谱线红移

谱线红移[求助]什么是谱线红移？它表达什么样的物理意义？天体光谱中某一谱线相对于实验室光源的比较光谱中同一谱线向红端的位移。

红移z的定义是：z = (λ-λ) /λ =Δλ /λ。

式中λ是实验室光源的某一谱线波长，λ是天体的同一谱线波长。

z>0，红移，波长增加；z<0，紫移，波长减小。

在红移问题中，z都大于0，因而往往简单地把z作为红移的符号。

z是无量纲的标量，习惯上又总是按照多普勒效应把z换算为相应的速度。

红移表示光源正在远离观测者。

可以简单理解为红移表示光源正在远离观测者，相反蓝移表示光源正在接近观测者可能存在三中形成宇宙谱线红移的原因，即：宇宙学效应、多普勒效应、康普顿效应，本文从理论上提出鉴别那一种是形成主要原因的方法。

并针对试验的可能性的结果提出对宇宙观念的可能性影响。

---------------------------------------------------------------------------（文中缺失的图片见参考资料）一、引言1、牛顿力学导致的宇宙观念在牛顿力学中,由于基础性的定义来自于牛顿运动定律,因此对于宇宙的观念存在着一定的局限性,主要表现为如下的方面:牛顿第一运动定律决定了物质的存在属性——惯性。

所有的物体在不受到外来作用的时候都将会保持它本身的运动状态。

这样的一条规律推广到整个的宇宙，决定了宇宙的存在状态。

当然，单靠这一点还是不够的，牛顿第二运动定律和牛顿第三运动定律可以推出动量守恒定律。

根据动量守恒定律和牛顿第一运动定律就很自然的推出宇宙的状态了，即：在宇宙的宏观上，无边无际，各向均匀同性。

这样的一种宇宙观念在相对论宇宙观念建立之前得到了一种认同。

通常将这种观念叫做无限宇宙论。

物质的本身除了惯性之外，还存在另外一种属性，这种属性就是所有的物体之间都存在一种引力——万有引力。

牛顿所建立的万有引力定律确定了物体之间的作用规律，这个作用规律在解决宇宙的问题上和牛顿运动定律的本身发生矛盾。

如果宇宙是有限的，那么，物质间由于万有引力的作用，最终会所有的物质会由于万有引力的作用而凝聚到一起。

如果宇宙是无限的，那么均匀分布在无限宇宙空间中内部区域的这些物质之间的万有引力的作用，则会互相抵消。

但是，这导致了另一个问题，所有万有引力的叠加会导致引力势为无限大，这就是Neumann-Seeliger佯谬。

在理论计算上，由于处理方法的局限性，必须引入处理区域边界的模式，因此，理论上的这种假设宇宙无限模式是无效的，或者说这是数值计算模式的局限性。

这个问题体现了经典力学先天固有的不足。

在传统的观念中，关于均匀、静止、无限的宇宙的另一个矛盾则是奥伯斯佯谬，即：假设天体的光度为，以密度n均匀分布，则天空背景的亮度ι为这样就出现了天空背景无限亮的矛盾。

实际上，这个矛盾是不存在的。

因为在采用上面的处理方法忽略了一个重要的问题，就是恒星发出的光与距离的关系。

我们知道，光照强度同光源距离的平方成反比，这样的一个关系导致了奥伯斯佯谬不能成立。

2、相对论导致的宇宙观念光作为宇宙信息很早就引起人们的注意，在光的传播问题上，十九世纪的麦克斯韦在解释电磁理论的基础上，提出了在宇宙空间中存在以太海的假设，但是在人们采用试验的方法来验证以太的存在时，比如比较有名的麦克尔逊——莫雷实验，却不能得到以太存在的证据。

这说明采用十九世纪以前经典的力学方法不能对电磁理论关于光的传播问题很好的进行解释，或者更进一步说，经典的力学和电磁理论是不兼容的，采用试验的方法客观事实不支持这样的结论，至少在十九世纪是这样的。

爱因斯坦在当时的经验事实的基础上，（主要是根据如下的两点假设，第一光速与光源的运动无关，第二，人们采用各种方法测量到的光速为一近似常数的结论）提出光速为一常数并且与惯性参照系无关的结论。

并进一步提出所有物体的运动速度不能超过光速，将光速设定为物体运动的极限速度。

这通常叫做狭义相对论的光速不变原理。

通过这个途径，建立了电磁理论的联系。

这实际上是建立了关于宇宙中物体的运动和定量的一种关系，或者说宇宙中物体的描述状态的关系。

当然，仅凭这一点还是不够的，因为在定量的过程中还存在定量体和被定量体，这一点是通过惯性系来实现的，即通常所说的狭义相对论的相对性原理。

狭义相对论的相对性原理实际上是伽利略相对性原理，在原理所表述的内容上几乎是没有区别的。

即：关于力学定律在所有惯性参照系中都是相同的原理。

或者更进一步的说，是牛顿运动定律扩展到描述系统的应用情况。

另一方面说明，牛顿力学规律的普适性，在相对论中兼容了牛顿力学规律。

在狭义相对论中，惯性参照系普遍的定量规律为推广到宇宙的定量状态打下了一个伏笔。

前面我们知道，物质本身的属性存在两种属性，一种属性是惯性，爱因斯坦通过惯性和光速不变原理建立了狭义相对论描述惯性系的基础。

另一种属性则是万有引力，那么万有引力又是通过什么来进行描述的呢？下面我们来看这个问题。

物质本身所具有的万有引力和物质作用的关系，其本身是一种经验约定，在这个关系上，经典的牛顿力学采用平方反比定律来对这个问题进行描述。

爱因斯坦则另辟小径，通过加速度和引力的等效模式来进行等效处理，或者说惯性质量等效于引力质量。

如果说狭义相对论是处理惯性系的问题，那么广义相对论则是处理非惯性系参照系的问题。

在广义相对论存在的问题——原理上的问题中，我们已经讨论了这个问题惯性质量和引力质量是不需要采用等效的模式来进行经验约定的，它们本身都是力学的定义系统。

在广义相对论中还包括另一种涵义，这种含义就是通过等效的模式建立狭义相对论和广义相对论之间在观念、范围、描述模式上的联系，在和狭义相对论相等效的模式上，物体在不同惯性参照系中切换的过程中（变速运动），形成时间和空间的变率，如果是变速运动是稳定的，比如角动量为均匀的旋转系，那么时间和空间的变率也是相同的。

我们知道，变速运动等效于引力，这使得广义相对论具有相似的描述模式，甚至可以进行等效切换。

在数学上采用曲率张量来进行描述，引力系统的引入使得数学上的空间弯曲成为一种形象的描述模式。

在一个引力系统所造成的空间曲率描述中，无疑会形成一种以引力源为中心的中心对称。

那么，如果将整个的宇宙系统当作一个引力系统，无疑将是一个球形。

如果宇宙的物质分布是均匀的，那么将会得到一个准球形。

相对论的理论毕竟是理论，下面我们来看关于现代的宇宙理论以及客观事实是否支持这样的结论。

二、“膨胀”宇宙的发现关于宇宙膨胀的观念主要来自于对星体距离的测量上，采用几何学三角测量的方法，以地球长轴为基线所测定的极限距离不超过150光年，利用某一期间的角位移和谱线得多普勒效应来对星团自转求线速度的方法，其测定出的距离不超过三千光年，超过这个极限则利用造父形脉动变星的距离测量法，即知道天体的绝对亮度和标准光源进行比较即可。

1914年前后，V.M.Slipher根据谱线红移发现了几个大于10的三次方千米/秒的速度离开我们的天体。

大约有过了十年，哈勃测定了这些天体的距离，结果证明这些天体是一些距离在10的7次方光年以上的遥远的星系。

但是，如果恒星的距离太远，则不能分辨和看到，对这种情况，有的以星系内最亮的恒星作为标准，有的只能以星系整体亮度作为标准尽可能的确定更多的星系的距离和红移，经过整理，1922年哈勃发现具有巨大红移的星系，其退行速度和距离成正比。

其中，为哈勃常数，其值为，他认为这是由于宇宙的均匀的膨胀而造成的。

后来利用二战后发展起来的射电望远镜是观测的范围更加扩大，可是由于射电波几乎都是连续的，所以信息量很少。

只有从比较近的星系测得的21cm谱线的红移才于光学观测的情况相似。

[来自于宇宙物理学]在宇宙膨胀的观念中，其主要的证据来自于宇宙光线的谱线红移，那么，谱线红移的客观事实结果的唯一解释是不是谱线发射体在远离我们而去呢？如果谱线发射体在远离我们而去是谱线红移的唯一的解释，那么宇宙的膨胀的解释则成立，否则，则不能成立。

这样的结论关键在于谱线红移和谱线发射体在远离我们而去是唯一对应的解释。

或者是主要的解释，其它可能包含的解释可以略而不计。

我们稍微对光波和宇宙空间的环境分析一下，就知道这样的解释不是唯一的，更不是主要的解释。

下面我们来看引起谱线红移的可能性的解释。

1、引起谱线红移可能性的解释第一、传递波的介质可能引起的红移（假设中的，很可能不存在）引起谱线红移的可能性的解释我们可以先从常规波来探讨这个问题。

我们从平静的水面上投掷一颗石子，那么石子会在水面上形成水面波，只要我们稍微注意一下就会发现，随着水面波向远处传递，波峰的运动速度会越来越慢。

其原因是由于水的粘滞系数的关系。

在声波上也有相似的结果，近处打雷的声音要清脆一些，而远处的雷声要低沉一些，其原因是声源所引起的声压、分子的运动速度，都会由于损耗减小所至。

[可参见速度的问题之二————震动与波（上）]如上两种机械波的在传递过程中所引起的频率红移，都是由于传递波的介质而引起，或者说是由于介质的机械属性所引起。

当然，这和空间中传递的电磁波是完全不同属性的波。

不能做相同的类比。

但是，光的传递介质是不是存在。

在十九世纪，以太作为光的传递介质被麦克尔逊——莫雷实验否定后，其它有效的并被人们所接受的作为介质还没有被提出来。

如果传递光的介质存在力学的属性，那么谱线的衰减红移，则是一种必然。

可惜的是迄今没有发现这种介质。

（另：关于光的传递介质，童正荣先生曾提出过wg粒子，它是和引力相关联的粒子,在光的传递过程中，存在距离效应。

童先生的文章我并没有读过，只是偶尔从论坛上看到过他所粘贴的帖子，也表达过距离红移相似的内容。

）因此，对于遥远星系光的红移可以采用三种方法的可能，即：由于宇宙中存在的物质所导致的康普顿散射、带电粒子对光线能量的吸收所导致的红移；宇宙膨胀导致的宇宙大小尺度上存在的距离红移；由于宇宙天体的运动所形成的多普勒频移。

第二、空间中的物质导致的红移在广漠的宇宙空间中存在着大量的轻原子粒子、基本粒子，光线在穿过这些粒子的过程中，会产生散射。

考虑到光线和这些粒子的作用，那么会存在降低谱线频率的现象，这种现象通常叫作康普顿效应。

传统中所指的康普顿效应是指光线和原子中电子的碰撞过程，我认为光线不仅仅和原子中的电子发生的碰撞会存在频率降低的现象，光线和基本粒子的作用也会存在频率降低的现象。

在空间的介质问题之四——光的本性与麦克尔逊—莫雷实验（中）(光的粒子性)中，已经讨论了关于光和带电粒子间的作用，另一方面，康普顿效应已经解决了光和原子间作用的规律，因此这里就不探讨光和原子间作用的详细的细节性问题了，而仅列出光和基本粒子作用的结论。

即：光和带电基本粒子间的作用过程中，光的频率降低而减小的量值同带电粒子的速度变化率成正比。