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对我国射电天文望远镜启用后的建议与观测结果的预测

投稿时间:2016-09-24 17:58 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

获悉我国新建的世界最大口径射电天文望远镜近期将建成启用,对其深空探测所涉及到的前沿理论讨论如下。

对于宇宙的深空探测所依赖的理论最初是来自多谱勒(Doppler)效应的光线红移:λ/λ0 =(λ-λ0)/λ0 =λ/λ0 -1= z ,从而,λ/λ0 =1+ z;这里的z就是红移值,λ是我们接收到的光的波长,λ0是遥远的光源天体当时所发出的光的波长。因为λ0是不知道的,所以通常都用今天实验室中新产生的同一身份的光子的波长λE代替。然后再用红移z和哈伯定律计算光源离我们间的距离。

随着探测工具的改进和探测视野的深入,哈伯最早观察到了z>1的情况。当时出现在哈伯面前的有两种可能的解释:要么光源以超光速远离我们而去,要么光源与我们之间的宇宙空间正在膨胀。聪明的哈伯服从了相对论理论而选择了后者。一个正在膨胀的宇宙是今天大家普遍接受的宇宙学理论。

黄洵2015年在中科院的《科学智慧火花》栏目发文,他提出现有的宇宙学理论在z > 2.513的高红移值时理论与实测值偏差比较大。他提出了一个计算λ0的公式:λ0E(1+z)exp(-z/2),此公式在高红移值时与实际比较符合。不过本文通过验算发现,黄先生提出的这个公式当z在0到1之间时,计算的λ0大于λE,这种情况是理论上不能允许的。

现今的冷原子钟实验已经证明,在几千万年,甚至在整个的宇宙一生中,时间都是永恒的。最近新送入空间的冷原子钟设备将在空间与地面之间测量新生光子的频率并进行比对,本文预测:一、在设备系统误差的基础上不会有可测量效应,因为两频率都是相同的。二、同一身份的新生光子的频率有四种不变性:不随宇宙时间而变,不随宇宙地点而变,不随温度而变,不随引力而变。三、同一身份的新生光子在不同宇宙年龄发生改变的是它的波长。四、新生光子只有在出生后的膨胀的宇宙空间旅途中才发生频率和波长的变化。

我们把来自遥远光源的光子的时空红移分为两部分:一个是时间红移,另一个是空间红移。

新生光子虽然频率不变,但它的波长与它出生时的宇宙年龄成正比,这种波长随出生时宇宙年龄的变化就是时间红移。在古老的年代出生的光子的波长λ0与今天在我们实验室中新出生的光子的波长λE之间的关系为:λE0(1+z). 最近我们将进行的空间与地面的测频对照实验,等于把一个产房搬到了空间,在地面和空间两个产房中分别测同一身份的新生光子的频率,我们预测的实验结果将会证明它们是相同的。

当一个光子在平滑(既不膨胀也不收缩)的宇宙空间中旅行时,它的频率和波长都不会改变。不过,当一个以λ0为出生波长的光子经过膨胀的宇宙空间,到达我们今天的地球时,它除了时间红移外,还要发生空间红移。用λE代替λ0时就等于已经考虑了时间红移,这种空间红移与光源退行引起的Doppler红移是完全等效的:λ=λE(1+z)。

将表示时间红移和空间红移的两个方程合并,就得到了这个光子从λ0变化到λ过程的时空红移:

λ=λ0(1+z)2

表-1列出了在不同z值时,氢原子的基态(1s)与第一激发态(2p)能级间跃迁的α谱线的λ与λ0值,其中λE值取121.6nm,表中所有波长单位都为nm。

z

0

0.5

1

2

2.513

4

6.29

9

19

39

49

79

99

T/t0=1+z

1

1.5

2

3

3.513

5

7.29

10

20

40

50

80

100

λ0E /(1+z)

121.6

81.67

60.8

40.53

34.61

24.32

16.68

12.16

6.08

3.04

2.432

1.52

1.216

λ =(1+z)2λ0

121.6

182.4

243.2

364.8

427.2

608.0

886.5

1016

2432

4864

6080

9728

12160

目前的天文观测通常都是把得到的z值换算成光源天体距离我们地球的距离。本文认为在彻底搞清楚z值的确切物理意义之前,这种用距离表示天文观测结果的方式欠妥,原因有二。

一是大家都公认现在的宇宙正在膨胀,那么正在膨胀的宇宙中的距离也必然正在拉长。使用一个正在拉长的距离的可靠性及由此推出的所有结果都必将存疑。

其二,如果将测量结果表示为距离,那么它必然与宇宙的半径或直径相联系。有人已经提出人类目前已经观察到了宇宙总体的90%以上。我们新建的射电望远镜的精度及探测的深远度将比原来提高几倍,如果按这样的思路,用我们的新射电望远镜肯定能看到宇宙的中心甚至宇宙的对边的边缘。这样,z值必将在现在已经测到的最大值的不远处就会有一个确定的值,例如9或10,或其它的一个确定数值。而不可能是更大得多的值,如100或200,或1000等。

根据本文的研究,我们认为在不久的将来人类还不可能观察到宇宙的中心或对边。因为与红移z直接相联系的、可能根本就不是宇宙中的距离。由上面的分析可知,与z值相联系的λ与λ0之比,实际上是两个时间之比,是光线到达我们今天的地球的宇宙年龄(不是地球年龄),与产生此光线的遥远光源天体当时的宇宙年龄(不是该天体年龄)之比。发出此光的光源天体的宇宙年龄越小,z值越大。当它年轻到接近宇宙大爆炸的起始原点年龄时,z值将趋于无穷大。

为此本文提议,在发布我们自己的新射电望远镜的观测结果时,可公布实测值λ和红移z值以及由它们计算出的,光线从光源到达我们地球所经过的时间——年,而不要换算成距离单位——光年。实际上这两者是等价的,但物理含义大不相同,年是可靠的、可信的,但光年是不可靠的,不十分可信的。