宇宙深处——新疆天文台工作片段回顾

邵明辉

从我们处于银河系内的位置

望穿蜂群般的繁星

 进入宇宙深处。

——哈勃

一

1995年初，中国科学院正处于改革初期阶段，我从中科院新疆化学所来到了同在一个大院内，同属中科院系统的乌鲁木齐天文站（2011年更名为新疆天文台）工作。

在科学院改革的大背景下，每一个人对未来可以有多种选择。然而，就个人因素而言，我还是喜爱科学院的工作氛围。毕竟，我已经在这里生活与工作了二十多年。我来到新疆天文台工作，主要是因为我的机械教育背景和计算机软件技能，以及曾经在化学计量学领域的研究经历。

当我熟悉并掌握了本职工作之后，少年时对天空的好奇，在这个从事天文研究的环境里，又开始萌发出新芽。在南山VLBI观测站，面对一片青山和蓝天，大约从1998年开始，我的思想进入了浩渺的太空。我开始考虑有关宇宙的过去与未来。在浩渺的宇宙中，银河系和太阳系都是其中的一个小与更小的角落。我们赖以生活的地球，更是那么的微小。然而，生命却在这里产生，智慧在这里闪光。

记得少年时，在父亲工作的工厂的图书室里，很多个傍晚，我都坐在长凳上或倚在书架上捧着一本书度过几小时。遇到特别喜爱的书，就借回家里去看。其中的一本是科幻小说，描写了一个地球人在到达火星之后，受到一个火星姑娘的帮助重返地球的故事。两个不同种类的智慧生物建立了友谊，甚至在心灵中产生了纯粹精神上的爱情火花。这个地球人在回到家园后，每当夜晚面对星空，他似乎听到了来自遥远火星的呼唤。

现在，太阳系已经成为人类的家园，银河系也已经没有可以引起我精神向往与探索的秘密。记得刚上初中时，我和小伙伴从《少年科学》上学习制作矿石收音机，那个闪着神秘的蓝色幽光的矿石检波器，简直令我着迷。看不见的电波从屋顶上我们拉起的铜丝天线上被接收下来，经过中间插有磁棒的线圈，还有许多片铝片组成的调谐电容器，和那个神秘的小晶体，从喇叭中就发出了声音。那神秘的幽蓝色晶体之所以显得那样神秘，还在于它那一根细细的可以调整的金属丝，仔细地用它接触晶体的不同部位，收音机就会产生不同的接收效果。

现在，我对于电波有了真正的似乎触手可及的感觉。那电波，从遥远的闪亮的星星（当然，也有肉眼看不到的、不发射可见光的、或者不是恒星的其它天体）那里传来，被我们的天线接收，成为记录在磁带上，显示在计算机屏幕上或由仪器描画在记录纸上的波形信号。我似乎感觉真的触到了那遥远的天体。

浩淼的宇宙进入了我的视野。

电磁波是我们从宇宙中可以接收到的主要信息。宇宙学红移是电磁波的一个独特的重要特征。基地的工作，使我对光的本性有了直感的理解。在这个新的领域工作了15年的时候，也是在我考虑宇宙问题超过10年的时候，我对光线的一个特征——红移——有了一个突然到来的感悟。这个感悟的到来，基于多年的直接感受与思考。基于前人的工作，在对红移本性的研究方面，我有了自己一点新的理解。

浩淼的宇宙，是物质世界的唯一存在。无数的星系分散在宇宙之中，我们的银河系是其中之一。太阳系是我们地球生命的摇篮。我们的银河系、太阳系、还有地球，分别是宇宙或大或小和更微小的组成部分。我们人类和地球上的各种生命也都是宇宙的组成部分。联想到这些，我的思绪似乎进入了宇宙的深处。

二

广袤的宇宙成为我精神深处的心灵向往，在新的工作岗位上，学习了必要的天文学基础知识之后，我便开始了对宇宙学领域的探索。

大爆炸模型是当今主流的宇宙模型。

在学习大爆炸理论的过程中，我同时进行着思考。我思考宇宙的大小和最初的光线传播了多少距离这个问题。按照大爆炸理论，宇宙创始于一百三十七亿年前的一声轰然巨响，根据宇宙学常数取值的不同，也有人说是发生在一百五十亿年前。因为宇宙在膨胀，光线走过的距离也是时刻在变化。经过一段时间的思索，我将思考的结果形成了一篇文章，然而从内心深处我却不是很确定。当我在美国见到了诺贝尔奖获得者，3K宇宙背景辐射的两位发现者之一威尔逊之后，他的看法与我的思考结果相同。但是，我心里的不确定的感觉还是没有消除，于是这篇文章被我搁置起来。

这次与威尔逊见面，还是要归功于天文台的老领导张晋。

我和一位同事参加2001年在美国Haystack天文台举办的TOW会议，张晋要求我们趁此机会多参观几个地方，以开阔眼界，了解当下天文学研究的前沿进展。于是，在马卓波（Chopo Ma）先生的安排下，我们在TOW会议之后，参观了哈佛-史密松天体物理中心，和Green Bank美国国家天文台。

与诺奖得主威尔逊见面之前，为了使这次见面显得有内容一些，我想了一个问题，关于光线在大爆炸宇宙背景下的传播距离的定义，准备向这位诺奖得主请教。我的问题是浅薄的，他的回答因而也是简单的。然而这次会见在我的心理上产生的印象却是巨大的。诺奖得主也曾经见过几个，然而那些都是在一些公众场合，距离虽不远，但是心理距离却像是更大一些。这次就不同了，面对面两个人之间的交流，让我感觉到了与诺贝尔精神的贴近。

与威尔逊会见之后，我们又参观了氢原子钟研究室。

三

遥远的星体发出的光穿过星际空间和更为巨大的星系际空间，到达地球。这些星体发出的光线在经历了漫长的传播过程之后，到达地球上时都会呈现不同程度的红移，红移的程度与那些星系到地球的距离有关。对宇宙学红移的不同解释，就形成了不同的宇宙观，如膨胀宇宙或稳态宇宙等。如果用多普勒效应来解释，得到的就是大爆炸宇宙图像。

大爆炸的图像时时萦绕在我的心头，我却总不能安心地接受它。寻找对于红移的另外解释成为我思考的主要内容。

要寻求对宇宙学红移的另外解释，应当在物质与光的相互作用本性中去寻找答案。在物质与光的相互作用机理方面，有两种已有的解释。一种机制清晰，是康普顿散射效应；另一种机制模糊，是疲光子理论（Tired Light Theory）。

康普顿散射会使光子传播方向产生偏移，导致影像模糊。既然康普顿散射不能给出完满的解释，那么对红移解释的另一个答案应当存在于疲光（Tired light）理论之中。这个理论还没有清晰完整而又自圆其说的理论体系，还只是一种假说。1929年，在哈勃得到距离-红移关系，并用多普勒效应来解释红移的同一年，兹威基（F. Zwicky）提出了疲光假说以解释宇宙学红移。

从哈勃的年代到现在，多普勒效应是宇宙学红移唯一清晰的诠释，这导致大爆炸理论成为被大多数天文学家与科学家所接受的宇宙理论。但是，大爆炸图像的诡异，使得哈勃后来也产生疑问，转而相信红移应该有更为实在的解释。

大爆炸模型统治着宇宙学的局面就这样继续下去吗？我心中有一种被禁锢的感觉，大约有七八年的样子。一度我也有被迫放弃的想法，心中却还存在坚持的勇气。对这个问题的思考与讨论在我心中展开，在我的头脑里，我的思想形成讨论的双方，甚至是几方，以使思辨能够展开。我的思想漫游在宇宙与物理学的各个角落及其历史之中。

2010年初，大约是农历新年之前，一个机缘又触发了我对这个问题的思索。多年的思想漫游，使我知道在现有的解释范围内已经不能寻找到答案。于是，思想摆脱了束缚也就获得了自由。就在一次上班的路上，我的脑海里忽然闪现的一个念头，似乎在令人窒息的房间里有一丝清新的气息从脸前吹过。我想到作用光子与物质粒子的大小会是一个怎样的关系。因为，在康普顿散射过程中，是按照粒子-粒子弹性碰撞的模型来思考的。康普顿研究的是X射线与电子（实际上，是X射线光子与围绕原子核振动的电子云）的相互作用产生的效应。而红移，主要是研究可见光（包括紫外与红外光乃至更长波长的电磁波）光子与物质粒子的作用，这肯定与X射线与电子的作用过程不同。

为什么会想到这一点，大概与我正在看科学史与物理学史有关。因为忽略了X射线与伽玛射线的波长不同，约里奥·居里夫妇——居里夫人的女儿和女婿错过了发现中子的机会。

也许，开启宇宙学红移新诠释之路的起点就在这里？

                                    四

基于质能等价原理，将光子与物质粒子等同看待。可见光的波长尺度要比原子大几千倍，而它的密度仅为原子的3×1019分之一。光子是运动的电磁场，而原子与分子都有一定的极化距，当它们与光子相遇时，物质粒子穿过光子，在光子电磁场洛伦茨力作用下，使原子与分子振动。这样，光子的能量传递给原子或分子。能量的减少，使得光的波长变长，也就是产生红移。

由此得到红移公式Z = exp(kNλ0+u)-1。这个公式指出。红移与波长有关，这是一个新观点。已有的文献中的观测数据证实了这一点。

又大半年过去了，文章已呈雏形。

身边有支持我的朋友和同事们。海外还有那些从未谋面的，仅凭电子邮件联系，与我一样持非“大爆炸”观点的天文学界同行们的支持。其中，有两位对我的模型给予了明确有力的支持。

巴西的Assis教授是最早支持我的海外学者。他的三篇文章在我的文章中被引用。他对我的模型的一个评价，“Good fight”。给予了我精神上很大的支持。

澳大利亚的Crothers是又一个对我的模型给予强力支持的人，他是一位有造诣的广义相对论专家。在他的一篇关于广义相对论研究的论文中，所得到的结论是由广义相对论并不得到“大爆炸”模型。他认为我的模型“令人信服地”（cogently）支持了疲光子理论。

对于大爆炸理论的怀疑，并不仅仅出于哲学上的怀疑与对其逻辑上不确定性的质疑。一个重要的原因，还缘于导致大爆炸结论的多普勒诠释不能对一些红移观测数据做出合理的解释。一个方面的数据是类星体的观测数据，另一类数据是对太阳日面的观测数据，另外还有就是1968年“先驱者6号”在逐渐进入太阳背面时候，它发出的信号在到达地球时，所产生的红移。

新的模型解释了多普勒效应所不能解释的现象。

我将文章投往Astrophysics and Space Science（ApSS）。

ApSS的审稿人认为我的文章中描述的作用过程是不存在的。对于我提供的两篇新的参考文献，也没有回复的意见。ApSS的编辑一定是在瞻前顾后。

我决定选择英国皇家天文学会的MNRAS投稿。我将新查到的参考资料加入文章中，并对文章进行了修改，向MNRAS投稿。

就在几个月前，我已经办理了退休手续。此时，我离开乌鲁木齐到了北京。

到了北京没几天，我收到了MNRAS编辑的电子邮件，附有审稿人的审稿意见。从我投稿到收到邮件，中间大概一星期的时间。从审稿速度与审稿意见来看，我估计审稿人是我文章中一篇参考文献的作者。之前，我与他有过学术上的交流与联系，他提了一些中肯的意见。编辑的要求是在六个月之内，我修改好文章。

从查资料开始，我又进入了一个写作的小循环。

在第四个月的月尾，我完成了文章的修改。我将文章的修改稿上传到MNRAS的稿件处理系统。终于，我结束了近两年的持久写作，可以把这项工作告一段落了。

过了几天，编辑返回了审稿人的意见。审稿人正是我猜想的D. Mamas，他又提了两点小的修改意见。我又花了两三天的时间，把文章按照审稿意见修改好，发送到了MNRAS的系统。几天后，编辑部的回复来了，Mamas对于红移与波长有关这一观点想不通。在这一点上，他止步了。

最终，《物理思考》（Physics Essays） 接收了我的文章。它要求有法文的摘要。我的参考文献中有一篇是两个法国作者写的。Vigier 于2004年辞世。健在的Peker 在法国学院，已经89岁了，他将摘要译为法文。我将文章通过电子邮件发给Physics Essays，三个月后，我收到编辑部发来的审稿人意见。一个审稿人同意发表，另一个审稿人提出了一些问题。同提出问题的审稿人的讨论反复了几个来回，他的问题使我对文章做了更深入地考虑，并进行了必要的修改。在2013年2月4日，春节前，我收到了Physics Essays编辑的来信，我的文章将于6月刊出。

在台长王娜的支持下，文章的发表费用由新疆天文台提供。

以上为我在新疆天文台所做研究工作过程中一些片段的回忆，作为对建台六十周年的纪念。