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twxz木蟲 (正式寫手)
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[交流]
【交流】死亡電梯和層次參考系 已有1人參與
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死亡電梯和層次參考系 在討論微波背景輻射定義的‘絕對慣性系’的物理意義時，北京大學(xué)俞允強(qiáng)教授在他的‘熱大爆炸宇宙學(xué)’一書中指出，全局性的參考系是不存在的。認(rèn)為實(shí)際使用的參考系都只是局域的測量基準(zhǔn)。我認(rèn)為這個說法是對的。但完全沒有必要把天文研究中局域的測量基準(zhǔn)和大爆炸宇宙學(xué)中的‘共動坐標(biāo)系’聯(lián)系起來。‘以觀測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’這個提法我認(rèn)為是對的。但我認(rèn)為‘它們之間是隨著宇宙的膨脹而有相對運(yùn)動’這個提法有問題。它們完全可以不必是‘隨著宇宙的膨脹而有相對運(yùn)動’。 ‘實(shí)際使用的參考系都只是局域的測量基準(zhǔn)’這個事實(shí)，在天文學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用中隨處可見。愛因斯坦為了說明廣義相對論的相對性原理而杜撰的‘死亡電梯’例子，就是一個局域參考系。其實(shí)，愛因斯坦完全沒有必要杜撰‘死亡電梯’這個例子。人造地球衛(wèi)星就是一個完全可以代替‘死亡電梯’說明等效原理的局域參考系。對自由下落的‘死亡電梯’中的乘客和物體，他們感覺不到地球?qū)λ麄儺a(chǎn)生的引力作用。在繞地球轉(zhuǎn)動的‘人造衛(wèi)星艙體’中的乘客和物體，他們和在愛因斯坦‘死亡電梯’中的乘客和物體一樣，也感覺不到地球?qū)λ麄儺a(chǎn)生的引力作用。 用人造地球衛(wèi)星代替‘死亡電梯’來說明等效原理，在實(shí)際使用和宇宙學(xué)研究中有重要意義。這樣做的結(jié)果是，根據(jù)等效原理，宇宙中每個層次成團(tuán)結(jié)構(gòu)的中心，都可以被認(rèn)為等效于一個大的‘人造衛(wèi)星艙體’。是一個獨(dú)立的‘局域的測量基準(zhǔn)’，也就是一個獨(dú)立的‘近似慣性系’。位于地球表面上的我們，在地心參考系中，可以感覺到地球?qū)ξ覀兊囊Γ杏X不到太陽對我們的引力。這如同在‘人造衛(wèi)星艙體’中有一套靈敏的、可以測量萬有引力常數(shù)的‘卡文迪許扭秤’。扭秤中的每一個大鐵球，它們感覺不到地球?qū)λ鼈兊囊Γ總�大鐵球卻可以感覺到扭秤中的其它鐵球?qū)λ娜f有引力。地球和它附近的物體所組成的整個體系如同一個巨大的‘太陽衛(wèi)星艙體’，地球則如同 ‘人造衛(wèi)星艙體’中‘卡文迪許扭秤’的大鐵球。在這個巨大的‘太陽衛(wèi)星艙體’所構(gòu)成的‘局域的測量基準(zhǔn)’中，地球和它附近的物體感覺不到太陽對它們的引力作用，但地球附近的物體可以感覺到地球?qū)λ鼈兊囊ψ饔�。�?dāng)然，由于這個‘太陽衛(wèi)星艙體’太大了，太陽在這個‘太陽衛(wèi)星艙體’中不同位置上的引力場強(qiáng)度不可能完全相同，靈敏的觀測還是可以從這個‘局域參考系’中物體的運(yùn)動狀態(tài)，推斷出太陽對‘太陽衛(wèi)星艙體’中物體引力作用的存在。如海邊潮汐出現(xiàn)的時間和強(qiáng)度會和太陽位置的變化有密切關(guān)系。畢竟‘太陽衛(wèi)星艙體’這個‘局域參考系’只是一個近似的慣性參考系。 這個例子很好地說明，根據(jù)相對論的相對性原理，在宇宙各個層次的成團(tuán)結(jié)構(gòu)中，對每個成團(tuán)結(jié)構(gòu)都可以建立起一個近似的慣性參考系。這個近似的慣性參考系是這個成團(tuán)結(jié)構(gòu)的‘局域的測量基準(zhǔn)’。那些和不同的成團(tuán)結(jié)構(gòu)相聯(lián)系的‘局域的測量基準(zhǔn)’，都是相互獨(dú)立的。它們之間可以有相對運(yùn)動，但這些相對運(yùn)動完全和宇宙膨脹沒有關(guān)系。 在測量人造地球衛(wèi)星的運(yùn)動軌道時，地心坐標(biāo)系可以看成是一個局域的測量基準(zhǔn)。太陽系中還存在有其它行星，對圍繞這些行星繞轉(zhuǎn)的衛(wèi)星來說，衛(wèi)星所屬的行星的中心也可以看成是一個獨(dú)立的‘局域的測量基準(zhǔn)’。歸屬于各個不同行星的‘局域的測量基準(zhǔn)’都是一些相互獨(dú)立的慣性參考系。這些相互獨(dú)立的局域的測量基準(zhǔn)之間顯然存在有相對運(yùn)動，但它們之間的相對運(yùn)動和宇宙膨脹毫無關(guān)系。它們之間的相對運(yùn)動，是它們各自繞太陽運(yùn)動的速度不同的結(jié)果。 在更大尺度層次上，考慮太陽系中各個行星繞太陽運(yùn)動時，日心坐標(biāo)系可以看成是在這個層次上的一個‘局域的測量基準(zhǔn)’。在計(jì)算和觀測太陽和其它恒星在銀河系中的運(yùn)動的時候，銀心坐標(biāo)系可以看成是在這個更大層次上的一個‘局域的測量基準(zhǔn)’。對銀河系外的其它星系，這些星系的中心也可以看成是一些獨(dú)立的‘局域的測量基準(zhǔn)’。和這些星系中心聯(lián)系在一起的‘局域的測量基準(zhǔn)’，也是相互獨(dú)立的。它們之間可以有相對運(yùn)動，但這些星系之間的相對運(yùn)動，也可以完全不是宇宙膨脹的結(jié)果。這些星系通常還形成一個更大尺度的成團(tuán)結(jié)構(gòu)---星系團(tuán)。最明顯的例子就是后發(fā)星系團(tuán)中各個成員星系。這些成員星系之間的相對運(yùn)動是它們繞星系團(tuán)中心運(yùn)動速度不同的結(jié)果。這是1933年瑞典天文學(xué)家茨維基提出在后發(fā)星系團(tuán)中存在‘missing mass’的主要根據(jù)，它和宇宙膨脹毫無關(guān)系。 現(xiàn)在我們觀測到銀河系中心在宇宙空間中有可以測量的運(yùn)動速度，它應(yīng)當(dāng)可以看成是銀河系是處于一個更大尺度成團(tuán)結(jié)構(gòu)中的結(jié)果。因此用微波背景輻射建立起來的絕對靜止慣性系，可以認(rèn)為是在這個更大尺度的成團(tuán)結(jié)構(gòu)中的‘局域的測量基準(zhǔn)’。這意味宇宙在這樣大的尺度上，物質(zhì)的分布也并不是均勻和各向同性，而是有一個成團(tuán)結(jié)構(gòu)。銀河系在這個成團(tuán)結(jié)構(gòu)中也是在繞這個成團(tuán)結(jié)構(gòu)的中心運(yùn)動。利用微波背景輻射測量得到的銀河系中心的空間運(yùn)動速度，就是銀河系繞這個成團(tuán)結(jié)構(gòu)中心運(yùn)動的結(jié)果。 從這里我們也可以看出，在低速和弱場情況下，愛因斯坦的廣義相對論引力理論和牛頓的引力理論并沒有什么本質(zhì)差別，牛頓力學(xué)是廣義相對論引力理論精度極高的近似。和‘死亡電梯’等效的‘人造衛(wèi)星艙體’所引進(jìn)的‘局域慣性參考系’概念，完全可以應(yīng)用到宇宙的層次成團(tuán)結(jié)構(gòu)中。每個層次成團(tuán)結(jié)構(gòu)都可以看成是一個‘局域慣性參考系’。 |
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2樓2011-03-26 00:51:24
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