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由易学思想设计的三个物理实验(1)

2016-01-16 01:01 一、验证宇宙并非在膨胀的实验1929年哈勃宣布：“宇宙正在膨胀着。星系之间的空间随时间线性增加，星系本身并没有改变；而且星系越远，离去得越快” 〔1-P115〕。而后，由列梅特、伽莫夫等人发展为大爆炸理论，基本要点是：在100-200亿年之前，宇宙生之于一次大爆炸，物质、能量、时间和空间都由爆炸中创生，爆炸前那种原始的无限稠密被称为“奇点”,由爆炸引起的膨胀，现在仍在继续着。从30年代开始，膨胀的宇宙模型已经为大多数宇宙学家所接受，现在被称为现代宇宙学标准模型。现代宇宙学被定义为：“以广义相对论为理论基础，以哈勃定律为观测依据，并在宇宙学原理的假设下,研究整体宇宙的结构、运动和演化规律的一门学科”(2-P85)。此前15年，斯利弗在美国天文学协会的一次会议上，公布的观察结果是：“一些明亮星云(后来被证实是星系)，既有蓝移的，也有红移的”；更远的弱光星云，“全都展示红移”(1-P111)。没有做出任何解释。哈勃有效地以“宇宙梯”法解决了确定星系距离的问题之后，通过对自己测定的24个河外星系距离的分析，发现红移量大致同星系距离成正比，即(λ1-λ0)/(λ2-λ0)＝D1/D2。当时普遍认为，这个结果“唯一可能的物理学解释便是河外星系都在以正比于它们距离的速度退离我们而去”〔3-P140〕，由此得出的H＝V/D，被称为哈勃定律。其中H为哈勃常数，D为星系距离，V为星系退离速度。D和V“都不是可测量的量”(8-P403)。哈勃定律作为膨胀宇宙论的基础原典、现代宇宙学的观测依据，存在如下纰漏：1、该定律中既没有可观测的物理量，何以能成为“观测依据”?又缺乏作为必要条件的观测数据，如何判定其正确?2、设星系在△t内退离距离△D=V△t=HD△t；依据哈勃关系式△λ/λ=△D/D，△λ应随时间线性增加，即该定律成立的必要条件是红移谱线持续移动而不是红移。3.取H=3×10-2猰/s光年，代入△λ/λ=△D/D=H△t=3×10-2猰/s光年·△t=10-10/年·△t可知，任一星系的△λ/λ都将以每年10-10持续增加。60年代观测精度(△λ/λ～2.5×10-15)已达这个数据的4×104倍，要证明哈勃定律成立，就必须提供对同一星系△λ/λ随时间线性增加的观测证据。近40年来，新理论与新技术的结合，相继发现了一些不调和的红移现象。海尔天文台的阿普80年代末就宣称：“我们已知有38个不调和红移天体与24个星系相关联。这个数字之大，不允许我们将它一笔勾销”(1-P151)。依据这些佐证，至少在某些情况下，关于红移跟膨胀关联的传统解释是错的。红移跟运动的关联确实并不具有唯一性。依据狭义相对论，运动物体发出的光被静止者观测时将发生频移，和声波频移机理相同，用多普勒效应解释没有错。依据广义相对论，具有强引力场的静止物体发出的光，在引力势较高处观测也要红移。即光的频移有两种机制，声波频移却仅有一种，用多普勒频移解释光现象就必然会丢失引力频移机制。通常的解释是：“引力不能定量解释星系的普遍红移，引力效应至少不占主导地位”(4-P509)，可以忽略不计；霍金的说法是：“星系的引力场没有足够强到对它有明显的效应”(5-P47)。哈勃宣布宇宙在膨胀时，全世界能够理解广义相对论的人寥若晨星，“据记载，本世纪20年代初有一位记者告诉爱丁顿，说他听说世界上只有三个人能理解广义相对论，爱丁顿停了下，然后回答：我正在想这第三个人是谁”(5-P83)；50年代之前，“广义相对论大体上是数学的一个分支”，60年代之后才“从考察数学结构到开始按照物理来思考”(6-P72)；尤为重要的是，这个时期利用穆斯堡尔效应在高度差H=22.5m的条件下，“极其精密地测得57Fe的一条γ谱线的紫移，波长相对变化仅有△λ/λ≌gH/C2～2.5×10-15，与理论预告值在误差范围内符合”(7-P94)。引力频移被精确地测量出来后，就不得不承认“引力是一种极其巨大的力量”(6-P66)。即此不难算出，在地球引力场中γ光子通过22.5m，需时△t1=h/C=22.5m/3×108ms-1=7.5×10-8s。由哈勃关系△λ/λ=△D/D=H△t=10-10/年·△t；当△λ/λ～2.5×10-15时，△t2=2.5×10-15×3.15×107s/10-10=7.88×102s。依据平直而各向同性的宇宙学原理,当△λ/λ～2.5×10-15时，引力效应/哈勃效应=7.88×102s/7.5×10-8s=1.5×1010。很显然忽略引力效应肯定是个重大失误。大爆炸——膨胀宇宙论被称为标准宇宙模型，存在3个问题：其一、不考虑引力效应就不符合现代宇宙学的定义；其二、40年前就测出的引力频移比膨胀效应大1010数量级，早已粉碎了“唯一的物理学解释”神话；其三、“广义相对论用时空结构的几何性质来表示引力场”(8-P328)，哈勃当时并不理解，用多普勒效应解释红移属于以偏概全；时至今日如果仍不考虑引力效应，宇宙常数偏小、退离速度偏大的错谬，将永远不可能得到纠正。为了确定引力跟红移的定量关系，特作如下讨论：一、改变高度差重做穆斯堡尔实验，依据两次测得的数据，可以确定：1、红移相对变化量跟距离还是距离平方相关；2、导出相关公式，为比较引力贡献和哈勃贡献提供依据。二、有人认为，光在漫长的星际旅途中会受到无数恒星的影响，其左弯右折必然使红移量产生较大改变，无法予以判定。其实并非如此，可依据右图阐明如下：图中A为发光恒星，M、N为两个恒星，P为太阳；光线AB受它们影响的实际传播线路为AB、BC、CD、DE、EF；F为地球，FA为依据经验认定的光传播线路。实际上BC是光在M附近沿能级相同的测地线通过的轨迹，能够影响红移的仅为B′C′。即此可得如下推论：推论1、光无论受多少恒星影响发生左弯右折，决定红移或紫移的只有直线距离。推论2、A使光红移，F使光紫移，由于M地《M恒，地球的影响可以忽略不计。推论3、由实验得出的公式，可以用于定量解释星系的普遍红移，同时将成为确证哈勃定律正确与否的判据。参 考 书 目1、(美)巴里·派克著 爱因斯坦的梦 湖南师范大学出版社 1989年

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2、薛晓舟等著 现代物理学的哲学问题 河南大学出版社 1996年