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twxz木蟲(chóng) (正式寫(xiě)手)
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[交流]
【交流】宇宙學(xué)原理和微波背景輻射（3）
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宇宙學(xué)原理和微波背景輻射（3） 在宇宙學(xué)原理和微波背景輻射（2）中，我已經(jīng)討論了標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型描述天體運(yùn)動(dòng)的參考系問(wèn)題�，F(xiàn)在可以討論一下銀河系在宇宙空間中運(yùn)動(dòng)的物理成因和意義。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中的哈勃定律和‘共動(dòng)坐標(biāo)系’理論，銀河系是不應(yīng)當(dāng)存在有這樣的空間運(yùn)動(dòng)；但根據(jù)牛頓的‘絕對(duì)慣性系’理論，銀河系存在這樣的空間運(yùn)動(dòng)是完全可以理解的。 在60年代，當(dāng)美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師阿諾•彭齊亞斯和羅伯特•威爾遜發(fā)現(xiàn)微波背景輻射時(shí)，由于所用觀測(cè)設(shè)備靈敏度的限制，當(dāng)時(shí)觀察到的微波背景輻射被認(rèn)為是完全均勻和各向同性的。只是在銀道面這樣一個(gè)小區(qū)域，銀河系對(duì)微波背景輻射有微小的影響。因此微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是對(duì)宇宙學(xué)原理和大爆炸理論最強(qiáng)有力的支持�？墒呛髞�(lái)COBE和WMAP的深入觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，微波背景輻射并不像阿諾•彭齊亞斯和羅伯特•威爾遜最初發(fā)現(xiàn)時(shí)那樣，可以認(rèn)為是完全均勻和各向同性。COBE和WMAP觀察到的‘微波背景輻射溫度譜’圖中，明顯存在有一個(gè)偶極矩。這個(gè)偶極矩現(xiàn)在被解釋為是由于銀河系中心的空間運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)。銀河系中心的這個(gè)空間運(yùn)動(dòng)，顯然可以理解為是相對(duì)于牛頓的‘絕對(duì)慣性參考系’的運(yùn)動(dòng)。然而根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中的哈勃定律，銀河系中心是不應(yīng)當(dāng)存在這個(gè)空間運(yùn)動(dòng)。 為了解釋銀河系和其它星系顯然存在的不服從哈勃定律的空間運(yùn)動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型在‘共動(dòng)坐標(biāo)系’的理論基礎(chǔ)上又引進(jìn)了‘本動(dòng)’的概念。這就是把觀察到的各個(gè)星系在宇宙空間中的運(yùn)動(dòng)人為的分解兩個(gè)部分。其中符合哈勃定律的那一部分，定義為哈勃定律的貢獻(xiàn)，也就是歸結(jié)為宇宙膨脹的結(jié)果；其中不符合哈勃定律的那一部分，定義為這個(gè)星系發(fā)生了相對(duì)于‘共動(dòng)坐標(biāo)系’的‘本動(dòng)’。至于這些星系為什么會(huì)發(fā)生相對(duì)于‘共動(dòng)坐標(biāo)系’的‘本動(dòng)’，在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中似乎沒(méi)有給出合理的答案。有關(guān)這個(gè)問(wèn)題，俞允強(qiáng)教授在他的‘熱大爆炸宇宙學(xué)’一書(shū)中有這樣一個(gè)說(shuō)法：標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型是把每個(gè)星系看成是膨脹的‘宇宙氣體介質(zhì)’中的‘一個(gè)分子’。這個(gè)說(shuō)法似乎是在暗示，膨脹宇宙中星系相對(duì)于‘共動(dòng)坐標(biāo)系’的‘本動(dòng)’就如同膨脹氣體中單個(gè)分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)。其他人心中也許也是這樣想的，但似乎從來(lái)沒(méi)有人愿意正面討論過(guò)這個(gè)問(wèn)題。 如果認(rèn)為膨脹宇宙中星系相對(duì)于‘共動(dòng)坐標(biāo)系’的‘本動(dòng)’就如同膨脹氣體中各個(gè)分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，則在討論宇宙學(xué)動(dòng)力方程時(shí)，宇宙氣體介質(zhì)應(yīng)當(dāng)如同氣體一樣有壓力存在。但根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，在以實(shí)物為主的宇宙中，宇宙氣體介質(zhì)的壓力通常被認(rèn)為應(yīng)當(dāng)為0。北京大學(xué)物理學(xué)院天文系的‘標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型’課件就是這樣講授的。下面就是這個(gè)課件中的一個(gè)截圖。它明確地提到在以實(shí)物為主的宇宙中，宇宙氣體介質(zhì)的壓力應(yīng)當(dāng)為0。因此宇宙中星系相對(duì)于‘共動(dòng)坐標(biāo)系’的‘本動(dòng)’顯然不能看成如同膨脹氣體中單個(gè)分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)。標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型雖然承認(rèn)各個(gè)星系相對(duì)于‘共動(dòng)坐標(biāo)系’存在‘本動(dòng)’，但對(duì)星系‘本動(dòng)’的物理成因并沒(méi)有給出合理的解釋。（北京大學(xué)物理學(xué)院天文系宇宙學(xué)課件的地址是： http://vega.bac.pku.edu.cn/astro/course/cosmology/cosmos10/） 北京大學(xué)物理學(xué)院天文系‘標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型’課件的一個(gè)截圖 一百年前的人們?cè)J(rèn)為有以太彌漫于全空間。它可以作為動(dòng)或靜的絕對(duì)基準(zhǔn)。天體相對(duì)它的運(yùn)動(dòng)叫絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。Michelson-Morley曾測(cè)量地球的絕對(duì)速度，但始終得到零結(jié)果。它使人們悟到，以太并不存在。絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是沒(méi)有意義的。這就是相對(duì)性原理的基礎(chǔ)�，F(xiàn)在宇宙學(xué)肯定了彌漫于全宇宙的微波背景輻射的存在，那么以微波背景輻射為基準(zhǔn)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)就有了現(xiàn)實(shí)意義。這是否意味著牛頓絕對(duì)空間概念的復(fù)活？ 關(guān)于用微波背景輻射定義的‘絕對(duì)慣性系’的物理意義，俞允強(qiáng)教授在他的‘熱大爆炸宇宙學(xué)’一書(shū)中有這樣的論述： ‘考慮到宇宙介質(zhì)和它占據(jù)的空間都在膨脹，全局性的參考系是不存在的。因?yàn)閰⒖枷淀氂梢蝗合鄬?duì)靜止的物體組成。實(shí)際使用的參考系都只是局域的測(cè)量基準(zhǔn)。上面講的靜止系也只是局域的。以觀測(cè)到的背景輻射為各向同性作準(zhǔn)則，不同的地方有各自的靜止系。它們之間是隨著宇宙的膨脹而有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。所以，這樣的靜止系與牛頓的絕對(duì)空間很不一樣’。 我認(rèn)為俞允強(qiáng)教授的這些論述有些話有一定道理。特別是‘全局性的參考系是不存在的’這個(gè)提法是對(duì)的。但這個(gè)結(jié)論不一定要和宇宙膨脹理論聯(lián)系起來(lái)。用微波背景輻射定義的絕對(duì)慣性系，可以認(rèn)為只是在微波背景輻射的形成區(qū)域內(nèi)有效。由于輻射的傳播速度--光速并不是無(wú)限大，我們所觀測(cè)到的微波背景輻射的形成區(qū)域不可能是整個(gè)宇宙。不同的地方所觀測(cè)到的微波背景輻射的形成區(qū)域是不一樣的。 |
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