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twxz木蟲 (正式寫手)
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[交流]
【交流】宇宙學(xué)中‘退耦’問題
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宇宙學(xué)中‘退耦’問題 1 二答陳學(xué)雷先生 在話題帖子‘回顧和展望’中，我發(fā)表了一個帖子，題目是‘答陳學(xué)雷先生’。主要討論宇宙學(xué)中有關(guān)‘退耦’問題。因為這個討論正在進(jìn)行中，我認(rèn)為把它放在話題帖子‘回顧和展望’中不合適。因此另外開了這個話題帖子。 我在帖子‘答陳學(xué)雷先生’實際是根據(jù)我給天文界各位院士和同行的公開信修改的結(jié)果�，F(xiàn)在這個帖子是我給天文界各位院士和同行的第二封公開信。因為爭論的一方是陳學(xué)雷先生的觀點都發(fā)表在科學(xué)網(wǎng)上，而科學(xué)網(wǎng)不允許我在科學(xué)網(wǎng)上發(fā)表我的觀點，因此我只好通過電子郵件把我的觀點發(fā)送給天文界各位院士和同行。因為討論的問題是宇宙學(xué)中重要問題，其體許多網(wǎng)友也感興趣。因此我把這些電子郵件也在各個網(wǎng)站上貼出。其實所討論的問題并不神秘，具有基本物理常識的網(wǎng)友都能理解，提出看法和批評意見�，F(xiàn)將我給天文界各位院士和同行的‘二答陳學(xué)雷先生’電子郵件全文轉(zhuǎn)載如下，歡迎各位網(wǎng)友批評指教。 天文界各位院士和同行， 2010.01.27 給各位‘答陳學(xué)雷先生’信件發(fā)出后，曹天德先生（tdcao）因為在信件抄送名單中，很快有了反應(yīng)。他在科學(xué)網(wǎng)陳學(xué)雷先生文章的評論欄中留下了評論。我看到他的評論后立即給他回復(fù)。相互來往有幾個評論（見附件）。陳學(xué)雷先生也注意到這些評論，并在曹天德先生的評論后面給出回復(fù)。陳學(xué)雷先生在給曹天德先生評論的回復(fù)中，認(rèn)為我‘好歹也是天文臺的研究員，雖說是搞儀器的，但一些基本的天文知識總還應(yīng)該有吧，怎么說出來的話凈鬧笑話�！旅嬲埜魑豢纯次沂侨绾巍[笑話’。 陳學(xué)雷先生在給曹天德先生評論的回復(fù)中也承認(rèn)，‘光子與自由電子散射的自由程取決于散射截面與自由電子數(shù)密度的乘積的倒數(shù)，如果自由電子數(shù)密度充分低，這個自由程就比哈勃距離還大’。可是，陳學(xué)雷先生在計算‘宇宙在紅移10’時和‘宇宙在紅移1000’時‘光子與自由電子散射的自由程’時，只考慮了由于宇宙膨脹氣體密度變‘稀疏’，不考慮‘退耦’時‘在紅移一千多的時候由于等離子體復(fù)合，自由電子迅速減少，氣體變成透明的’，而在‘宇宙在紅移10再電離’時自由電子數(shù)目又迅速增加這個事實。到底是誰在‘鬧笑話’？我想，這個問題對略有物理常識的人都應(yīng)當(dāng)清楚。我不知道我在什么地方‘鬧笑話’了。請?zhí)煳慕绺魑辉菏亢屯兄附�。因為我沒有地方發(fā)表我的看法，所以只好把我的看法發(fā)表在各個網(wǎng)站上。如果我的看法有錯誤，請?zhí)煳慕绺魑辉菏亢屯斜M快指出，我好發(fā)表聲明，收回我的看法。如果我的看法沒有錯誤，希望天文界各位院士和同行能想辦法，不要讓整個天文界蒙羞。我在給曹天德先生評論的回復(fù)中已經(jīng)提到，國內(nèi)宇宙學(xué)主要專家有景益鵬先生，武向平先生，陳學(xué)雷先生。景益鵬先生還是RAA的主編，武向平先生是國家天文臺宇宙學(xué)課題組首席科學(xué)家，陳學(xué)雷先生是國家天文臺暗物質(zhì)和暗能量課題組首席科學(xué)家，中國宇宙學(xué)的研究大權(quán)掌握在他們手中。 鄭怡嘉 附件： [11] 標(biāo)題： 發(fā)表評論人：tdcao [2010-1-27 17:44:20] 就目前來說，要我平價陳先生的工作是不可能的。就以“如果光子與普通物質(zhì)粒子（電子）散射的平均自由程遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于哈勃尺度的話...”此話為例，我就覺得這就令人費解。但是，我的意思是，鄭老先生您與其跟“一個人”爭論，不如跟“宇宙學(xué)”或者其中的某個觀點去爭論更有意義。這種爭論以發(fā)表論文作為標(biāo)志。有了論文，您的成就是任何人都抹不掉的，而持續(xù)地同一個人去爭，除非對方是科學(xué)巨匠而您也成就斐然，否則，將是勞而無功。 博主回復(fù)：你不是搞這行的，聽不懂很正常，其實上面那句話并不難理解，就是光子與自由電子散射的自由程取決于散射截面與自由電子數(shù)密度的乘積的倒數(shù)，如果自由電子數(shù)密度充分低，這個自由程就比哈勃距離還大了，這個時候光子傳播主要是受宇宙膨脹（紅移）的影響。反之，光子的傳播受氣體的影響更大。因此后面這種情況下我們說光子與普通物質(zhì)是耦合的(coupled)，而前者是退耦的(decoupled), 而自由電子密度以及哈勃距離都是隨時間變化的，我在前面的回復(fù)里對這兩種變化 做了簡單的數(shù)量級估計，說明為什么在紅移10即使氣體全部電離輻射和物質(zhì)也還可以是退耦的。 我倒是很奇怪，鄭先生好歹也是天文臺的研究員，雖說是搞儀器的，但一些基本的天文知識總還應(yīng)該有吧，怎么說出來的話凈鬧笑話。拿曹先生你做的超導(dǎo)那一行打個比方，鄭先生的做法，就好比有個人連什么是費米面、或者甚至什么是動量空間這些基本概念都沒理解對，卻非要根據(jù)一些新聞報道中的只言片語寫文章評論這個超導(dǎo)機制如何如何、那個超導(dǎo)機制如何如何，讓人啼笑皆非。 [12] 標(biāo)題： 發(fā)表評論人：twxz [2010-1-27 21:21:39] 曹天德先生,很高興看到你的回復(fù)。看來南對天文界的情況不太了解。國內(nèi)宇宙學(xué)主要專家有景益鵬先生，武向平先生，陳學(xué)雷先生。景益鵬先生還是RAA的主編，武向平先生是國家天文臺宇宙學(xué)課題組首席科學(xué)家，陳學(xué)雷先生是國家天文臺暗物質(zhì)和暗能量課題組首席科學(xué)家，中國宇宙學(xué)的研究大權(quán)掌握在他們手中。有關(guān)宇宙學(xué)問題不和他們爭論和誰爭論？再電離就是宇宙學(xué)的一個重要觀點。 |
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2 網(wǎng)友對陳學(xué)雷先生的評論
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2 網(wǎng)友對陳學(xué)雷先生的評論 下面是我2010-01-28給天文界各位院士和同行的電子郵件。 科學(xué)網(wǎng)網(wǎng)友曹天德先生在陳學(xué)雷先生文章‘宇宙再電離’評論欄中和我進(jìn)行了幾個回合討論。陳學(xué)雷先生在其中的一個評論中對曹天德先生的評論作了答復(fù)。曹天德先生對陳學(xué)雷先生的答復(fù)又作了評論�，F(xiàn)將這些評論和答復(fù)轉(zhuǎn)抄如下（見附件）。供天文界各位院士和同行參考。我希望天文界各位院士和同行不要讓懂得基本物理常識的網(wǎng)友，誤會天文界各位院士和同行的基本物理常識水平。 附件： [11] 標(biāo)題： 發(fā)表評論人：tdcao [2010-1-27 17:44:20] 就目前來說，要我平價陳先生的工作是不可能的。就以“如果光子與普通物質(zhì)粒子（電子）散射的平均自由程遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于哈勃尺度的話...”此話為例，我就覺得這就令人費解。但是，我的意思是，鄭老先生您與其跟“一個人”爭論，不如跟“宇宙學(xué)”或者其中的某個觀點去爭論更有意義。這種爭論以發(fā)表論文作為標(biāo)志。有了論文，您的成就是任何人都抹不掉的，而持續(xù)地同一個人去爭，除非對方是科學(xué)巨匠而您也成就斐然，否則，將是勞而無功。 博主回復(fù)：你不是搞這行的，聽不懂很正常，其實上面那句話并不難理解，就是光子與自由電子散射的自由程取決于散射截面與自由電子數(shù)密度的乘積的倒數(shù)，如果自由電子數(shù)密度充分低，這個自由程就比哈勃距離還大了，這個時候光子傳播主要是受宇宙膨脹（紅移）的影響。反之，光子的傳播受氣體的影響更大。因此后面這種情況下我們說光子與普通物質(zhì)是耦合的(coupled)，而前者是退耦的(decoupled), 而自由電子密度以及哈勃距離都是隨時間變化的，我在前面的回復(fù)里對這兩種變化 做了簡單的數(shù)量級估計，說明為什么在紅移10即使氣體全部電離輻射和物質(zhì)也還可以是退耦的。 我倒是很奇怪，鄭先生好歹也是天文臺的研究員，雖說是搞儀器的，但一些基本的天文知識總還應(yīng)該有吧，怎么說出來的話凈鬧笑話。拿曹先生你做的超導(dǎo)那一行打個比方，鄭先生的做法，就好比有個人連什么是費米面、或者甚至什么是動量空間這些基本概念都沒理解對，卻非要根據(jù)一些新聞報道中的只言片語寫文章評論這個超導(dǎo)機制如何如何、那個超導(dǎo)機制如何如何，讓人啼笑皆非。 [13] 標(biāo)題： 發(fā)表評論人：tdcao [2010-1-28 7:47:21] （1）我不清楚哈勃尺度，是不是指10^(26)—10^(27)m的數(shù)量級。（2）“光子與普通物質(zhì)粒子（電子）散射的平均自由程遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于哈勃尺度”，這個“大于”則不可思議。其一，遠(yuǎn)離恒星，等離子體、因而自由電子密度的確可以極低，但光子與分子散射的平均自由程若是如此之大，則“分子密度”也可“忽略”，何談再電離？陳先生，我的意思是：我寧愿相信是我不理解、而不認(rèn)為您錯了，因此有前面的評論。 |
2樓2010-02-01 08:00:29
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3 三答陳學(xué)雷先生 陳學(xué)雷先生，很高興你 能給曹先生答復(fù)并做出具體估算。不過我希望你能把你的答復(fù)在天文界公開。對你所說的‘不搞這行’的人來說，他們很可能被我們之間中的一個人的錯誤解釋和計算所‘忽悠’。天文界同行就不那么容易被‘忽悠’。另外，爭論是有利學(xué)科發(fā)展。希望你不要總是擺出一副‘老子天下第一’樣子給自己壯門面，別人的不同意見都是在‘鬧笑話’。這是心虛的表現(xiàn)。下面談?wù)勎覍δ愕木唧w估算的看法。 1． 假設(shè)你給出的各種基本數(shù)據(jù)是完全準(zhǔn)確。你對今天的哈勃距離是c/H_0=1.27e 28 cm ,的具體估算沒有問題。 2． 但是下面這段話有問題。 當(dāng)然，隨著宇宙的演化，密度和哈勃距離都是可以發(fā)生變化的。如果在紅移z=9處氣體是全部電離的，其密度是2.6e-7 (1+z)^3 = 2.6e-4, 因此自由程是5.8e 27 cm . 如果我們假定宇宙中物質(zhì)（普通物質(zhì)加暗物質(zhì)）的相對密度是Omega=0.25（這是目前測量值），H=H0 * [Omega(1+z)]^1.5,那么在紅移9處的哈勃距離是1.27e28/[0.25*10]^1.5=3.2e 27 cm，自由程仍然略大于哈勃距離，但多少會產(chǎn)生一些散射。 在這里你在計算哈勃距離時為什么要乘上一個Omega？你在計算今天的哈勃距離時已經(jīng)只考慮普通物質(zhì)，沒有考慮暗物質(zhì)。 3． 一個典型星系團中高溫氣體的SZ效應(yīng)就可以明顯地破壞宇宙微波背景輻射譜的黑體譜的特性，高溫氣體會對微波背景輻射的SZ效應(yīng)作用主要通過逆康普頓散射把高溫氣體中電子的能量傳遞給微波背景輻射中的光子。因此微波背景輻射中低能量的光子數(shù)目減少，而高能量的光子數(shù)目增加。這樣微波背景輻射的譜就發(fā)生變化，輻射譜的峰值向高頻端移動，原峰值高頻端的光子數(shù)目增加，而低頻端的光子數(shù)目減少。因此高頻端對應(yīng)的輻射溫度提高，而低頻端對應(yīng)的輻射溫度降低。星系團中高溫氣體的SZ效應(yīng)已為天體物理學(xué)家所承認(rèn)，你怎么能認(rèn)為微波背景輻射和宇宙空間中的高溫電離氣體氣體已經(jīng)‘退耦’了？ |
3樓2010-02-03 07:35:58
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4 和網(wǎng)友的討論
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4 和網(wǎng)友的討論 在‘三答陳學(xué)雷先生’中我已指出，你對‘在紅移9處’的‘哈勃距離’計算有問題。當(dāng)時我只指出他在計算中乘上一個Omega不合理。后來科學(xué)網(wǎng)上署名大傻的網(wǎng)友在陳學(xué)雷先生博文‘宇宙再電離’中留下支持陳學(xué)雷先生觀點的評論，同時又指出陳學(xué)雷先生在計算時存在的‘筆誤’。根據(jù)署名大傻網(wǎng)友給出的理論公式， H=H0*[Omega_m*(1+z)^3+Omega_Lambda]^0.5，Omega_m=0.25, Omega_Lambda=0.75, 在高紅移上面式子近似就是H=H0*Omega_m^0.5*(1+z)^1.5 ，陳學(xué)雷先生對紅移為9時的哈勃距離的量級計算有筆誤。按照署名大傻的網(wǎng)友給出的公式，哈勃距離只有陳學(xué)雷先生給出的數(shù)值的1/4。，哈勃距離隨紅移增大而變小，宇宙的視界是變的，視界內(nèi)的物質(zhì)不守恒。陳學(xué)雷先生給出的哈勃距離雖然數(shù)值不對，但‘光子自由程’仍然大于‘哈勃距離’的結(jié)論是對的。 不過我認(rèn)為由于‘哈勃距離’和‘光子自由程’之比值就是陳學(xué)雷先生后面提到的‘描述這個散射多少的量是所謂光學(xué)深度’，因此陳學(xué)雷先生認(rèn)為在光學(xué)深度約為0.01這種情況下，可以認(rèn)為‘微波背景輻射光子與自由電子’已經(jīng)完全‘退耦’了在物理上仍然是說不通的。對‘退耦’的理解不能只停留在在‘光學(xué)深度’比1小的范圍內(nèi)。以太陽附近的色球?qū)雍腿彰釣槔�。根�?jù)C.W.Allrn的‘Astrophysical Quantities’,通常把光學(xué)深度為1的地方定義為太陽的光球表面，h=0。在太陽的光球表面上方h=278公理的色球?qū)觾?nèi)，它的光學(xué)深度已降低到0.01�？墒窃谌杖硶r，用肉眼我們就可以看到這個色球?qū)由⑸涞奶柟�，你能認(rèn)為色球?qū)又械淖杂呻娮右呀?jīng)和太陽光完全‘退耦’了嗎？即使在太陽的光球表面上方h=2000公理的日冕處，它的光學(xué)深度已降低到0.0000001，在日全食時，用照相機也可以拍到它散射的太陽光，你能認(rèn)為日冕中的自由電子已經(jīng)和太陽光完全‘退耦’了嗎？ |
4樓2010-02-05 07:27:51
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5 三答網(wǎng)友的評論
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宇宙學(xué)中‘退耦’問題---5 三答網(wǎng)友的評論 科學(xué)網(wǎng)上的網(wǎng)友（署名[游客]大傻）對我在‘和網(wǎng)友的討論’中的答復(fù)又發(fā)表了他的評論（見附件）。他在進(jìn)行這個評論時心情似乎有點激動。下面是我對他新評論的答復(fù)。 [游客]大傻先生，我希望你能平心靜氣地討論問題。根據(jù)北京大學(xué)俞允強教授在他的“熱大爆炸宇宙學(xué)”第五章是討論微波背景輻射，（不知你是否承認(rèn)它是本你所說的‘宇宙學(xué)書’）在69頁有這樣兩段話。 1．粗略地講，當(dāng)宇宙年齡為4*10^5年時，溫度降到T=0.3eV，那時中性原子已在氣體中占到90%，人們常把它叫原子的復(fù)合時刻。此后電離氫與中性氫的比例仍在降低，直到電離氫只占10^-5自由電子失去了與氫核相碰的機會，轉(zhuǎn)化過程才趨向停止。這就是宇宙中最初中性原子的產(chǎn)生過程。 2． 在原子中性化的后期，絕大部分電子束縛在中性原子內(nèi)，自由電子的數(shù)密度的迅速降低，使光子在宇宙介質(zhì)中的退耦，退耦后的光子與氣體中的氣體其它組分粒子（中性氫）已幾乎沒有相互作用，因而被稱為背景光子，或背景輻射場。所以說，中性原子的形成和光子的退耦是同一過程的兩個方面。 因此我想把退耦理解成光子和自由電子相碰的機會（光學(xué)適度）為10^-5不是太過分吧？如果這樣的退耦過程找不到，恐怕這不是我要求太過分，而是你們所主張的理論關(guān)于退耦的假設(shè)不合理。平均10％的幾率被散射是不是太大了點？ 另外你問‘我的主要觀點是什么’，我可以回答。我的主要觀點是‘大爆炸宇宙學(xué)’理論有許多不自洽的地方，其正確性值得探討。如果光子和自由電子沒有滿足退耦要求，認(rèn)為微波背景輻射是宇宙大爆炸的余燼是不合理的。 現(xiàn)在我反問你一個問題，陳學(xué)雷先生自己在文章中也承認(rèn)，‘宇宙再電離是個多年沒有解決的難題’，‘現(xiàn)在的理論大大超前于觀測’�！碚摯蟠蟪坝谟^測’實際上說明理論缺乏觀測基礎(chǔ)。既然這樣，你為什么對我的質(zhì)疑如此反感，不允許我從另外一個角度來探討問題而要我按照陳學(xué)雷先生的思路來討論問題？ 附件：署名[游客]大傻的評論 22號樓主，我實在不知道說什么好了，您的意思是說退藕就得一點兒相互作用的機會都沒有？這樣的退藕你去哪里找？按你的邏輯，見人家實驗室掛個“真空實驗室”，你是不是也得去理論一番說人家不可能是嚴(yán)格的真空？你的主要觀點是什么��？這個退藕不是你心目中神圣的100％到底會導(dǎo)致什么嚴(yán)重后果而讓你耿耿于懷��？ 可以明確告訴你，宇宙從電離變中性后（紅移1100左右），也不是100％中性，還有一點點電子，宇宙再電離后（紅移10左右）也不是100％電離，還有一點點中性氫什么的（對了，要100％電離了，我們也不用在這里灌水了，沒有地球沒有我們了）。 真正去算電子散射的光深（從紅移1100到0），需要考慮宇宙的膨脹和再電離的過程。正如博主文中所說，這個光深可以通過微波背景輻射偏振的各向異性觀測測出來，是0.1左右。這就是說，微波背景光子從紅移1100傳播到現(xiàn)在，平均只有10％的幾率被均勻分布于宇宙中的電子湯普孫散射一次（這個散射對微波背景的黑體譜基本沒影響，怕你叫真，我加個基本）。如果在視線方向正好有個星系團，星系團里的電子溫度要高的多，微波背景光子有很小的幾率通過逆康普頓散射得到能量使得其譜有點偏離黑體譜（如果用個等效的溫度來描述強度變化，溫度變化大概是千分之一的量級）。 建議樓主好好讀讀博主的文章，再找找文獻(xiàn)和宇宙學(xué)書學(xué)學(xué)。 |
6樓2010-02-07 06:09:42
7樓2010-02-07 14:12:01
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6 再問[游客]大傻先生 （本帖子上是我在科學(xué)網(wǎng)上陳學(xué)雷先生文章‘宇宙再電離’的評論。因為科學(xué)網(wǎng)對對評論文字幅度的限制，在科學(xué)網(wǎng)上被分割成兩段，發(fā)表在25樓和26樓）。 署名[游客]大傻先生，對我在24樓的答復(fù)一直沒有看到你的回應(yīng)，因此我這里再問一個問題向你請教。你在19樓的評論中提到，‘SZ效應(yīng)誰也沒否認(rèn)，其中的S還活躍在科研一線，是大家所敬仰的，你何時聽到他以此來挑戰(zhàn)現(xiàn)代宇宙學(xué)？’。我認(rèn)為你這個提法很有問題。S沒有以此來挑戰(zhàn)現(xiàn)代宇宙學(xué)，其他人就不能以此來挑戰(zhàn)現(xiàn)代宇宙學(xué)？ 美國科學(xué)家在2006年9月1日的《Astrophysical Journal》 (The Astrophysical Journal, 648:176–199, 2006 September 1, 不知這算不算你要我找的文獻(xiàn))上發(fā)表文章，表明一些本該在微波背景中存在SZ效應(yīng)的宇宙空間中并未發(fā)現(xiàn)SZ效應(yīng)，從而對宇宙微波背景輻射是表明宇宙起源于大爆炸的證據(jù)這一觀點提出了質(zhì)疑。這篇文章的中文翻譯見 教育部科技發(fā)展中心 2006-09-12 發(fā)表的文章‘科學(xué)家對宇宙爆炸遺留的微波背景輻射提出質(zhì)疑’，（劉樂譯自：physorg.com網(wǎng)站 2006年9月1日）鏈接地址： http://www.cutech.edu.cn/cn/gjkj ... 180315708989428.htm (文中的陰影效應(yīng)實際上就是指星系團的SZ效應(yīng)) 美國阿拉巴馬大學(xué)（UAH）的科學(xué)家們應(yīng)用最新精確的宇宙微波輻射測量技術(shù)研究，結(jié)果表明，臨近銀河系的很多星系團不存在陰影效應(yīng)。UAH研究小組首席科學(xué)家，物理學(xué)教授Richard Lieu博士通過應(yīng)用NASA的威爾金森微波各向異性探針（WMAP）探測到的數(shù)據(jù)分析了宇宙中31個星系團在宇宙微波輻射中是否存在陰影。 “這些陰影早在多年前就被預(yù)言存在，”Lieu博士表示�！八鼈兪俏ㄒ恢苯哟_定我們到宇宙微波背景輻射原點距離的方法，如果你能在背景上觀察到陰影，這表明輻射來源于星系團的后方，但是如果你無法在相應(yīng)星系團的背景上觀察到陰影，那一定有什么問題。在我們所觀察的31個星系團中，有的存在陰影，而有的卻沒有。” 如果傳統(tǒng)宇宙大爆炸理論是準(zhǔn)確的，并且我們所觀測到的背景輻射確實是從宇宙最遙遠(yuǎn)的邊際傳播到地球的話，那么這些靠近我們所處銀河系的發(fā)出X射線的巨大星系團理應(yīng)全部在背景輻射中產(chǎn)生陰影。 觀測的結(jié)果顯示，大約有四分之一被預(yù)言存在陰影效應(yīng)的星系團確實存在陰影，這和在整個天際隨機觀測到陰影的幾率大致相當(dāng)。Lieu博士表示：“這說明或者微波背景并非來自于星系團后方，它并不能作為宇宙大爆炸理論的依據(jù)，或者發(fā)生了其它事情造成這一現(xiàn)象，其中一個可能是，這些大的星系團本身就是微波輻射源，它們通過自身的某一部分—也許是內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，或者是外部的光環(huán)狀構(gòu)造來輻射出微波�！� Lieu博士又表示：“根據(jù)我們對已知的輻射源和星系團周圍光環(huán)的研究，我們并不認(rèn)為會有這樣的輻射產(chǎn)生，很難想象數(shù)個不同的星系團會同時發(fā)射出和宇宙微波背景輻射頻率，強度均一致的微波�！� 對這個觀測結(jié)果，[游客]大傻先生，你有什么評論？請指教。 |
8樓2010-02-09 06:24:05
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