朱林
基于两种不同理论根据下的宇宙膨胀与加速膨胀及其判决性观测检验方法
2024-7-25 17:57
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       之前看到一个通过图上各点分离推导哈勃定律的一种方法。最近又看到一个简单有趣的关于哈勃定律的讨论:直接用速度等于距离除以时间,对于宇宙膨胀来说,当距离等于哈勃宇宙半径,速度为光速时,对比哈勃定律,时间则为哈勃常数的倒数;由于哈勃时间极长(大约10的18次方秒),所以目前在哈勃时间附近进行有限时间的测量不会带来多少误差。其实这只能算是一种有趣的思考和简单类比讨论,不能算是对哈勃定律的推导,因为在其中的分析类比过程中已经用到了哈勃定律。
        哈勃定律是天文观测总结得到的经验定律,后来认为是宇宙膨胀的反映并作为宇宙膨胀的事实基础。在宇宙漫长的演化中,在大尺度空间,人类的观测时间相比之下实在太短暂了,星系持续退移的速度和红移量变化如何,得需要长期持续追踪观测才能有定论。这也可能是哈勃定律还会涉及到所观测的星系后续退移情况如何,但通常很少被讨论的原因吧。我们依据质量时变引力衰减致星系退移和宇宙膨胀,对此可以很自然地加以研究和讨论。

       哈勃定律可以解释为宇宙空间膨胀,但困于空间怎么会发生膨胀,最简单的解释办法就是把一切都搅在一起,然后直接来个宇宙初始大爆炸吧,这有点像牛顿把物体起初的运动归于上帝当初推了一下。正好反推现在膨胀的宇宙过去应该是越来越小的,便料想到极小处(奇点) 是爆炸发生点。但这里至少隐含着两条假设:一是在有限时间反推到有极小处(奇点),得是空间膨胀与时间关系是线性关系才行。二是规定空间膨胀是空间每一点都同样地向四周发生膨胀,而不能是像普通爆炸膨胀那样。这其中如果深究,也存在一些难以说清的问题。由于宇宙初始大爆炸还引发了视界疑难、平坦性疑难、磁单极子疑难,则只好又通过提出极早期发生远远超光速的暴胀来解决,但其原已有的“微调”问题不但不能解决,甚至还会因为暴胀变得更加严重了。至于暴胀为什么发生而后又如何迅速减停下来,也很难理解。宇宙大爆炸学说认为宇宙膨胀在引力作用下应该是减速膨胀,并定义了减速参数因子,1998年在观测减速率是多少时,发现宇宙竟是在加速膨胀。这一观测结果让科学家非常震惊,最后无奈,只好把爱因斯坦后来抛掉的让他老人家深感后悔的在广义相对论场方程中引入用来平衡引力的宇宙学常数,作为推动宇宙加速膨胀动力的暗能量又重新拾了回来。对于星系旋转曲线疑难,也苦于现有理论无法解释,便假设存在只显现引力作用的"暗物质"来应对,但也像奇异的暗能量那样至今一直都没观测到,而且还面临不同星系暗物质如何分布问题,谁那么大公无私不辞巨大辛劳地给那么多星系摆来摆去做暗物质合理分布呢?宇宙大爆炸理论现在还面临花费上百亿美元研制的韦伯太空望远镜新观测到,在宇宙大爆炸认为的130多亿年前的遥远星空,竟发现有成熟星系和超大质量黑洞存在这一严重与宇宙大爆炸理论相悖的问题,接下来看看还怎样自圆其说吧。   

       从爱因斯坦广义相对论场方程,引入宇宙学原理,即大尺度空间物质与辐射是均匀分布和各向同性,得到弗里德曼方程,其哈勃参量等于宇宙尺度因子的速度项与尺度因子只比,与物质密度(包括暗物质)、辐射密度和空间曲率有关,当考虑到宇宙学常数或暗能量时,哈勃参量还与暗能量相关。只有在暗能量起主导作用时,哈勃常数才完全是个与空间和时间都无关的真正意义下的常数,宇宙尺度因子随时间呈e指数增长,呈加速膨胀状态。 只是由量子理论计算得出的宇宙学常数(暗能量)比天文观测结果大120个数量级,这又引发了巨大疑难。

       早在广义相对论发表不久后的1917年,德西特便把爱因斯坦宇宙学常数作为主导项,忽略宇宙其它物质影响,得到了尺度因子随时间呈e指数增长。  

       我们通过物质粒子辐射空间本底量子新概念及质量时变关系,推导出牛顿万有引力定律,通过万有引力定律、动量守恒定律或Jeans变质量二体运动的解,分别推得星系退移和宇宙膨胀及加速膨胀,得到同于德西特或弗里德曼方程在暗能量主导下的宇宙尺度因子随时间呈e指数增长,取其时间导数正是哈勃定律。但是相比之下,德西特和弗里德曼他们考虑的因素很全面但也很复杂,我们通过抓住引力机制则考虑的既简单,不需要宇宙学原理,也不带来其它任何额外疑难,又能直接推得宇宙膨胀及加速膨胀,给出星系退移加速度与距离关系公式和哈勃宇宙整体膨胀加速度公式,还认识到物质系统在物质粒子辐射空间本底量子形成的动态空间中,自然地受到一种恒定的附加引力场作用,从而自然地解决了星系旋转曲线疑难等问题。我们不但在近百年来主流界认为宇宙在引力作用下处于减速膨胀之时,于1996年发表论文推测宇宙在加速膨胀,并给出其缘由与宇宙膨胀及加速膨胀公式。预测到在大爆炸宇宙学认为的130多亿年的最遥远星空,将观测到发育成熟的星系和超大质量黑洞,这在大爆炸宇宙学那里是根本不可能的,若属实,则可能将从根本上否定宇宙大爆炸起源说。但我们的这个预测确实被韦伯太空望远镜近期观测到了。

        物质粒子辐射空间本底量子新概念及质量时变关系,不但能自然地推得牛顿万有引力定律和哈勃定律,而且还能在具有物理意义的前提下,推得微观领域的核心物理公式:反映物质波动性的爱因斯坦——德布罗意关系、量子力学薛定谔方程、目前公认的最小空间尺度普朗克长度,以及经典力学的牛顿第二定律 ,给出共计约82个物理公式,并从物理关系的角度,得到引力常数和光速与哈勃常数的关系、光速极限、惯性质量和引力质量本为一体等更深入的认识。

       大爆炸宇宙学认为,引力内在作用很强的物质体系,如银河系、太阳系、地月系统和地球本身,并不随着宇宙膨胀而膨胀。对于大爆炸宇宙学来说,在尚不清楚空间由什么构成以及弹性如何和抗压强度多大等物性参数情况下,用空间膨胀及加速膨胀推动巨大质量的星系退移和加速退移就已经实属不易了,究竟如何使空间发生膨胀、空间本身能不能膨胀、膨胀空间有没有足够的弹性和抗压强度推动星系退移及加速退移都还不知道,实在无法再让空间承载更难以承载的任务了。我们从引力机制方面以质量时变引力衰减致宇宙膨胀推得这些物质体系处于与宇宙同样的膨胀状态,推得宇宙、星系、太阳系、地月系统和地球自身都具有统一的自身空间尺度随时间的变化关系,与目前部分观测结果高度相符。继续进行全面观测,其结果可以直接作为区分鉴别宇宙大爆炸起源理论和我们的质量时变引力衰减致宇宙膨胀这两种不同理论的判决性检验。        


附:宇宙膨胀加速度问题

       宇宙的膨胀速度是否在加快,是一个复杂且持续引起科学家们关注的问题。科学家们通过观测和分析宇宙中的各种现象来研究和理解宇宙的膨胀状态。
       宇宙加速膨胀的现象是在1998年通过观测Ia型超新星首次被确认的。这一发现揭示了宇宙膨胀的速度正在加快,这一现象被称为宇宙加速膨胀。物理学家索尔·珀尔马特、‌布莱恩·施密特与亚当·里斯因这一发现共同荣获了2006年邵逸夫天文学奖与2011年诺贝尔物理学奖。‌
       宇宙膨胀的加速度可以通过测量遥远星系的红移现象来估算。红移是星系发出的光波长变长的现象,这表明星系正在远离我们而去。通过分析这些数据,科学家们能够推断出宇宙膨胀的速度和加速度。
        尽管科学家们已经对宇宙膨胀的加速度有了一定的了解,但关于宇宙加速的具体原因仍然是一个谜。目前,学家们提出了多种理论来解释这一现象,包括暗能量等。‌
        为了更深入地理解宇宙膨胀的加速度及其背后的物理机制,科学家们继续利用最先进的望远镜和其他观测工具进行研究和测量。例如,利用哈勃太空望远镜和欧洲航天局的盖亚望远镜进行的高精度测量,帮助科学家们获得关于宇宙膨胀加速度的最新数据。
       此外,科学家们还面临着所谓的“哈勃常数危机”,即不同的测量方法得出的结果存在差异,这增加了理解和测量宇宙膨胀加速度的复杂性。

        测量宇宙膨胀减速和加速情况,需要弄清宇宙中的物质密度和宇宙学常数对总能量密度的贡献,然后通过计算才能看得出来。宇宙学和天文观测表明,宇宙是非常平坦的,其大尺度空间的曲率为零,辐射密度远小于物质密度可以忽略。通过定义宇宙的临界密度,可将平坦宇宙的的弗里德曼方程进一步简化。所定义描述宇宙减速膨胀的参数包含了红移量、宇宙物质密度和宇宙学常数对总能量密度的贡献。通过观测la超新星的亮度和光谱,推算它们的距离和红移,画出哈勃图。由于距离依赖于宇宙能量密度的各个分量,由此可以确定一个平坦且低辐射宇宙中的物质密度值和宇宙学常数对总能量密度贡献值,代入定义的宇宙减速膨胀参数,确定是减速膨胀还是加速膨胀。物质密度在宇宙演化不同阶段有不同的值,暗能量是常量还是随时间变化现在也很难说清,所以也很难具体给出宇宙加速膨胀加速度通用公式,或许到最后也只能大致判断宇宙在不同的演化阶段有不同的减速或加速情况吧。

        以上附件宇宙膨胀加速度问题是针对由广义相对论得到弗里德曼方程来描述宇宙而言的。‌

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