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twxz木蟲 (正式寫手)
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[交流]
【交流】宇宙學(xué)原理和微波背景輻射（2） 已有1人參與
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宇宙學(xué)原理和微波背景輻射（2） 如何理解銀河系中心在宇宙空間中運(yùn)動(dòng)的物理含義？它的運(yùn)動(dòng)方向是不是宇宙空間中的一個(gè)特殊方向？ 要討論這個(gè)問題，我們首先要了解在天文學(xué)中，描述天體在宇宙空間中運(yùn)動(dòng)的參考系問題。根據(jù)牛頓力學(xué)，描述天體在宇宙空間中的運(yùn)動(dòng)要用參考系是‘絕對(duì)慣性系’。在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中，根據(jù)哈勃定律，描述天體在宇宙空間中的運(yùn)動(dòng)要用的參考系是‘共動(dòng)坐標(biāo)系’（co-moving coordinate system）。 要理解標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中的‘共動(dòng)坐標(biāo)系’，可以參考北京大學(xué)俞允強(qiáng)教授在他的《熱大爆炸宇宙學(xué)》一書中這樣一段論述：“在均勻的宇宙介質(zhì)中取出四個(gè)等距分布的星系O（我們的位置），A1，A2，A3.按哈勃定律，從O看三個(gè)星系，它們的膨脹速度比是V1：V2：V3=1：2：3.當(dāng)A1達(dá)到A’1時(shí)，A2和A3分別達(dá)到A’2和A’3。這樣易于看出O，A′1，A′2，A′3.仍然是四個(gè)等距分布的星系。于是這就說明，原來是均勻的氣體，在按哈勃定律膨脹后，依然是均勻的。因此哈勃定律不僅告訴我們宇宙在膨脹，而且暗示了宇宙在它的演化歷史上一直是均勻的。哈勃定律表明一切星系都以我們?yōu)橹行南蛩拿嫔㈤_。這容易給人以錯(cuò)覺，好像我們處于宇宙的中心。在上面論證的基礎(chǔ)上，這錯(cuò)覺就容易澄清了。對(duì)永遠(yuǎn)均勻的宇宙講，空間不同位置是完全平等的。我們所處的位置不可能有任何特殊性。如果其它星系中有觀測(cè)者，那么他會(huì)發(fā)現(xiàn)，宇宙相對(duì)他的星系也是按哈勃定律膨脹的。人們常把這一觀念叫宇宙學(xué)的哥白尼原理”。下圖是俞允強(qiáng)教授對(duì)這段文字給出的直觀示意圖。 從這里我們可以看到，按照標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中的哈勃定律，位于銀河系中的觀測(cè)者，在觀察其它星系時(shí)，它們都應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離觀測(cè)者而去。同時(shí)銀河系中的觀測(cè)者是不可能觀測(cè)到銀河系自身的運(yùn)動(dòng)。這樣一個(gè)描述天體運(yùn)動(dòng)的參考系就是所謂‘共動(dòng)坐標(biāo)系’概念。宇宙膨脹時(shí)‘共動(dòng)坐標(biāo)系’和星系也在跟著宇宙一起膨脹�！矂�(dòng)坐標(biāo)系’就是利用在膨脹宇宙空間中各個(gè)星系作為參考點(diǎn)建立起來的。因此在每個(gè)星系上的觀測(cè)者都只能觀察到其它星系按照哈勃定律做膨脹運(yùn)動(dòng)，但觀測(cè)者自己相對(duì)‘共動(dòng)坐標(biāo)系’是靜止的。 可是實(shí)際上位于銀河系中的觀測(cè)者，觀察到的情況遠(yuǎn)非如此。以1929年哈勃得出哈勃定律所根據(jù)24個(gè)星系的紅移數(shù)據(jù)為例。最大的紅移是星系NGC 4649，它的視向速度只有+1090 km/s。在這24個(gè)星系數(shù)據(jù)中，有5個(gè)星系不但沒有紅移，而且是紫移。最大的‘紫移星系’是仙女座III，它的視向速度達(dá)-351 km/s。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型對(duì)星系譜線紅移是天體運(yùn)動(dòng)多普勒效應(yīng)的解釋，這些‘紫移星系’不但不是在膨脹，而是在塌縮！在整個(gè)宇宙膨脹的背景中，這些星系不但沒有膨脹反而塌縮。特別是仙女座星系和它的3個(gè)伴星系的譜線都是紫移，可是距離只有它們約1/10的銀河系的5個(gè)衛(wèi)星星系卻有3個(gè)星系的譜線是紅移。尤其是離我們最近的大麥哲倫星系和小麥哲倫星系其譜線是紅移，而較遠(yuǎn)的小熊座矮星系和天龍座矮星系反而是譜線紫移。這些星系的運(yùn)動(dòng)顯然不符合哈勃定律，是無法用標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中的哈勃定律來解釋的。 標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型引進(jìn)‘共動(dòng)坐標(biāo)系’的概念，其中一個(gè)重要原因是想以這個(gè)‘共動(dòng)坐標(biāo)系’概念來否定牛頓的慣性參考系概念。他們批判牛頓慣性參考系概念的一個(gè)重要理由就是：由于萬有引力的存在，所有物體都要發(fā)生運(yùn)動(dòng)，因此根本無法利用某一具體天體來建立起嚴(yán)格意義上的‘慣標(biāo)參考系’。標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型卻可以利用在膨脹的宇宙空間中各個(gè)星系作為參考點(diǎn)建立起‘共動(dòng)坐標(biāo)系’。可是那些被哈勃用來得出哈勃定律所用的星系的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，它們?cè)谟钪婵臻g中的運(yùn)動(dòng)顯然并不完全符合哈勃定律，根本無法用這些星系作為參考點(diǎn)來建立‘共動(dòng)坐標(biāo)系’。COBE和WMAP的觀測(cè)結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，銀河系中心也不能作為‘共動(dòng)坐標(biāo)系’的參考點(diǎn)。根據(jù)宇宙學(xué)的哥白尼原理，宇宙中那些所有星系也都應(yīng)當(dāng)存在相對(duì)‘共動(dòng)坐標(biāo)系’的空間運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型也根本不可能利用具體星系建立起真正的‘共動(dòng)坐標(biāo)系’。因此從利用具體天體來建立描述天體運(yùn)動(dòng)參考系觀點(diǎn)來看，‘共動(dòng)坐標(biāo)系’概念并沒有比牛頓‘慣性參考系’概念具有什么優(yōu)勢(shì)。 其實(shí)，早在十九世紀(jì)，奧地利著名科學(xué)家馬赫（Ernst Mach，1838－1916）就認(rèn)為可以確切的定義慣性參考系。他在思考所謂牛頓旋轉(zhuǎn)水桶問題時(shí)，他實(shí)際上已經(jīng)把所謂的牛頓空間框架和“宇宙中所有的星體”這個(gè)框架聯(lián)系起來。這樣就可以避免單獨(dú)地用某一個(gè)天體作為慣性參考系的困境。現(xiàn)在通過對(duì)微波背景輻射的觀測(cè)，完全可以確切的定義慣性參考系。按照馬赫的邏輯，這說明‘宇宙中所有的星體’這個(gè)框架和微波背景輻射存在客觀聯(lián)系。從對(duì)WMAP微波背景輻射溫度圖譜觀測(cè)結(jié)果我們也可以看到，微波背景輻射溫度圖譜中確實(shí)含有物質(zhì)分布的信息。銀道面產(chǎn)生的影響，在觀測(cè)到的微波背景輻射溫度圖譜中清晰可見。這也說明微波背景輻射和宇宙中物質(zhì)分布確實(shí)存在客觀聯(lián)系。微波背景輻射應(yīng)當(dāng)是輻射和物質(zhì)相互作用的結(jié)果。因此利用對(duì)微波背景輻射的觀測(cè)來建立慣性參考系是合理和可行的。 |
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2樓2011-02-24 20:27:15
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