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[转载]专访天体物理学家方励之──谈今年诺贝尔奖物理学奖
热度 3 FengShengfei 2011-12-14 13:09
专访天体物理学家方励之 ── 谈今年诺贝尔奖物理学奖 （方励之 2011 年 10 月 05 日 接受美国之音的采访） 索尔•珀尔马特，亚当•里斯以及布赖恩•施密特三位美国天体物理学家获得今年的诺贝尔物理学奖。他们的研究成果是获得明确的证据显示宇宙在加速膨胀。美国之音就此采访了国际知名的美籍华裔天体物理学家、亚利桑纳大学物理学教授方励之，请他介绍了三位美国学者的研究以及天体物理学一些有趣的基本概念。 方励之教授与夫人李淑娴在他们合著的《宇宙的创生》英文版中有关宇宙膨胀问题的解说，被美国著名物理学家弗里曼•戴森誉为最好的科普解说。 问： 方教授，诺贝尔奖评奖委员会宣布今年获得物理学奖的三位是美国天体物理学家。他们的主要研究成果要是用三言两语简单地说，你要怎么说？ 答： 宇宙学研究的最重要的发现是宇宙的膨胀。这是 1929 年美国天文学家埃德温 . 哈勃发现的。现在这三位研究者借助更遥远的超新星发现，不但是宇宙膨胀，而且是加速膨胀。也就是速度越来越快地膨胀。 问： 我还记得在 1980 年代末，你在北京主编湖南科技出版社出版的科普读物“第一推动丛书”的时候，宇宙膨胀到底是在加速还是减速好像还没有定论。这三位美国天体物理学家他们的研究突破好像都是在过去的二十年里取得的，是这样吗？ 答： 他们取得的（关键性）观测数据是过去的十几年取得的，不到二十年。从 90 年代初开始。 问： 他们要拿定宇宙加速扩张的证据，为什么要选 Ia 型超新星？ 答： 因为超新星有两个特点。一个是很亮，就是很远的超新星你也还是能看得到。第二是超新星有很多种，有一种 Ia 型的超新星，它们的光度基本是一样的（恒定的），可以说几乎是一样的。也就是说，它们爆炸的时候都是这么亮。这好了。你要是找到这样的超新星，看到这样的超新星，就可以把它们当作我们研究天文学的人所说的 “标准烛光”。也就是说，它们的亮度都一样。这样，你就可以更容易地研究宇宙膨胀。 问： 我要追问一句，宇宙在加速膨胀，这可是个比天还要大的问题。为什么古往今来的科学家、天文学家居然都没看到哪？ 答： 这是科学问题，你要有证据哪。他们三个（获奖的天体物理学家）主要是找到一些证据。刚才我们说到超新星。超新星研究实际上也是很晚的。找到这种类型的，或者是能很远就看到的，也是很晚近的事情。 问： 为什么？因为观测的限制么？ 答： 是。因为这种超新星实际上很少。实际上，在一个星系里，例如，我们的银河系就是一个星系，超新星在一个星系里大约 1000 年才有一个。而这一个还不一定就是我们刚才所说的 Ia 型，而可能是别的类型的。所以，这样你就要等。（人生有限）你等 1000 年当然不行。所以，他实际上观测了五万个星系，每天去监视。假如说一个星系平均 1000 年出现一个超新星，那他一年内能看到五十个超新星爆发。这是平均而言。然后，再在这几十个爆发的超新星里筛选。要筛掉大部分的超新星，才能找到这种 Ia 型的。他们从 1990 年代开始积累数据，也就是只找到了几十个有用的。 问： 你刚才说的，都是光学观测嘛？ 答： 都是光学观测。 问： 推动我们所知的宇宙加速扩张的所谓的暗能量到底是什么呢？天体物理学研究者有什么研究进展？ 答： 现在只能说没有答案。这最初是爱因斯坦在他的广义相对论方程式里写的一项（即所谓的“宇宙常数”）。只要有这一项，就会显示宇宙加速膨胀。不过，爱因斯坦后来很讨厌这一项。所以，你看华盛顿美国科学院前面的爱因斯坦雕像（见图），爱因斯坦手中有三个公式。他在广义相对论公式里就不写这一项。虽然这一项是他最先写进去的。但他后来再也不写了。 问： 那么，就推动我们宇宙加速膨胀的暗能量而言，通过观测超新星，我们可以说我们间接地证明了暗能量的存在了吗？ 答： 你也可以这么说。不过，你用的“证明”这个词，这在我们这个领域太强。通过观察超新星，证实宇宙在加速膨胀；有一个解释是，这可能是因为有暗能量存在。这么说比较妥当一点。 问： 现在天体物理学家们的共识可以说是，我们所看到的宇宙大部分是由我们看不见的暗物质和暗能量组成的。暗物质和暗能量到底是什么关系？暗物质跟宇宙膨胀、扩张有什么关系？ 答： 暗物质早就发现了。实际上早在 1930 年代就有人怀疑有暗物质。真正比较确定它的存在是在 1970 年代、 80 年代。星系的形成靠引力把物质收缩起来。假如没有暗物质，只是靠普通的物质，引力太小，不足以形成星系。所以，一定要有暗物质这种东西。暗能量则是起另外一种作用，跟暗物质相反，不是导致收缩，而是导致膨胀。这两种东西作用相反。要是跟普通人说，就可以说暗物质跟普通物质还算接近。暗物质就像普通物质一样。有物质，就有压力。比如汽车轮胎。你把气打进去，轮胎的压力就大了。暗能量则是相反的。暗能量的质量跟压力是相反的。暗能量质量密度越大，它的负压力越大。假如汽车轮胎里是暗能量，你要抽出东西来，它里面的压力才会加大。 问： 现在我想，连信奉神创造天地的圣经的梵蒂冈也不否认宇宙起源于大爆炸了。这也是方教授当年在中国国内所说的如今很多神学问题、哲学问题，已经变成了科学问题。当年方教授的这种说法还受到了中国执政党共产党的权威哲学家的批判。这一切说起来很好玩。但今天没有时间说。我现在想问的是，要是说宇宙起源于大爆炸，假如我用一个炸弹爆炸来作比喻，我可以说，宇宙如今还是处于爆炸依然在进行，弹片依然在加速扩散的阶段吗？ 答： 粗略地说，你可以这么说。它一直在飞散。 问： 你说是粗略地说。那么，要是详细地这么说，会有什么错呢？ 答： 因为它的爆炸是说空间时间的爆炸，不是弹片飞散。 问： 为什么不能说弹片飞散？ 答： 你也可以这么说，因为从形象上来说，好像是每个星系都像弹片一样往外飞。你可以画出这样的一种图像来。但它这种往外飞，实际上是空间在膨胀。 问： 宇宙爆炸要到了什么时候才会停下来呢？假如还是用炸弹爆炸碎片飞散作比喻，什么时候碎片扩散会减速？ 答： 如果按照现在的这种加速膨胀的模型去推到极端的未来，那就没有停下来的时候。 问： 没有停下来的时候？ 答： 没有停下来的时候。直到最后，弹片一直在分散，而且在加速分散。也就是说，两个星系之间的距离越来越大，而且是距离加速变大。最后，谁也看不见谁了，因为彼此太远了。从暗能量的概念出来之后，就有人算过。按照这样的扩散，经过几十亿年，天上就什么也看不见，什么也没有了。 问： 那我就来了一个问题。假如它能永远这么分崩离析下去，而且是加速扩散，那么，它的能量是从哪里来的呢？ 答： 能量是从真空里来的。 问： 你是说，能量是无限的。你是这个意思吗？ 答： 没有必要说无限。在宇宙学当中，能量守恒定律你可以暂摆在一边，置之不理。 问： 哇，难以理解。难以想象。超出了人的本能直觉啊。 答： （笑）是哪。 问： 超出了逻辑。超出了我们所知的物理学定律，不是吗？ 答： （笑）并不超出我们所知的物理学定律。你的能量守恒定律也是晚近三四百年的事情嘛。人家原来也不相信这个。人们相信能量是无限可用的。试图创造永动机的有的是嘛。 问： 方教授，假如有一拨初中生、高中生，有志于今后从事物理学研究，作为一个天体物理学研究者，你愿意怎样向他们介绍天体物理学？换句话说，你会说天体物理学都什么有趣的研究方向，把他们吸引到你的研究领域来？ 答： 天体物理和物理是分不开的。可以说，物理学从一开始，它的很多的证据是从天体物理来的。第一，我们可以看牛顿。他是怎么建立牛顿力学和万有引力定律的呢？他是靠太阳系行星的运动建立的。也就是说，靠的是天体物理。还有，现在我们老是说量子论。量子论的第一件重要发现就是光谱有很多谱线，从这里发现所谓的能级、量子化等等。谱线有什么规律的呢？是靠太阳的光谱，你在地面上看不到。只能用太阳光才能看得到。爱因斯坦的相对论理论就更不用说了，它是靠水星近日点的进动等等，总之全是靠天文学的观测得来的。到现在，研究粒子，研究微观最前沿的东西，还是不能离开天体物理。大的东西跟小的东西联系是很密切的。天体研究有一个特点，这就是它尺度特别特别大。假如有很微小的差别，因为尺度大，把微小的差别就放大了，就很容易看清楚。 问： 谢谢方教授接受我们的采访。
个人分类: 物理哲思|2619 次阅读|3 个评论
所谓“宇宙加速膨胀”错在哪里？！
热度 5 可变系时空多线矢主人 2011-10-15 20:32
所谓“ 宇宙加速膨胀 ”错在哪里？！ 今 年的“诺贝尔物理学奖”以“通过观测遥远超新星发现宇宙的加速膨胀”的理由颁发给美国、澳大利亚三位科学家 Saul Perlmutter 、 Brian P. Schmidt 和 Adam G. Riess 。本博主已于 2011-10-7 09:48 | 以以博文：《 今年的 “ 诺贝尔物理学奖 ” 将再次表明：不应太在意它！ 》具体指出了它的荒谬，本文将着重分析、说明： 所谓“ 宇宙加速膨胀 ”究竟错在哪里？！ 其实，甚至，所谓“ 宇宙是因 140 亿年前大爆炸，而进行膨胀、发展的”，这种，在几乎一个世纪的时间里，就已被所谓“主流观点”所认同，的论点，也早就被给予过诺贝尔物理学奖，但是，它与大量客观事实的不相容，却也都是无法解释和排斥的！ 所谓“ 宇宙膨胀 ”也只是根据 由选定的超新星定位，分析各星体得出的“距离 ~ 速度”的所谓“ 哈勃图”得出的 结果。 其中，各星体的距离是由其发光亮度随距离而衰减的规律推算得到的， 而其运动速度是由该星光频率的红移，按“都卜勒效应”得出的所谓“ 哈勃规律”，即： 该星体的运动速度与其光频率的红移量成正比，而由测得其光频率的红移量确定的。 1988 年， Saul Perlmutter 领导的小组， 1994 年底， Brian Schmidt 领导的小组中 Adam Riess 也扮演了关键角色，分别观测到更多的 遥远处的 超新星，并联系解决由于超新星的 亮度在爆发后，本身也会有一定规律的衰减，在传播的过程中还会受到宇宙尘埃的吸收等因素而衰减 ，等等 影响 的因素，而确定了它们的所谓“ 哈勃图”。 1998 年，这两个研究小组观测到了 50 多个这样的超新星。发现“它们的光比预期的要弱”，而得出同样的令人惊异的，认为这是：“宇宙加速膨胀”的结论， 但是，这种宇宙正在加速膨胀，就已令人惊骇不已。如果膨胀持续加速， 宇宙将终结于寒冰。 特别是，宇宙怎么可能加速度？ 这种荒谬的结论， 只能设想认为是：被某种与通常物体有引力相反的，无处不在的，有斥力的，所谓“暗能量”所驱动。 但是，这种暗能量究竟是什么？ 2011-3-26 23:19 本博主已发表博文《 “暗物质”、“暗能量”的产生、发展和终结 》，就已具体总结、分析了所谓 “暗物质”是因星系团内各星系的弥散速度按“维里平衡条件”推断其总质量比其成员星系质量的总和大 10-100 倍而产生。以及观测认为宇宙在加速膨胀，而设想有所谓“反引力”的“暗能量”充满宇宙各处。 却又始终没法说清楚，也至今始终找不到它。 实际上，由现有 这样的观测、分析各星体所得出 的 所谓“ 哈勃图”，本身，除了 按 超新星 亮度 的 衰减确定其距离，仍须全面正确计及其各种影响因素外，更重要的还有： 1 ．按照狭义相对论，对于光子 的同一时空位置矢， 在 “不带 ’ 号”（某星体）与“带 ’ 号”（探测处）的两个牵引系间的变换，应由下式表达： ict’=ictict*/r*-r(3)r*(3)/r*, r’(3)=ictr* (3)/r*+ r(3)ict*/r*, 其中， 在两系的同一时空位置矢 ， r, r’ ， 和时空牵引位置矢 , r* ， 的 “ 时轴分量 ” 和 “ 3 维空间轴分量 ” 分别为： ict ； r(3) ， ict’ ； r’(3) ， ict* ； r*(3) ， 而在 “带 ’ 号”系观测到的 3 维空间位置或距离，应是 r’(3) 而并非 两系间的 3 维空间牵引位置或距离 r*(3) 。因而，必须作相应的转换。 2 ．现在用以确定 星体的运动速度与其光频率的红移量成正比的所谓“ 哈勃规律，只是由惯性牵引运动的大量光子动量时空统计得到的波的频率在两牵引运动系的变化规律。 但是，观测 各 星体的 牵引运动却并非都是惯性的，而非惯性牵引运动的大量光子动量时空统计得到的波的频率在两牵引运动系的变化规律，却是 其光频率的红移量与星体的距离、运动速度、加速度，都有关的复杂函数。 因而，仅凭由一个 超新星，就不足以定位确定各 星体的距离、运动速度、加速度，而必须多个 超新星的有关数据联合求解确定。 这样确定的结果，才是正确的，而它就可能得不出所谓： 1． “宇宙 140 亿年前大爆炸，而进行膨胀”； 2． “通过观测遥远超新星发现宇宙的加速膨胀”。 3 ．也就无需设想 始终没法说清楚、找不到的，无处不在的，所谓“暗能量” 而且，对引力公式和红移测速公式由相对论和时空可变系多线矢物理的深入认识与发展，已能解释各种观测事实。 特别是，由周围星体运动状态可按改进的引力公式和红移测速公式推断其间黑洞的质量，已可能弥补所谓“宇宙质量缺失”。 因而，为根本 否定存在不同于通常物质的 所谓“暗能量”提供了条件。
个人分类: 物理|3587 次阅读|17 个评论
认识宇宙（之四） 用观测事实和实验证据验证“C宇宙模型”
池顺良 2010-8-11 09:11
戴文赛先生的信.doc 认识宇宙（之四） 用观测事实和实验证据验证 C 宇宙模型 0. 前 言 C 宇宙模型是一个物理图像简单而又清楚的模型。但要 C 宇宙模型被接受，需要有更多观测事实和实验证据的支持。 膨胀和膨胀加速已被观测到。但至今未观测到存在反物质星系。也没有正物质与反物质间牛顿相互作用相斥的实验证据。后两项证据上能否取得进展将决定 C 宇宙模型的命运。 1. 宇宙中反物质的搜寻 宇宙中有没有反物质组成的天体，不是理论分析能解决的问题，只能通过观测来回答。 从微观上看，粒子和反粒子的电磁作用和强作用性质相同，我们限于观测天体的电磁辐射是无法区别天体由物质或反物质组成。中微子和反中微子能带来区分正反物质的信息，但今天我们还难以接受远处天体的中微子辐射。最后，我们只能依靠粒子与反粒子湮灭发出的特征性的伽玛射线来识别。 银河系空间充满稀薄的星际气体，还有宇宙射线粒子在飞行。它们不与任何一个恒星湮灭而发出特征性的伽玛射线，表明银河系内没有反物质星体。这样的观察已经延伸到本星系群范围，因此天文学家已能肯定，在我们周围几千万到上亿光年范围内没有反物质星系。 在一些理论家看来， 上亿光年范围内没有反物质星系，几乎等于肯定了全宇宙没有反物质星系。理由是如果宇宙中正反物质是等量的，按粒子物理学已经知道的相互作用，它们是没有可能作大尺度分离的。 这样的结论似乎早了些。 按粒子物理学已经知道的相互作用，它们是没有可能作大尺度分离的。的判断是建立在支配宇观世界运动的相互作用是万有引力的认识基础上的。如果这种相互作用不只是万有引力，还有异种物质相斥的万有斥力，情况就会完全不同了。 在同性相吸异性相斥的相互作用下，正反物质各自聚合成巨大的正反物质团，异种物质团相互排斥而远离，即正反物质团的分离是必然会发生的。 从巡天观察结果看， 超星系团以下各级结构的空间分布是不均匀的，但总星系内各超星系团的分布是均匀的。因此，在我们所能观测到的宇宙中，正反物质世界的基本组成单元很可能是超星系团。超星系团的尺度达到数亿光年。这就是说， 反物质星系离我们的距离有数亿光年。在这样远 的地方少量的宇宙线粒子与异种物质发生湮灭，由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。 我们 发现湮灭作用的灵敏度能否达到这样远的距离还有问题。由于正反星系间强大的万有斥力，正反星系间不会发生碰撞和 湮灭。 寻找宇宙中的反物质仍是挑战性的课题。 1998 年发射上天的谱仪（ AMS ）的重要目的就是寻找远处的反物质天体。只要 AMS 探测到一例反氦核就将是远处有反物质星系存在的有力证据。宇宙学理论就将发生翻天覆地的大变化。 让我们耐心等待观察结果吧。 2. 吴永汉、倪光炯老师也主张修改万有引力定律 在牛顿宇宙中，存在齐利格引力矛盾。在爱因斯坦宇宙中，爱氏在方程中人为加进宇宙项，以抗衡引力；之后又放弃宇宙项，承认是个错误； 1998 年天文观测发现宇宙膨胀不是减速而是加速后，宇宙项又被捡起。如此反复，根源均在这是个只以吸引为基础的物质理论，而无与之相当的排斥之故。 如果我们认为物质世界的层次是不可穷尽的，牛顿相互作用必须在更大范围内有自身完全抵消的可能。就是说，牛顿相互作用应该和库仑相互作用类似，既有吸引又有与之相当的排斥。即牛顿万有引力定律 F （ r ）＝－ G m 1 m 2 ∕ r 2 （ 1 ） 应该推广为 F （ r ）＝ G m 1 m 2 ∕ r 2 （ 2 ） 其中负号适用于 m 1 与 m 2 都是物质或都是反物质的情形，而正号则适用于不同物质之间的情形。这就是说，正反物质之间是斥力而非引力。 在这个既有吸引又有与之相当的排斥 的物质体系中，宇宙（实则是总星系）将从一团包含正反物质的物质团开始，逐渐分离和缓慢地加速膨胀。 这样的推广在物理上有根据吗？ 2001 年，云南大学吴永汉、张中明、翟应田老师在 云南大学学报 上发表 万有斥力和正反物质世界的对称性 一文，提出了 总星系由相等数量正反物质构成。并提出同类物质相吸、异类物质相斥的看法。 文章进一步谈到， 在较小范围内存在高能量密度的大量高能光子辐射产生大量正反粒子对时。如果正反原子或分子物质之间都同样是万有引力，正反原子或分子物质的产生与湮没几率相同，正反物质的混沌状态将会长时间持续下去。同性吸引、异性相斥导致正反原子或分子间碰撞几率发生变化。同类原子或分子之间因吸引就稍微容易碰撞并聚集，异类原子或分子之间因斥力就稍微不容易碰撞并分离。同类物质聚集成团的质量越大，异类物质因斥力就愈加彼此分开，碰撞湮没的几率就越小。经过漫长时间的演变，最终形成了我们宇宙中一些区域是正物质组成的星系，而另一些区域是反物质组成的星系。因正、反星系间巨大的斥力致使碰撞湮没的几率降低得很小很小。 由此提出如下假设： 假设 1. 在我们所能观测到的宇宙中正反物质的数量是对称的。 假设 2. 正物质与反物质的引力质量是相反的，即同类物质之间是万有引力；异类物质之间是万有斥力。 上述假设与传统的万有引力概念相去甚远，但以前在我们这个正物质世界中总结出的几乎所有物理规律都是成立的。在反物质世界也是类似情况。但在研究我们观察的整个宇宙的结构和演化时，就必须考虑正反物质的万有引力和万有斥力在整个宇宙中同时存在所造成的影响。 文章指出， 超星系团以下各级结构的空间分布是不均匀的，但总星系内各超星系团的分布基本上是均匀的。 因此，文章认为在我们所能观测到的宇宙中，正反物质世界的基本组成单元是超星系团。文章还提出了一个检验万有斥力的实验方案。 复旦大学倪光炯老师在他 2003 年出版的 《高等量子力学》 一书中有一节反引力和宇宙学。他根据量子力学原理认为正反物质间不是万有引力而是万有斥力。将万有引力定律推广到包含正、反物质的体系，成为由式（ 2 ）表示的同性相吸、异性相斥的广义牛顿相互作用定律。并从量子力学角度讨论了宇宙中的反物质，认为宇宙中的物质和反物质的数量应该相等。书中谈到： 通常认为目前宇宙中正、反物质之比高达 10 8 ： 1 ，可能起源于微小的 CP 不守恒。我们不相信这种说法我们宁可相信整个宇宙的正粒子数目等于反粒子数目 。 这样我们便懂得目前宇宙在整体上的平坦性（由最近对宇宙微波背景辐射的起伏作精密测量而证明）是由于两个因素：一是由正反粒子间斥力触发的膨涨，二是膨涨后宇宙的一大部分范围内正反物质的密度近于相等。因在宇宙很大一部分区域中的物质密度接近于反物质密度，由此可见，在正反物质共存的情况下，广义相对论中所谓的 等效原理一定不能成立 。因此，爱因斯坦方程不再适于描述这个宇宙。 在这样的宇宙中，由于正反物质的对称性以及引力与斥力同时存在，不会有所谓的齐利格佯謬。万有引力和万有斥力一起同时作用，同类物质团越聚越大，斥力又驱使异种物质团分离，使宇宙加速膨胀，并自动调节大区域物质密度的均匀性。一个包含正反物质，万有引力和万有斥力同时作用的宇宙将显得更加对称。 3. 异种物质相斥的实验验证 物质与反物质间究竟是万有引力或是万有斥力，只有反物质在地球重力场中行为的实验可以给出最终结论。 1991 年，朱棣文制成原子干涉重力仪。表明测量低速中性原子的重力加速度可达到很高精度。用中性的反氢原子作落体，应该可以得出反物质在地球重力场中究竟是下落还是上升，即正反物质间是吸引还是排斥的实验结论。 关键是实验验证。一千篇文章也比不过一个有确实结论的实验结果。物理学家手中现在已经有了反氢原子，也有了控制这些中性原子的技术。中国的原子物理学家有能力先作出实验结果吗？ 如果实验结果支持物质与反物质间是万有斥力，那么即使还没有能够观测到反物质星系， C 宇宙模型就能成为宇宙学的一个资用假说。若 AMS 探测到一例反氦核事例，证明宇宙中存在反物质， C 宇宙模型就能发展为宇宙学的新理论。 反之，若中性的反氢原子在地球重力场中与正物质一样下落， C 宇宙模型就被否定。 参考文献： 俞允强，热大爆炸宇宙学，北京大学出版社， 2010 年， 99 ～ 111. 吴永汉、张中明、翟应田，万有斥力和正反物质世界的对称性，云南大学学报， 2001,23(1) ： 27 ～ 31. 倪光炯、陈苏卿，高等量子力学，复旦大学出版社， 2003,417 ～ 421.
个人分类: 宇宙学|5593 次阅读|6 个评论
认识宇宙（之四） 用观测事实和实验证据验证“C宇宙模型”
池顺良 2010-8-11 08:58
认识宇宙（之四） 用观测事实和实验证据验证 C 宇宙模型 0. 前 言 C 宇宙模型是一个物理图像简单而又清楚的模型。但要 C 宇宙模型被接受，需要有更多观测事实和实验证据的支持。 膨胀和膨胀加速已被观测到。但至今未观测到存在反物质星系。也没有正物质与反物质间牛顿相互作用相斥的实验证据。后两项证据上能否取得进展将决定 C 宇宙模型的命运。 1. 宇宙中反物质的搜寻 宇宙中有没有反物质组成的天体，不是理论分析能解决的问题，只能通过观测来回答。 从微观上看，粒子和反粒子的电磁作用和强作用性质相同，我们限于观测天体的电磁辐射是无法区别天体由物质或反物质组成。中微子和反中微子能带来区分正反物质的信息，但今天我们还难以接受远处天体的中微子辐射。最后，我们只能依靠粒子与反粒子湮灭发出的特征性的伽玛射线来识别。 银河系空间充满稀薄的星际气体，还有宇宙射线粒子在飞行。它们不与任何一个恒星湮灭而发出特征性的伽玛射线，表明银河系内没有反物质星体。这样的观察已经延伸到本星系群范围，因此天文学家已能肯定，在我们周围几千万到上亿光年范围内没有反物质星系。 在一些理论家看来， 上亿光年范围内没有反物质星系，几乎等于肯定了全宇宙没有反物质星系。理由是如果宇宙中正反物质是等量的，按粒子物理学已经知道的相互作用，它们是没有可能作大尺度分离的。 这样的结论似乎早了些。 按粒子物理学已经知道的相互作用，它们是没有可能作大尺度分离的。的判断是建立在支配宇观世界运动的相互作用是万有引力的认识基础上的。如果这种相互作用不只是万有引力，还有异种物质相斥的万有斥力，情况就会完全不同了。 在同性相吸异性相斥的相互作用下，正反物质各自聚合成巨大的正反物质团，异种物质团相互排斥而远离，即正反物质团的分离是必然会发生的。 从巡天观察结果看， 超星系团以下各级结构的空间分布是不均匀的，但总星系内各超星系团的分布是均匀的。因此，在我们所能观测到的宇宙中，正反物质世界的基本组成单元很可能是超星系团。超星系团的尺度达到数亿光年。这就是说， 反物质星系离我们的距离有数亿光年。在这样远 的地方少量的宇宙线粒子与异种物质发生湮灭，由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。 我们 发现湮灭作用的灵敏度能否达到这样远的距离还有问题。由于正反星系间强大的万有斥力，正反星系间不会发生碰撞和 湮灭。 寻找宇宙中的反物质仍是挑战性的课题。 1998 年发射上天的谱仪（ AMS ）的重要目的就是寻找远处的反物质天体。只要 AMS 探测到一例反氦核就将是远处有反物质星系存在的有力证据。宇宙学理论就将发生翻天覆地的大变化。 让我们耐心等待观察结果吧。 2. 吴永汉、倪光炯老师也主张修改万有引力定律 在牛顿宇宙中，存在齐利格引力矛盾。在爱因斯坦宇宙中，爱氏在方程中人为加进宇宙项，以抗衡引力；之后又放弃宇宙项，承认是个错误； 1998 年天文观测发现宇宙膨胀不是减速而是加速后，宇宙项又被捡起。如此反复，根源均在这是个只以吸引为基础的物质理论，而无与之相当的排斥之故。 如果我们认为物质世界的层次是不可穷尽的，牛顿相互作用必须在更大范围内有自身完全抵消的可能。就是说，牛顿相互作用应该和库仑相互作用类似，既有吸引又有与之相当的排斥。即牛顿万有引力定律 F （ r ）＝－ G m 1 m 2 ∕ r 2 （ 1 ） 应该推广为 F （ r ）＝ G m 1 m 2 ∕ r 2 （ 2 ） 其中负号适用于 m 1 与 m 2 都是物质或都是反物质的情形，而正号则适用于不同物质之间的情形。这就是说，正反物质之间是斥力而非引力。 在这个既有吸引又有与之相当的排斥 的物质体系中，宇宙（实则是总星系）将从一团包含正反物质的物质团开始，逐渐分离和缓慢地加速膨胀。 这样的推广在物理上有根据吗？ 2001 年，云南大学吴永汉、张中明、翟应田老师在 云南大学学报 上发表 万有斥力和正反物质世界的对称性 一文，提出了 总星系由相等数量正反物质构成。并提出同类物质相吸、异类物质相斥的看法。 文章进一步谈到， 在较小范围内存在高能量密度的大量高能光子辐射产生大量正反粒子对时。如果正反原子或分子物质之间都同样是万有引力，正反原子或分子物质的产生与湮没几率相同，正反物质的混沌状态将会长时间持续下去。同性吸引、异性相斥导致正反原子或分子间碰撞几率发生变化。同类原子或分子之间因吸引就稍微容易碰撞并聚集，异类原子或分子之间因斥力就稍微不容易碰撞并分离。同类物质聚集成团的质量越大，异类物质因斥力就愈加彼此分开，碰撞湮没的几率就越小。经过漫长时间的演变，最终形成了我们宇宙中一些区域是正物质组成的星系，而另一些区域是反物质组成的星系。因正、反星系间巨大的斥力致使碰撞湮没的几率降低得很小很小。 由此提出如下假设： 假设 1. 在我们所能观测到的宇宙中正反物质的数量是对称的。 假设 2. 正物质与反物质的引力质量是相反的，即同类物质之间是万有引力；异类物质之间是万有斥力。 上述假设与传统的万有引力概念相去甚远，但以前在我们这个正物质世界中总结出的几乎所有物理规律都是成立的。在反物质世界也是类似情况。但在研究我们观察的整个宇宙的结构和演化时，就必须考虑正反物质的万有引力和万有斥力在整个宇宙中同时存在所造成的影响。 文章指出， 超星系团以下各级结构的空间分布是不均匀的，但总星系内各超星系团的分布基本上是均匀的。 因此，文章认为在我们所能观测到的宇宙中，正反物质世界的基本组成单元是超星系团。文章还提出了一个检验万有斥力的实验方案。 复旦大学倪光炯老师在他 2003 年出版的 《高等量子力学》 一书中有一节反引力和宇宙学。他根据量子力学原理认为正反物质间不是万有引力而是万有斥力。将万有引力定律推广到包含正、反物质的体系，成为由式（ 2 ）表示的同性相吸、异性相斥的广义牛顿相互作用定律。并从量子力学角度讨论了宇宙中的反物质，认为宇宙中的物质和反物质的数量应该相等。书中谈到： 通常认为目前宇宙中正、反物质之比高达 10 8 ： 1 ，可能起源于微小的 CP 不守恒。我们不相信这种说法我们宁可相信整个宇宙的正粒子数目等于反粒子数目 。 这样我们便懂得目前宇宙在整体上的平坦性（由最近对宇宙微波背景辐射的起伏作精密测量而证明）是由于两个因素：一是由正反粒子间斥力触发的膨涨，二是膨涨后宇宙的一大部分范围内正反物质的密度近于相等。因在宇宙很大一部分区域中的物质密度接近于反物质密度，由此可见，在正反物质共存的情况下，广义相对论中所谓的 等效原理一定不能成立 。因此，爱因斯坦方程不再适于描述这个宇宙。 在这样的宇宙中，由于正反物质的对称性以及引力与斥力同时存在，不会有所谓的齐利格佯謬。万有引力和万有斥力一起同时作用，同类物质团越聚越大，斥力又驱使异种物质团分离，使宇宙加速膨胀，并自动调节大区域物质密度的均匀性。一个包含正反物质，万有引力和万有斥力同时作用的宇宙将显得更加对称。 3. 异种物质相斥的实验验证 物质与反物质间究竟是万有引力或是万有斥力，只有反物质在地球重力场中行为的实验可以给出最终结论。 1991 年，朱棣文制成原子干涉重力仪。表明测量低速中性原子的重力加速度可达到很高精度。用中性的反氢原子作落体，应该可以得出反物质在地球重力场中究竟是下落还是上升，即正反物质间是吸引还是排斥的实验结论。 关键是实验验证。一千篇文章也比不过一个有确实结论的实验结果。物理学家手中现在已经有了反氢原子，也有了控制这些中性原子的技术。中国的原子物理学家有能力先作出实验结果吗？ 如果实验结果支持物质与反物质间是万有斥力，那么即使还没有能够观测到反物质星系， C 宇宙模型就能成为宇宙学的一个资用假说。若 AMS 探测到一例反氦核事例，证明宇宙中存在反物质， C 宇宙模型就能发展为宇宙学的新理论。 反之，若中性的反氢原子在地球重力场中与正物质一样下落， C 宇宙模型就被否定。 参考文献： 俞允强，热大爆炸宇宙学，北京大学出版社， 2010 年， 99 ～ 111. 吴永汉、张中明、翟应田，万有斥力和正反物质世界的对称性，云南大学学报， 2001,23(1) ： 27 ～ 31. 倪光炯、陈苏卿，高等量子力学，复旦大学出版社， 2003,417 ～ 421.
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认识宇宙（之四） 用观测事实和实验证据验证“C宇宙模型”
池顺良 2010-8-11 08:42
认识宇宙（之四） 用观测事实和实验证据验证 C 宇宙模型 0. 前 言 C 宇宙模型是一个物理图像简单而又清楚的模型。但要 C 宇宙模型被接受，需要有更多观测事实和实验证据的支持。 膨胀和膨胀加速已被观测到。但至今未观测到存在反物质星系。也没有正物质与反物质间牛顿相互作用相斥的实验证据。后两项证据上能否取得进展将决定 C 宇宙模型的命运。 1. 宇宙中反物质的搜寻 宇宙中有没有反物质组成的天体，不是理论分析能解决的问题，只能通过观测来回答。 从微观上看，粒子和反粒子的电磁作用和强作用性质相同，我们限于观测天体的电磁辐射是无法区别天体由物质或反物质组成。中微子和反中微子能带来区分正反物质的信息，但今天我们还难以接受远处天体的中微子辐射。最后，我们只能依靠粒子与反粒子湮灭发出的特征性的伽玛射线来识别。 银河系空间充满稀薄的星际气体，还有宇宙射线粒子在飞行。它们不与任何一个恒星湮灭而发出特征性的伽玛射线，表明银河系内没有反物质星体。这样的观察已经延伸到本星系群范围，因此天文学家已能肯定，在我们周围几千万到上亿光年范围内没有反物质星系。 在一些理论家看来， 上亿光年范围内没有反物质星系，几乎等于肯定了全宇宙没有反物质星系。理由是如果宇宙中正反物质是等量的，按粒子物理学已经知道的相互作用，它们是没有可能作大尺度分离的。 这样的结论似乎早了些。 按粒子物理学已经知道的相互作用，它们是没有可能作大尺度分离的。的判断是建立在支配宇观世界运动的相互作用是万有引力的认识基础上的。如果这种相互作用不只是万有引力，还有异种物质相斥的万有斥力，情况就会完全不同了。 在同性相吸异性相斥的相互作用下，正反物质各自聚合成巨大的正反物质团，异种物质团相互排斥而远离，即正反物质团的分离是必然会发生的。 从巡天观察结果看， 超星系团以下各级结构的空间分布是不均匀的，但总星系内各超星系团的分布是均匀的。因此，在我们所能观测到的宇宙中，正反物质世界的基本组成单元很可能是超星系团。超星系团的尺度达到数亿光年。这就是说， 反物质星系离我们的距离有数亿光年。在这样远 的地方少量的宇宙线粒子与异种物质发生湮灭，由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。 我们 发现湮灭作用的灵敏度能否达到这样远的距离还有问题。由于正反星系间强大的万有斥力，正反星系间不会发生碰撞和 湮灭。 寻找宇宙中的反物质仍是挑战性的课题。 1998 年发射上天的谱仪（ AMS ）的重要目的就是寻找远处的反物质天体。只要 AMS 探测到一例反氦核就将是远处有反物质星系存在的有力证据。宇宙学理论就将发生翻天覆地的大变化。 让我们耐心等待观察结果吧。 2. 吴永汉、倪光炯老师也主张修改万有引力定律 在牛顿宇宙中，存在齐利格引力矛盾。在爱因斯坦宇宙中，爱氏在方程中人为加进宇宙项，以抗衡引力；之后又放弃宇宙项，承认是个错误； 1998 年天文观测发现宇宙膨胀不是减速而是加速后，宇宙项又被捡起。如此反复，根源均在这是个只以吸引为基础的物质理论，而无与之相当的排斥之故。 如果我们认为物质世界的层次是不可穷尽的，牛顿相互作用必须在更大范围内有自身完全抵消的可能。就是说，牛顿相互作用应该和库仑相互作用类似，既有吸引又有与之相当的排斥。即牛顿万有引力定律 F （ r ）＝－ G m 1 m 2 ∕ r 2 （ 1 ） 应该推广为 F （ r ）＝ G m 1 m 2 ∕ r 2 （ 2 ） 其中负号适用于 m 1 与 m 2 都是物质或都是反物质的情形，而正号则适用于不同物质之间的情形。这就是说，正反物质之间是斥力而非引力。 在这个既有吸引又有与之相当的排斥 的物质体系中，宇宙（实则是总星系）将从一团包含正反物质的物质团开始，逐渐分离和缓慢地加速膨胀。 这样的推广在物理上有根据吗？ 2001 年，云南大学吴永汉、张中明、翟应田老师在 云南大学学报 上发表 万有斥力和正反物质世界的对称性 一文，提出了 总星系由相等数量正反物质构成。并提出同类物质相吸、异类物质相斥的看法。 文章进一步谈到， 在较小范围内存在高能量密度的大量高能光子辐射产生大量正反粒子对时。如果正反原子或分子物质之间都同样是万有引力，正反原子或分子物质的产生与湮没几率相同，正反物质的混沌状态将会长时间持续下去。同性吸引、异性相斥导致正反原子或分子间碰撞几率发生变化。同类原子或分子之间因吸引就稍微容易碰撞并聚集，异类原子或分子之间因斥力就稍微不容易碰撞并分离。同类物质聚集成团的质量越大，异类物质因斥力就愈加彼此分开，碰撞湮没的几率就越小。经过漫长时间的演变，最终形成了我们宇宙中一些区域是正物质组成的星系，而另一些区域是反物质组成的星系。因正、反星系间巨大的斥力致使碰撞湮没的几率降低得很小很小。 由此提出如下假设： 假设 1. 在我们所能观测到的宇宙中正反物质的数量是对称的。 假设 2. 正物质与反物质的引力质量是相反的，即同类物质之间是万有引力；异类物质之间是万有斥力。 上述假设与传统的万有引力概念相去甚远，但以前在我们这个正物质世界中总结出的几乎所有物理规律都是成立的。在反物质世界也是类似情况。但在研究我们观察的整个宇宙的结构和演化时，就必须考虑正反物质的万有引力和万有斥力在整个宇宙中同时存在所造成的影响。 文章指出， 超星系团以下各级结构的空间分布是不均匀的，但总星系内各超星系团的分布基本上是均匀的。 因此，文章认为在我们所能观测到的宇宙中，正反物质世界的基本组成单元是超星系团。文章还提出了一个检验万有斥力的实验方案。 复旦大学倪光炯老师在他 2003 年出版的 《高等量子力学》 一书中有一节反引力和宇宙学。他根据量子力学原理认为正反物质间不是万有引力而是万有斥力。将万有引力定律推广到包含正、反物质的体系，成为由式（ 2 ）表示的同性相吸、异性相斥的广义牛顿相互作用定律。并从量子力学角度讨论了宇宙中的反物质，认为宇宙中的物质和反物质的数量应该相等。书中谈到： 通常认为目前宇宙中正、反物质之比高达 10 8 ： 1 ，可能起源于微小的 CP 不守恒。我们不相信这种说法我们宁可相信整个宇宙的正粒子数目等于反粒子数目 。 这样我们便懂得目前宇宙在整体上的平坦性（由最近对宇宙微波背景辐射的起伏作精密测量而证明）是由于两个因素：一是由正反粒子间斥力触发的膨涨，二是膨涨后宇宙的一大部分范围内正反物质的密度近于相等。因在宇宙很大一部分区域中的物质密度接近于反物质密度，由此可见，在正反物质共存的情况下，广义相对论中所谓的 等效原理一定不能成立 。因此，爱因斯坦方程不再适于描述这个宇宙。 在这样的宇宙中，由于正反物质的对称性以及引力与斥力同时存在，不会有所谓的齐利格佯謬。万有引力和万有斥力一起同时作用，同类物质团越聚越大，斥力又驱使异种物质团分离，使宇宙加速膨胀，并自动调节大区域物质密度的均匀性。一个包含正反物质，万有引力和万有斥力同时作用的宇宙将显得更加对称。 3. 异种物质相斥的实验验证 物质与反物质间究竟是万有引力或是万有斥力，只有反物质在地球重力场中行为的实验可以给出最终结论。 1991 年，朱棣文制成原子干涉重力仪。表明测量低速中性原子的重力加速度可达到很高精度。用中性的反氢原子作落体，应该可以得出反物质在地球重力场中究竟是下落还是上升，即正反物质间是吸引还是排斥的实验结论。 关键是实验验证。一千篇文章也比不过一个有确实结论的实验结果。物理学家手中现在已经有了反氢原子，也有了控制这些中性原子的技术。中国的原子物理学家有能力先作出实验结果吗？ 如果实验结果支持物质与反物质间是万有斥力，那么即使还没有能够观测到反物质星系， C 宇宙模型就能成为宇宙学的一个资用假说。若 AMS 探测到一例反氦核事例，证明宇宙中存在反物质， C 宇宙模型就能发展为宇宙学的新理论。 反之，若中性的反氢原子在地球重力场中与正物质一样下落， C 宇宙模型就被否定。 参考文献： 俞允强，热大爆炸宇宙学，北京大学出版社， 2010 年， 99 ～ 111. 吴永汉、张中明、翟应田，万有斥力和正反物质世界的对称性，云南大学学报， 2001,23(1) ： 27 ～ 31. 倪光炯、陈苏卿，高等量子力学，复旦大学出版社， 2003,417 ～ 421.
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认识宇宙（之三）没有初始“大爆炸”，无须“暴涨”和“暗能量”的宇宙
池顺良 2010-8-10 15:51
认识宇宙（之三） 没有初始大爆炸，无须暴涨和暗能量的宇宙 0. 前 言 C 宇宙模型的物理图像简单而又清楚。在这个模型中，总星系膨胀及加速膨胀的原因就是存在异性相斥的牛顿相互作用。 C 宇宙模型无须求助于必然导致时间起点、物质密度无穷大的初始大爆炸。也无须引入神秘又无法观测证实的暴涨。也没有暗能量的地位，因为我们知道加速膨胀的原因。 这个模型没有时间起点，有足够的时间容纳恒星及星系的演化，不存在年龄矛盾。 1. C 宇宙模型 不从一点中爆炸诞生 标准宇宙学模型推断宇宙从一点中爆炸产生。在宇宙诞生时刻其能量密度和温度都无穷大。物理上无法接受无穷大，不少人对这一图景很难接受。 标准宇宙学模型是个减速膨胀的宇宙模型，将演化曲线沿时间轴回溯，必定会与时间轴相交 （参见上篇博文图 1. 之曲线 2 ，此时宇宙半径 R=0 ）。 这样的宇宙从一点中爆炸产生是不可避免的，因此无法避免这种无穷大困境。 造成这种困境的原因究竟是什么？ 困境来自这是一个 只以吸引为基础的物质理论 ，而无 与之相当的排斥 之故。―― 真正的物质理论应当给予排斥和吸引同样重要的地位，只以吸引为基础的物质理论是错误的，片面的，不充分的。 发现宇宙膨胀加速是观测宇宙学的重大发现，宇宙演化图景必将由此发生重大变化。其意义不亚于发现微波背景辐射。 C 宇宙模型是个 加速膨胀的宇宙模型，将演化曲线沿时间轴回溯，膨胀速率越来越小，演化曲线可能逐渐变得与时间轴平行（参见上篇博文图 1. 之曲线 1 ），因而并非必定与时间轴相交。这时的早期宇宙相当于一团具有有限半径的气体团。不会再有宇宙从一点中创生的结论。宇宙演化图景成为：宇宙中有这样一团具有半径 R 的气体物质团，缓慢地开始膨胀并逐渐加速，直到形成目前的形态。 陈方培老师在 宇宙大爆炸 在理论上的缺点和问题的博文中也讨论了 如何说明 宇宙大爆炸 不可能存在： 因为只有 da 2 /dt 2 0 ，宇宙才会从物质密度、温度和时空曲率都处于无穷大的状态开始膨胀，宇宙大爆炸才有理论根据。而现在发现 da 2 /dt 2 0 而不是 da 2 /dt 2 0 ，因此，宇宙大爆炸就不可能存在了。 C 模型是个既有吸引又有与之相当的排斥 的物质系统，从一团包含正反物质的物质团开始，逐渐分离和缓慢地加速膨胀。它的宇宙半径演化曲线与时间轴不相交，没有从一点中诞生的问题。 2. C 宇宙模型 无时间起点，有足够时间容纳恒星及星系演化 标准宇宙学存在时间起点（此时的宇宙半径＝ 0 ），宇宙年龄就是从时间起点算到现在的时间。而 C 宇宙模型 不存在时间起点，无所谓宇宙年龄。从开始膨胀至今经过的时间也要远大于标准宇宙模型的宇宙年龄。 标准宇宙学多次出现宇宙年龄小于恒星年龄的年龄矛盾。不断修改各项参数，年龄矛盾才得到缓解。但孙子比爷爷老的年龄矛盾仍不断出现。 C 宇宙模型有足够时间容纳恒星及星系演化，不存在年龄矛盾。 3. C 宇宙模型 无须经历暴涨 微波背景辐射观测到宇宙整体上超视界的均匀性。为解释这种均匀性于是用猜测性的暴涨理论来解释超视界均匀性。 宇宙视界的大小是随时间增大的。对于没有时间起点的 C 宇宙模型，宇宙整体上超视界均匀性疑难不再存在。 时间无起点加上空间的平直性就意味着视界疑难和平直性疑难不存在。 暴涨不再是必要的。 在 C 宇宙模型 中，宇宙整体上的均匀性更多地是因为支配这一级宇宙运动的同性相吸，异性相斥的作用力具有自动调节大区域物质密度使其均匀的特性。 4. C 宇宙模型就像正负离子组成的晶体，会有等间隔结构 在现有的标准宇宙模型中，确实无法理解超星系团分布的周期性现象。但在 包含正反物质，万有引力和万有斥力同时作用的 C 宇宙 模型中， 正反物质世界的基本组成单元（正、反超星系团），就像正负离子组成晶体那样的周期性 等间距 分布则是必然要发生的。 128Mpc 相当于 4.17 亿光年。反物质星系与我们距离的尺度要以亿光年计！ 怪不得难以寻觅到反物质。从一团正反粒子混合的气体团到正反物质在万有斥力下分离，形成亿光年尺度的正、反超星系团，所需时间恐怕要以千亿年为单位了。 5. C 宇宙模型能容纳 氦丰度和微波背景辐射 宇宙中的 氦丰度和微波背景辐射是大爆炸宇宙学的两个重要支柱。 C 模型能容纳这两个观测证据吗？ 陈方培老师在 能否建立一个既符合观测事实又不存在 大爆炸 的宇宙模型 ? 一文中讨论了这个问题。 陈方培老师认为， 对于 宇宙中的 氦丰度，一个寿命足够长的新宇宙模型，不用宇宙初期的氦合成，氦丰度也可能达到观测到的丰度。 早在 1950 年代，有些宇宙学者曾主张， 宇宙中的 氦主要是在各恒星内部合成然而详细的计算表明，宇宙中观测到的氦丰度难以于 10 10 年之中在各恒星内部合成。 10 10 年是根据大爆炸宇宙模型所算出的宇宙目前的大致寿命。对新的宇宙模型来说，宇宙至今已经历了无穷长的时间，氦在各恒星内部合成有着足够的时间。因此，主张宇宙中的氦主要是在各恒星内部合成的观点也有可能是对的。 大爆炸宇宙模型把微波辐射背景解释为宇宙早期光子退耦的遗迹。 陈方培老师认为， 除这一解释之外，微波辐射背景是可能有其它解释的。 背景微波是由宇宙演化中产生的光子（包括创生光子和从原子等粒子辐射出的光子）逐渐累积而成，经过不断的碰撞，最后将趋于热平衡状态。由于新模型时间没有起点，极早时刻与当今时刻可以相隔很长时间。这样，大部分光子气有足够时间，通过碰撞而达到热平衡状态。因此，不用大爆炸遗迹，而用另外的原因来解释微波辐射背景之可能性是存在的 。 C 宇宙模型既然也能符合 氦丰度和微波背景辐射，模型 是否能够成立有赖两项基本假设－存在反物质星系与正反物质间相斥－获得观察与实验的支持了。 参考文献： 恩格斯，自然辩证法，曹葆华、于光远、谢宁译，人民出版社。 1955. 陈方培， 宇宙大爆炸 在理论上的缺点和问题。 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=217228 陈方培， 能否建立一个既符合观测事实又不存在 大爆炸 的宇宙模型 ? http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=50914
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认识宇宙（之二） 32年前一个预言膨胀加速的宇宙模型
热度 1 池顺良 2010-8-9 17:15
认识宇宙（之二） 32 年前一个预言膨胀加速的宇宙模型 0. 前 言 中学时代就对自然充满好奇，订阅了《科学画报》。这是上海办得很好的一份科普杂志，经常刊登介绍前沿科学问题的文章。这份杂志让中国几代年轻人对科学充满热情。 大学四年级，从数、理课程中充实了一些知识就开始思考一些问题。 1962 年写了一篇红移、热寂及等级宇宙的文章，投到报刊。此文有幸送到著名天体物理学家戴文赛先生手上。戴先生写下了几条意见： 1. 本文创造性强，叙述清楚生动，作者今后可成为优秀的理论工作者。 2. 本文的主要论点―宇宙间纯由正物质或反物质构成的天体（或天体系统）的存在－目前还未得观测的证明，因此全文大部分还是猜测性、想象性的叙述。在这种基础上提出一个新的宇宙论，最好能先以一篇科学论文（列举足够的事实根据、数字，进行理论分析－公式、方程）出现，然后再在报章上介绍。 接着。戴先生又写了天文上一些与此问题有关的值得注意的新发现，供我参考。 对一个完全不熟悉科学研究方法的年轻大学生对宇宙的遐想，戴先生却能如此循循善诱，既给予热情的鼓励，又提供参考意见，诲人不倦的精神令人终生难忘。 当时宇宙学确定的主要观测事实是宇宙（实则是总星系）总体在膨胀。对于一个由万有引力支配的物质系统的整体膨胀，宇宙学只有用一次初始大爆炸来解释了。但这又引出了宇宙年龄苦短，甚至容不下恒星演化所需时间的矛盾。此外，大爆炸如何解释宇宙总体上呈现均匀分布的格局也是让人百思不得其解的事（此时还没有提出宇宙暴涨概念）。另一个疑问是宇宙的对称性。为什么在粒子物理中完全对称的正、反粒子世界，在宇观世界中却得不到反映。－似乎我们所处的宇宙完全由正物质组成而没有反物质的地位，这是真的吗？凭人类现有的观测手段敢肯定我们没有反物质邻居？ 自然界的 4 种力中，万有引力和库仑力是长程力。库仑力决定着分子等宏观物质的结构，万有引力是决定着星系及宇宙结构。库仑力既有吸引又有排斥，但万有引力却只有吸引没有排斥。总觉得这里有点不对劲。 在经过一番思考后我构建了一个正反物质对称，同类物质相吸、异类物质相斥的宇宙模型。这个模型可以自动导出宇宙膨胀及膨胀的加速而无须大爆炸也无须暗能量；得到了由星系平均质量和平均间距计算哈勃常数的表达式；所谓宇宙压强的大小以及膨胀的加速因子。 当时的天文观测没有能力分辨膨胀是减速还是加速；也没有观测到反物质星系存在的证据（ 寻找湮灭过程的 射线，而没有找到，结论是：在数千万光年范围内没有反物质星系存在。若在更远的地方有这种湮灭发生，由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。） ；也没有正、反物质间是吸引还是排斥的判决实验。这个宇宙学的新假说未获得更多观测和实验证据支持，在我心里逐渐就被搁置了。 1975 年调到地震办公室后， 就全心投入对地球科学的学习和思考。主要精力都花费在钻孔应变仪研制上了，只是有时仍会关心一下宇宙学的进展。 随着天文观测技术的进步，人类的视野更宽、更深了。 1998-1999 年发现宇宙膨胀加速给大爆炸宇宙学带来极大冲击。恒星和星系的年龄比宇宙大的年龄矛盾等一系列问题在迫使宇宙学重新思考，问题究竟出在何处。 多年没有接触这个领域，应该是没有什么发言权的。但回想这个 32 年前的 假说既然能够预见宇宙加速膨胀和正反物质基元团间距的周期性，其中也许就包含了某些合理的成分，因而在这里公布于众。 这是一个非天文物理专业毕业的年轻工科大学生的习作，错误之处一定不少，还恳请各位专家批评指教。 下面就是这篇发表在内部刊物《鹤壁科技》上宇宙学的一个新假说的复印本。 为叙述方便，本人提出的这个模型以后简称为 C 宇宙模型。 〔注〕宇宙学研究都以爱因斯坦广义相对论和引力场方程为框架。但在这个宇宙模型中，由于同性相吸异性相斥的相互作用，等效原理不再成立。描述只能在平直时空中暂用牛顿力学来分析。 1. 宇宙学的一个新假说一文的复印件。 2. 戴文赛先生的信
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认识宇宙（之一）“大爆炸”宇宙学的未决疑难
池顺良 2010-8-8 20:22
认识宇宙（之一） 大爆炸宇宙学的未决疑难 0. 大爆炸宇宙学的疑难 了解宇宙的性质、结构和演化规律，一直是人类的梦想。但是，要认识宇宙太难了。从望远镜发明到认识恒星、星系，到发现支配星空的万有引力定律，到哈勃发现星系退行、宇宙膨胀到大爆炸标准宇宙模型建立， 400 年时间总算有了一个能用观测检验并被科学界接受的宇宙模型。 陆埮老师在《中国国家天文》上撰文说，现在 宇宙学已经成为了一门精确科学，被多数人接受，成为了当今最前沿，最活跃的学科之一 。 但仍有人对大爆炸宇宙学持强烈反对态度。 2004 年 34 位知名科学家和工程师在英国《新科学家》杂志上联名批评大爆炸宇宙学。批评 这个理论 越来越多地以一些假设，一些从未被实证观察的东西作为自己的论据：暴胀、暗物质和暗能量等就是其中最令人震惊的一些例子。这种不断求助于新的假设来填补理论与实际之间鸿沟的做法，在物理学的任何其他领域中都是不可能被接受的。离开了暴胀之类的假设，大爆炸理论就无法解释实际观测中发现的同质的、各向同性的宇宙背景辐射。因为那样的话，它就无法解释宇宙中相距遥远的各部分何以会有着相同的温度并发出同量的微波辐射。而离开了暗能量，根据大爆炸理论计算出来的宇宙年龄就只有 80 亿年，这甚至比我们所在的这个星系中许多恒星的年龄还要小几十亿岁。该理论捍卫者们所宣称的成功，统统归功于它擅长在事后迎合实际观测的结果，它不断地在增补可调整的参数，就像托勒玫的地心说总是需要借助本轮和均轮来自圆其说一样 。公开信贴到网络上后，又得到 400 多位科学家的签名支持。 我国一些物理学家对大爆炸宇宙学也存有异见，如 大连理工大学物理教授 陈方培认为： 很多人不相信宇宙大爆炸的真实性，认为大爆炸宇宙学存在缺点、甚至错误。 本人也不相信宇宙大爆炸的真实性，正在钻研大爆炸宇宙学的 观 测基础和理论基础并企图修改大爆炸宇宙学的缺点。目的是抛砖引玉，希望能为建立更完善的宇宙学起到一些呼唤作用。 北大俞允强老师著有关于广义相对论和宇宙学的专著多部。俞老师在研究宇宙学时也指出现代宇宙学中确实存在诸多的未决疑问。 俞老师在宇宙学这 80 年一文中就提到了现代宇宙学中五个主要的未决问题．按我的理解列于如下： (l) 观测已发现宇宙在加速膨胀。膨胀的加速需要有斥力，斥力来自何方？ (2) 宇宙中没有找到大块反物质是用观测认真探索过的事实．这是原初宇宙中重子比反重子多 1 亿分之几的结果吗？这微小的差异又是怎么产生的？ (3) 微波背景辐射观测到了宇宙整体上超视界的均匀性，超视界意味着任何物理原因不可能解释它，于是用猜测性的暴涨理论来解释超视界均匀性。可是用什么来证实暴涨确实发生过？ (4) 如何认识宇宙中的非重子实物密度。 (5) 如何认识广义相对论宇宙的来源或创生问题。 上述问题本身都是源于肯定事实的真问题，但都还没有明确的答案。 疑难和问题往往是新认识的前导。现代宇宙学的第一个未决问题是关于宇宙的加速膨胀。 1. 现代宇宙学的建立与宇宙加速膨胀的发现 宇宙学成为一门实测的自然科学始于上世纪早期，美国天文学家哈勃用当时最大的威耳逊山天文台望远镜对星云进行观测并证明：我们所在的银河系之外还存在着许许多多和银河系类似的星系，这些星系形成了组成宇宙的基本单元，这一发现奠定了观测宇宙学研究的基础。哈勃还发现星系光谱红移的数值与星系的距离成比例，它表明所有银河之外的星系均在离开银河系退行，这就给出了一幅宇宙在均匀膨胀的图像。此后的宇宙微波背景辐射和轻元素丰度的观测进一步支持了这种膨胀宇宙的基本图像，今天的宇宙学模型正是在这样的观测和理论基础上建立和发展起来的。 宇宙中存在物质，物质间存在着万有引力，当宇宙膨胀时，物质间的引力作用应当使它的膨胀速度减缓，也就是说，宇宙膨胀应当是减速的，在宇宙学中有两个常数，即哈勃常数 Ho 和宇宙减速因子 qo ，前者表示现在宇宙膨胀的速度而后者表示宇宙膨胀的减速． 1998 － 1999 年，利斯 (A.G.Riess) 和珀耳莫特 ( S.Perlmutter ) 两个各自独立的课题组，用 Ⅰ a 型超新星经过诸多校正后作为 标准烛光光源 进行观测，两个课题组都发现那些遥远的 Ⅰ a 型超新星的亮度比预期的更暗 ( 即更远 ) 。从而，他们发现了宇宙不是在减速膨胀，而是在加速膨胀。这是一个十分令人震惊的发现。所谓万有引力，自然是只有引力，没有斥力。因此，宇宙膨胀只可能减速，不可能加速。 大爆炸理论完全无法解释宇宙的这种加速膨胀现象。 加速膨胀的发现意味着宇宙大区域中存在斥力，而且，现今的宇宙整体上看应当是以斥力为主。 在一个万有引力支配的宇宙中，斥力从哪里来？ 这就意味着要修改万有引力定律，或者增加一种能产生斥力的新物态。主流宇宙学选择了后者：在方程中重新加入爱因斯坦的宇宙学常数 或暗能量。 这种对抗万有引力的膨胀效应，观察不到其载体，因而称其为 暗能量。 但 暗能量究竟是什么？谁也说不清。 暗能量成了二十一世纪物理学和天文学面临的最大的挑战。 2. 新观测事实 对现有理论提出严重挑战 随着更大口径的望远镜投入观测，取得的一系列新的观测结果向现有的主流理论模型提出了严重的挑战。预示着在未来若干年内新的观念或理论上的突破即将产生。 2.1. 年龄矛盾 再次出现 2005 年末，多架 巨型望远镜（ 哈勃空间望远镜，欧州的 VLT 望远镜，以及美国国家航空航天局的斯必泽空间望远镜等） 对准位于 鲸鱼座的 HUDF-JD2 遥远星系进行观测，发现 它与地球的距离达到 130 亿光年。这个数字如此接近大爆炸发生的时间，不禁令人瞠目结舌。如果大爆炸理论成立的话，这就意味着，我们观测到的 HUDF-JD2 星系正是它在大爆炸发生仅仅 7 亿年后的模样。 计算得出，该星系的质量相当于 6000 亿个太阳的质量，约为我们银河系质量的 4 倍。根据目前有关星系演化的理论，现有的星系都是逐渐由小型星系聚集形成的 那么如此巨大的一个星系怎么可能在大爆炸之后这么快就形成了呢？恒星和星系年龄大于宇宙年龄 的问题并不是今天才出现的。随着天文观测技术的发展，这个问题变得越来越突出，而这一次问题也许变得更加尖锐了。 大爆炸宇宙学的宇宙年龄太短促了，年龄矛盾难以避免。 一些天文学家认为，随着观测技术的不断改进，人们一定会发现一些更老的天体。果真如此的话，根据大爆炸理论编制的宇宙演化时间表就有可能要被彻底改写。 2.2. 现有理论无法理解的星系分布周期性密集现象 当前，天文学家正在重复当年赫歇尔、卡普坦、 沙普利实际测绘银河系结构的工作。为此， 天文学家发展出了几种独立于红移的确定星系距离的方法。 大规模星系红移巡天观测计划给出了相当大范围内星系的三维分布。尤其是最近开展的对遥远的看来很暗的星系的红移巡天观测，这些巡天通常都选取若干方向上很小天区内的星系作为样本，而巡天都达到前所未有的深度。得到的结果是令人惊讶的。 天文学家发现星系表现出在空间上很强的成团性。更出乎意料而令人难以理解的是，星系密集的峰的出现似乎存在规律性，或者说星系密集区与我们的距离似乎是周期性的。图 6 引自 邓祖淦、夏晓阳星系形成和宇宙的大尺度结构－观测对现有理论提出严重挑战 一文。图中显示的是样本中任意星系与我们距离的分布。虚线标出了 128Mpc 整数倍的位置，可以看到，分布的确是在 128Mpc 整数倍处呈现明显的峰。 这种星系红移分布中的规则性更是目前任何模型或理论无法解释的。无怪加州大学伯克利分校的著名天体物理学家 Davis 说：如果星系分布的确是周期性的，我们对早期宇宙的了解可以说比零还少。 如果这种周期性的确存在，目前标准宇宙模型的基本观念必然要发生重大变化，这是不少宇宙学家所相信的。 在现有的标准宇宙模型中，确实无法理解星系分布的周期性密集现象。究竟是什么因素导致了星系分布的周期性密集？ 3. 结 语 国家稳定，老百姓不愁衣食就有闲遐思考天问一类的问题。 作为一个天文爱好者， 40 多年前我写过一篇宇宙学的一个新假说， 得到戴文赛先生鼓励。 这个宇宙模型以两个基本假设为基础： 1. 宇宙中正反物质数量相等； 2. 正、反物质间相斥，即物质间同性相吸异性相斥。再加上宇宙整体上均匀的设想，一个新宇宙模型的框架就建立起来了。 这个宇宙模型发生膨胀是物质间同性相吸异性相斥的相互作用所致，无需靠一次大爆炸来推动。由这个模型能导出表征膨胀速率的哈勃常数 H 。 H 2 8 G ∕ 3 （ 1 ） 将宇宙物质平均密度 ＝ 1.9 10 -29 g ∕ cm 3 代入上式，得： 哈勃常数 H 50 km s -1 Mpc -1 ，与现在的观测值同量级。 此外，这个模型预言宇宙膨胀是加速的。而在当时，所有宇宙学家都认为宇宙膨胀应该是减速的。只是到了 1998 － 1999 年，天文观测才发现宇宙膨胀确实是加速的！此外，这个模型中必然会出现物质团（星系或超星系团）间距的周期性结构。作为基元的正反物质团就像正负离子组成晶体那样形成周期性大致 等间距 分布的膨胀结构。 最近在网上看到不少讨论宇宙大爆炸的博文，有专业人士也有非专业人士，十分热闹。引起了我这个天文爱好者的兴趣。最近又有些空，想起自己以前的这个假说能够有某种预见性，也许就包含了某些合理的成分，有某种参考价值。就找出几十年前写的材料整理一下贴到网上。 下篇博文将介绍 32 年前发表在内部刊物《鹤壁科技》上的文章宇宙学的一个新假说。这是一个非天文物理专业毕业的年轻工科大学生的习作，不当与错误之处一定不少，还恳请各位专家批评指教。 参考文献： 陆埮，为宇宙加速膨胀发现 10 周年而作，中国国家天文， 2009 年 2 期 . http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=217110 陈方培的 博客 俞允强，宇宙学这 80 年 ，物理， 38 卷 8 期， 2009 ， 531 ～ 535. 邓祖淦、邹振隆，高红移 Ia 型超新星的搜寻和宇宙的加速膨胀，物理， 28 （ 8 ）： 464 ～ 470. 全志钢， 宇宙大爆炸，或许从未发生过 ， 新发现， 2006.6. 邓祖淦、夏晓阳，星系形成和宇宙的大尺度结构－观测对现有理论提出严重挑战，物理， 21(1) ： 88 ～ 95. 俞允强，热大爆炸宇宙学，北京大学出版社， 2001 年， 194 页 .
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范瓦尔贝克小组的观测数据应重新计算，才能得到正确的结果。
可变系时空多线矢主人 2010-3-28 01:31
范瓦尔贝克小组的观测数据应 重新计算，才能得到正确的结果。 2010 年 3 月 25 日 ，《天文学和天文物理学》周刊，刊登不列颠哥伦比亚大学卢多维克．范瓦尔贝克率领的科学家小组，为进行有关宇宙演变的研究，而用哈勃望远镜对太空中的同一部分，持续观测超过 1000 小时，哈勃望远镜绕地球转了近 600 圈，拍摄 了 575 张照片，对 44 。 6 万 个星系进行了分析。 所提供的数据，并使用地球上的其它 望远镜的有关信息，对 19 。 4 万个星系间的距离进行了计算。 范瓦尔贝克说，他们的这个研究结果， 证实，在正在加速膨胀并分离暗物质的宇宙中存在一种未知的能量源、此前的说法并未偏离爱因斯坦理论 但是，他并未说明：他们的这个观测结果是如何确定宇宙正在加速膨胀并分离暗物质的？ 还应特别注意：现今，对于星系的运动速度还都只是按各星体红移的观测数据，由通常的都卜勒公式推算的。 而本博客的《时空可变系多线矢世界》新理论体系，已具体导出实用于包括非惯性牵引运动系的公式，表明运动物体的辐射红移量是其位置、速度和加速度的非线性函数。 而通常的都卜勒公式却只是惯性牵引运动系的简化特例，显然，并不适用于非惯性牵引运动系。 对于非惯性牵引运动系，这些探究就必须根据非惯性牵引运动系的都卜勒公式，并确定其中各种必要的有关数据，才能得出正确结果。若仍按通常的都卜勒公式，就必然会得出错误结果。 他们既然根本没有提到 实用于包括非惯性牵引运动系的都卜勒公式，就可以 估计他们是 仍按通常仅实用于惯性牵引运动系的都卜勒公式计算得到的结果。 这样的计算结果必然会是错误的，由此而来的推论，显然，也不会正确。 而应该按非惯性牵引运动系的都卜勒公式，重新计算，才能得到正确的结果。
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