得數(shù)學上的空間彎曲成為一種形象的描述模式。
在一個引力系統(tǒng)所造成的空間曲率描述中，無疑會形成一種以引力源為中心的中心對稱。那么，如果將整個的宇宙系統(tǒng)當作一個引力系統(tǒng)，無疑將是一個球形。如果宇宙的物質分布是均勻的，那么將會得到一個準球形。
相對論的理論畢竟是理論，下面我們來看關于現(xiàn)代的宇宙理論以及客觀事實是否支持這樣的結論。
“膨脹”宇宙
總述
關于宇宙膨脹的觀念主要來自于對星體距離的測量上，采用幾何學三角測量的方法，以地球長軸為基線所測定的極限距離不超過150光年，利用某一期間的角位移和譜線得多普勒效應來對星團自轉求線速度的方法，其測定出的距離不超過三千光年，超過這個極限則利用造父形脈動變星的距離測量法，即知道天體的絕對亮度和標準光源進行比較即可。1914年前后，V.M.Slipher根據(jù)譜線紅移發(fā)現(xiàn)了幾個大于10的三次方千米/秒的速度離開我們的天體。大約有過了十年，哈勃測定了這些天體的距離，結果證明這些天體是一些距離在10的7次方光年以上的遙遠的星系。但是，如果恒星的距離太遠，則不能分辨和看到，對這種情況，有的以星系內最亮的恒星作為標準，有的只能以星系整體亮度作為標準盡可能的確定更多的星系的距離和紅移，經過整理，1922年哈勃發(fā)現(xiàn)具有巨大紅移的星系，其退行速度和距離成正比。其中，為哈勃常數(shù)，其值為，他認為這是由于宇宙的均勻的膨脹而造成的。
來自于宇宙物理學
在宇宙膨脹的觀念中，其主要的證據(jù)來自于宇宙光線的譜線紅移，那么，譜線紅移的客觀事實結果的唯一解釋是不是譜線發(fā)射體在遠離我們而去呢？如果譜線發(fā)射體在遠離我們而去是譜線紅移的唯一的解釋，那么宇宙的膨脹的解釋則成立，否則，則不能成立。這樣的結論關鍵在于譜線紅移和譜線發(fā)射體在遠離我們而去是唯一對應的解釋。或者是主要的解釋，其它可能包含的解釋可以略而不計。
我們稍微對光波和宇宙空間的環(huán)境分析一下，就知道這樣的解釋不是唯一的，更不是主要的解釋。下面我們來看引起譜線紅移的可能性的解釋。
解釋
傳遞波的介質可能引起的紅移
（假設中的，很可能不存在）
引起譜線紅移的可能性的解釋我們可以先從常規(guī)波來探討這個問題。
我們從平靜的水面上投擲一顆石子，那么石子會在水面上形成水面波，只要我們稍微注意一下就會發(fā)現(xiàn)，隨著水面波向遠處傳遞，波峰的運動速度會越來越慢。其原因是由于水的粘滯系數(shù)的關系。
但是，光的傳遞介質是不是存在。在十九世紀，以太作為光的傳遞介質被麥克爾遜——莫雷實驗否定后，其它有效的并被人們所接受的作為介質還沒有被提出來。如果傳遞光的介質存在力學的屬性，那么譜線的衰減紅移，則是一種必然。可惜的是迄今沒有發(fā)現(xiàn)這種介質。
（另：關于光的傳遞介質，童正榮先生曾提出過wg粒子，它是和引力相關聯(lián)的粒子，在光的傳遞過程中，存在距離效應。童先生的文章我并沒有讀過，只是偶爾從論壇上看到過他所粘貼的帖子，也表達過距離紅移相似的內容。）
因此，對于遙遠星系光的紅移可以采用三種方法的可能，即：由于宇宙中存在的物質所導致的康普頓散射、帶電粒子對光線能量的吸收所導致的紅移；宇宙膨脹導致的宇宙大小尺度上存在的距離紅移；由于宇宙天體的運動所形成的多普勒頻移。
空間中的物質導致的紅移
在廣漠的宇宙空間中存在著大量的輕原子粒子、基本粒子，光線在穿過這些粒子的過程中，會產生散射。考慮到光線和這些粒子的作用，那么會存在降低譜線頻率的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象通常叫作康普頓效應。傳統(tǒng)中所指的康普頓效應是指光線和原子中電子的碰撞過程，我認為光線不僅僅和原子中的電子發(fā)生的碰撞會存在頻率降低的現(xiàn)象，光線和基本粒子的作用也會存在頻率降低的現(xiàn)象。在空間的介質問題之四 ——光的本性與麥克爾遜—莫雷實驗（中）(光的粒子性)中，已經討論了關于光和帶電粒子間的作用，另一方面，康普頓效應已經解決了光和原子間作用的規(guī)律，因此這里就不探討光和原子間作用的詳細的細節(jié)性問題了，而僅列出光和基本粒子作用的結論。即：
光和帶電基本粒子間的作用過程中，光的頻率降低而減小的量值同帶電粒子的速度變化率成正比。這一點不適用于原子等復合性的粒子，即：不適用于傳統(tǒng)康普頓效應的計算方法。
毫無疑問，光通過宇宙空間中的介質粒子的過程中，會和這些介質粒子發(fā)生相互作用。由于這些粒子既包括高速運動的帶電粒子流，也包括在近乎靜止的原子分子，因此在處理上，可以采用宏觀統(tǒng)計的方法進行各向同性處理，對于廣闊的宇宙而言，甚至可以當作一種常數(shù)。當然，這樣的處理方法是近似的處理方法，并不是很嚴密，因為在不同的宇宙空間中，比如接近宇宙天體和遠離宇宙天體，粒子、離子、原子分布的種類、數(shù)量以及狀態(tài)是完全不同的。將導致康普頓效應的空間介質當作一種統(tǒng)計上的常量處理。（光和帶電粒子間的作用所導致的紅移能不能包含在其中，這是一個精確度的問題，尋求更精確的我想不能包含在其中。）
宇宙天體和地球的相對運動速度所導致的紅移
有一靜止波源在發(fā)射一個一維確定波長的波，當觀測者靜止時，它會觀測到兩個豎直線間距離的波長。假如這個觀測者以一個確定速度在運動，那么當他接受到第一個波峰之后，它會繼續(xù)向波源運動，當他接受到另一個波峰時，它所在的位置已經在虛豎線的位置，那么我們所實際觀測到的波長則不是靜止時的波長。通常我們采用頻率的變化來描述這種狀態(tài)，通常叫做譜線的頻移。
在常規(guī)的機械波，如聲波中，假設觀察者和波源都在同一條直線上，并且觀測這和波源存在相對運動，并且是勻速的，那么，波源所發(fā)出的一個確定頻率的波會因為波源和觀測者的相對運動而在觀測者的觀測結果里，頻率會有所改變。通常我們把這種現(xiàn)象叫做多普勒頻移。其表達式為
其中為觀測者相對于媒質的速度，u為波源相對于媒質的速度，波的傳播速度為V，為觀測者觀測到的頻率，為波源發(fā)出的頻率。如果應用于宇宙空間中的多普勒頻移，只要將上式中的分母換作時間膨脹因子（或者空間收縮因子）為觀測者或者波源的速度，那么就是相對論的表達形式。
采用波長來表達在形式上可以更為簡單一些，即：λ=λ0-Δι，其中λ觀測者觀測到的波長，λ0為波源發(fā)出的波長，Δι為光通過一個觀測者觀測到的一個波長的時間里，觀測者和波源之間的相對位移。
在觀測到的宇宙中遙遠的星光的頻率所發(fā)生的改變，通常被認為是第三種情況，宇宙天體和地球的相對運動速度所導致的紅移，很自然的，在現(xiàn)代天文學中就得到了宇宙膨脹的結論。
鑒別方法
譜線頻移的鑒別方法
總述
在前面我們已經探討了宇宙中遙遠星系所發(fā)出的光在我們觀測上可能會存在三種頻移，這三種頻移單獨觀察一個譜線是無論如何也不能進行區(qū)分的。那么是不是就沒有辦法了呢？當然不，以下方法可以將譜線的三種頻移分辯開來。
傳遞波的介質或者距離效應所導致的紅移
（暫時針對機械波）
波的傳遞介質或者距離效應所導致的頻移其原因是由于傳遞波的介質在對光的能量傳遞過程中所形成的能量損耗所造成，因此在關系式上，可以表達成光衰減的頻率同光傳遞的距離成正比。可以表示為：
其中表示我們觀測到的頻率，為標準譜線的頻率，△為光線通過確定空間長度后所衰減的頻率，它和距離長度成正比。如果我們將上圖中的譜線橫線當作譜線坐標的話，那么我們會看到譜線均勻的橫向移動，每一條實際觀測的譜線都會在標準譜線系圖上橫移△。如圖：
圖中顏色較淡的豎線，表示我們實際觀測到的發(fā)生頻移的譜線系。較深的豎線表示標準的譜線系。當然，在對遙遠星系的觀測過程中，我們得到一個譜線系是不容易的，因為光線強度是非常小的。其實，只要在實際的觀測中觀測到到任意兩條譜線，那么就可以采用這種比較的方法來得到結果。
宇宙天體和地球相對運動速度導致多普勒紅移
多普勒頻移僅和觀測者和光源的相對速度有關，那么多普勒的表達形式為:
由于觀測者和光源之間的相對速度在不同的譜線中是相同的，因此可以簡單的表達成=k，其中k等于。
我們可以看到，多普勒頻移和距離效應存在著本質的區(qū)別，這種區(qū)別就是在譜線系的標準圖上和我們觀測到的譜線系，其譜線的位置的變換為=k。如圖：
(關于這個圖并不是標準的，在譜線位置的關系上也是不對的，這里僅僅為了說明觀測到的多普勒紅移在標準的譜線系上的比較存在區(qū)別，只要注意采用觀測譜線和標準譜線之間的關系很容易鑒定，那么這個圖則是次要的了。）
空間中的物質導致的紅移
空間中的物質所導致的紅移除了星際分子原子物質和光發(fā)生的康普頓散射之外，其它的就是帶電粒子和光發(fā)生的作用了。但由于前面的多普勒頻移是簡單的譜線移動，那么這就提供了一種簡單的鑒別兩種紅移的方法。
如果將宇宙中的媒質采用統(tǒng)計的方法，可以將媒質當作異種均勻的各向同性的分子原子物質處理。但是對帶電粒子處理則不能采用這樣的方法，因為帶電粒子的運動速度在空間中的分布應該符合一種統(tǒng)計的分布。光子和這些帶電粒子的作用所引起的譜線頻移則要采用統(tǒng)計分布的原則了。
頻率高的光和介質發(fā)生的康普頓散射所損失掉的能量要多一些，頻移相對的要大一些。相反，頻率低的光和介質發(fā)生的康普頓散射所損失掉的能量要小一些，頻移相對的也要小一些。那么這就存在這樣一種趨勢，就是光經過大量的多普勒散射之后，頻率分布會趨向均勻，換句話說，將會趨向于連續(xù)譜線。帶電粒子和光線的作用也是相似的。譜線系的結構在我們觀測上將會模糊或者消失。當然，這依賴于光線通過的距離。如果是光線通過的距離是無限的，那么我們所觀測到的則必然是某種連續(xù)譜線。這一點很容易和上兩種譜線頻移的原因區(qū)分開。
關系
譜線頻移和宇宙狀態(tài)的關系
第一、如果我們觀測到的譜線頻移，其鑒定方法必須采用多普勒紅移來解釋，或者以多普勒紅移為主來解釋，那么這說明遙遠的星體在離我們而去。膨脹的宇宙成立。
第二、如果我們觀測到的譜線頻移，其鑒定方法必須采用第一種方法——傳遞波的介質可能引起的紅移，或者以第一種方法為主，由于距離效應所引起，那么一個驚人的結論為牛頓力學在高精度內不能成立，牛頓力學定律不能成立。因為必然要引入力學屬性的衰減來解釋這種現(xiàn)象。那么慣性定律則沒有任何的意義。我們知道，相對論也是建立在牛頓力學的基礎上，因為狹義相對論的相對性原理則是牛頓力學的一種表述。相對論內建的力學系統(tǒng)不能成立的話，那么相對論也不能成立了。
這樣的一個結論是不用懷疑的。
第三、如果我們觀測到的譜線頻移，其鑒定方法必須采用空間中的物質導致的紅移(如康普頓效應來解釋和帶電粒子和光的作用的解釋）來解釋，或者以此為主來解釋，那么這說明膨脹的宇宙不能成立，當然，也包括宇宙大爆炸理論不能成立。那么宇宙的觀念要恢復到十九世紀的哲學觀念，整個宇宙無邊無際。
整個宇宙采用定量的方法來描述是沒有任何意義的。
有效性
由于遙遠星系發(fā)出的光的的強度是很微弱的，能否采用如上的方法依賴于觀測精度能否進一步提高。
另一方面是關于如上的三種可能的原因疊加的問題。我想采用數(shù)學上的方法應該可以區(qū)分開來。
此外，能不能從理論上找到遙遠星系所發(fā)出光的兩條或者兩條以上的譜線，這個問題很關鍵。如果不能確定這個問題，那么本文的方法就沒有意義。由于星系所發(fā)光的物質都是有限的，從恒星不同階段的能源上來說也是有限的和確定的，因此在理論上一定可以找到兩條可供比較的譜線。
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夏佩爾夏佩爾，1928年出生，1957年獲哈佛大學哲學博士。1957—1960年任教于俄亥俄州立大學，1960—1972年任教于芝加哥大學，1972—1975年任教于伊利諾斯大學，1975年任教于馬里蘭大學。1983年任該校科學史與科學哲學委員會主任。美國文學與科學院院士。新歷史主義學派的代表人物。
尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
