宇宙膨胀小论文

对宇宙膨胀理论的一些疑点
——哈勃定律的正确性
导读： 1915年，爱因斯坦发表了他的广义相对论[1]，此后这一直是人们理解宇宙的基础。

按照广义相对论，宇宙只能收缩或者膨胀，不可能稳定不变。

科学家认为超新星爆炸时的“红移”现象说明，星系正离我们远去。

光波的红移现象指的是：物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。

在20世纪20年代，世界上最大的天文望远镜投入使用之后，美国天文学家哈勃于1929年确认，遥远的星系均远离我们地球所在的银河系而去。

星系不光在离我们而去，彼此之间也在相互远离，而且距离越远，逃离的速度就越快——这被称为哈勃定律（Hubble’s law），他据此提出宇宙正在膨胀的观点，并被大多数人接受。

关键字：宇宙膨胀、红移、哈勃定律
2011年诺贝尔物理学奖颁发给了美国加州大学伯克利分校的天体物理学家萨尔•波尔马特、美澳双重国籍的布莱恩•施密特以及美国科学家亚当•里斯，他们在超新星的研究中得出了“宇宙加速膨胀”的结论，揭示了宇宙的奥秘，是人类科学史上迈出的重要一步。

[2]宇宙，它的未来是怎样的？它是开放的、闭合的还是平坦的？它会终于寒冰还是终于烈火？人们曾一度认为，由于万有引力，宇宙是减速膨胀的，它最终会停止膨胀，然后坍缩回来，这样宇宙的温度会越来越高，在炽热与挤压中终结。

为了寻求宇宙的未来的答案，为了测量出宇宙膨胀的速度是如何变化的，科学家们尝试给遥远的恒星定位，并测量出它们的运动。

科学家们选定了Ia型超新星[3]作为测量的宇宙标尺，这种Ia型超新星极其明亮，在其光度最高时会达到太阳光度的数十亿到上百亿倍，因此，我们可以观测到非常遥远的、宇宙尺度上的这种超新星的爆发，
而且，他们的最大光度弥散较小。

另外，Ia型超新星在爆炸之后的最初三个星期内迅速增亮，直到随后的几个月内才逐渐变暗，[1]科学家们还发现可以从它们的光变和光谱特征很好地确定其最高光度，即使不同Ia 型超新星的光度有所不同，在进行改正后，所有Ia型超新星的光变曲线都非常一致。

[2]因此，Ia型超新星是一个很好的探测宇宙尺度的标准光源。

选定这个最佳宇宙标尺后，两个研究高红移超新星的团队相继形成，开始对宇宙膨胀进行系统的研究。

他们研究计划的核心是寻找高红移的超新星，为了精确地确定出这些超新星的最高光度，他们还要在超新星达到最高光度之前就发现它们。

他们选择了50到100个天区，每个天区中有近千个高红移的星系，在每月农历月初对这些视场进行两天观测，3个星期后对同样天区再进行一次观测，并立即将两次所得的几十万个高红移星系的观测结果进行比较，如果发现任何一个星系的亮度有变化，就立即对其进行后续观测。

通过后续观测，科学家们可以从所得超新星候选体中可靠地选出正常的Ia型超新星，同时得到准确测定其最高光度的光变数据。

一年后，还要对超新星所在的星系进行测光，以保证能后准确地扣除星系而得到超新星的精确的亮度。

[2]
在对许多Ia型超新星进行这样的观测后，科学家们得到了利用Ia型超新星作为标准光源而得出的哈勃图，并对此做了详尽的分析，两个团队不约而同地发现，他们发现的遥远的超新星，它们的星光似乎比预期的要暗。

如果宇宙膨胀的速度是减慢的，那超新星应该要显得更亮，事实上，它们却变得更暗了。

因此，他们认为，今天的宇宙，并不是减速而是加速膨胀！
但是我们小组研究讨论后却发现，无论宇宙的膨胀是加速还是减速，它的前提都是假设“宇宙正在膨胀”是成立的。

而“宇宙膨胀”的理论，则又是建立在科学家们关于“红移”的解释是正确。

从上述可知，科学家们对观测对象的选择，都是以“高红移”为指标。

而我们知道，随着对宇宙观测的深入，“红移”现象并不是一个普遍存在的现
象，或者这样说，天体的“红移特性”并不如一开始科学家们想象的那么“安分”。

那么，从一个并不是普遍存在的现象得出的结论，是不是具有普适性和可推广性，这就很让人怀疑。

而且宇宙膨胀论的基础始终围绕着“哈勃定律”和“多普勒效应”，这就有点像一个倒三角的建筑，如果在不能确定其基础是否牢靠时，就兴冲冲的往上盖楼，其结果无疑是闭门造车，自娱自乐。

有鉴于此，我们对“哈勃定律”和“多普勒效应”关于红移的解释进行了研究。

发现前人早有质疑之声。

美国塞根博士指出：“现代宇宙学的几乎全部，特别是膨胀宇宙论及宇宙大爆炸学说，都是以遥远的银河的红移是由它们远去的速度而生成的这一想法为基础的。

”[4]
反对者针对宇宙膨胀论和大爆炸论的理论基础提出了质疑，其结果是，直接动摇了几乎整个现代天文体系。

首先我们要理解“红移”的概念。

让太阳光照射三棱镜，得到红橙黄绿青蓝紫的彩带，我们谓之“光谱”。

后来发现，同种原子的光谱总是相同，于是光谱成为鉴别原子的重要依据，即原子的“指纹”。

通过对太阳光的光谱分析，人们就知道了太阳上存在氢、钠、铁、钙等元素。

对来自遥远太空中的星系的光谱分析，发现其谱中的七色光会向长
波方向，即红光所在的一端移动，这就是所谓的“红移”。

对于红移现象的两种解释，衍生了宇宙膨胀和大爆炸的观点。

红移的第一种解释：哈勃定律。

哈勃从搜集到的星系红移资料中总结，得出规律：星系的红移越大，亮度越暗，距离越远。

于是形成了哈勃定律：，其中Z红移值，为哈勃常数, 为星系相对于观测者的视向速度[5]。

这条定律的含义十分明确，离我们越远的星系，飞离我们的速度越大，我们可以轻易想象出整个宇宙处于一种怎样的状态。

没错，就是膨胀。

但这只是从有限数据中得出的“经验公式”，而且对于星系的退行速度与距离r 的关系，哈勃定律只是给出简单的线性的描述，这显然非常不现实：因为， 我们假设可以达到光速，将代入公式，则
因此
这就是说，若以地球为中心，以1332亿光年为半径作一球面，则球面外的任何天体，其远离地球的运行速度都将大于或随着距离增大而远远大于光速，显然这是不符合观察试试的。

因此可以肯定与r绝非线性关系，从这个意义上来说，哈勃定律是存在问题的。

当天体种类更复杂时，哈勃定律的局限性也随之体现：当距离足够大时，从地球观测到星系的光的谱线无明显红移，这是很正常的；但是同样距离的类星体（一种性质奇特的天体，能量奇大）却有明显的红移。

阿西莫夫在其著作《Asimor On Numbers》中对哈勃定律如是评判：“之所以‘不信还用’，是因为迄今为止人们尚找不到其他成功的理论来代替它。

”[5]
红移的第二种解释：多普勒效应。

1842年奥地利物理学家
J.C.Doppler非常成功的解释了远近处火车的汽笛声声调变化的问题：当声源与观测者相对静止时，其频率不变；当声源与观测者有相对运动时，观测者所听到的声音就会发生变化。

自然而然地，他认为这个在声波范围内研究得出的正确结论，可以推广到光的范畴，并且可以轻易地解释红移现象：当光源远离观测者而去，接收到光的频率变低，光谱位置向长波方向移动，红移发生。

但是有一点重要的破绽被太顺利的思路忽略了，就是光与声本质上的区别。

撇开声波与光在速度上的鸿沟，单单是光子的“二象性”就注定多普勒效应在经典物理学之外，至少是天体的光谱研究领域举步维艰。

光量子的运动造成的谱线移动和汽笛声调变化是绝不能视为等同
的“频率效应”。

天文学家观测发现，牛郎星旁，编号SS433恒星状天体发出的光线具备三种特性，既具有蓝移（或紫移）特性，又同时具备红移特性。

这表明它在以3万千米/秒的速度向地球飞来的同时，又在以5万千米/秒的速度背离地球而去。

多普勒效应在解释这个天体奇怪的行为时无奈
地“死机”了。

[6]
时至今日，我们仍然相信宇宙膨胀，并且说宇宙的膨胀是开始于140亿年以前的大爆炸。

换言之，宇宙的年龄为140亿岁？但是论据并不充分。

我们只说：目前观测到的各种天体的年龄没有发现超过200亿年的。

这不能说明问题。

如果说我们观测到目前人类中没有超过200岁的人，那是不是可以说人类的历史只有200年呢？显然，这里忽略了一个天体的生命周期，乃至宇宙生命周期的问题。

宇宙大爆炸理论之所以能够为大部分学者所认可，关键在于哈勃定律被认为是宇宙膨胀的直接观测证据。

而把哈勃定律认为是宇宙膨胀的直接观测证据的关键则是，把用于建立哈勃定律的星系红移被看成是只能用多普勒效应加以解释。

爱因斯坦之所以自己宣布放弃宇宙学常数，承认宇宙膨胀理论，就是因为爱因斯坦也接受了星系红移只能用多普勒效应加以解释这个概念。

[7]因此要否定宇宙大爆炸理论的关键就是：必须提出一个站得住脚的非多普勒红移机制来解释哈勃定律。

实际上，在天文观测中早已发现有许多红移现象是无法用多普勒红移机制加以解释。

文献中通常把这些无法用多普勒红移机制加以解释的红移称为‘反常红移’。

早在20世纪70年代对这个问题就有过非常激烈的争论。

根据Reboul, H. J. 1981年在Astron. Astrophys. Suppl. Ser. 45, 129-144 上的一篇文章 Untrivial redshifts: a
bibliographical catalogue 的粗略统计，早在1910年有关反常红移问题的争论就已经出现，到1980年，大约有近780篇文章出现在各种学术刊物上。

它们大部分出现在APJ, A&A, Phys. Today, Nature, Science, 等世界著名刊物上。

树的根本被动摇了，继续修剪它的枝叶，就显得有些掩耳盗铃了。

宇宙是否膨胀还是个未知数，还有没有需要讨论它是否“加速膨
胀”呢？我们觉得，还是有需要的。

宇宙中有太多的矛盾，你能证明它对，也能证明它错。

有人将人类所知比作一个圆圈能圈住的面积，而这个圆的边之外，是未知的领域；言下之意，随着人类知识的增长，圆的面积增大，圆周上所接触到的未知也就越多。

今日之人不得其解之事，乃是后人探索的乐园，一如古时皇帝坐拥天下，却无法想象我们今天一部小小的手机。

今天的科学家提出了“暗能量”和“暗物质”[8]的概念，其实是为后人开眼。

浩瀚的宇宙，根本就没有权威，所有的权威只是“目前所知”；也根本没有“答案”，所有的答案只是另一个问题的开端。

参考文献：
1.Stephen A., Gregory and William G., Tifft ，1976年Apj 205 716-720
2.Withbroe, G. L.; Noyes, R. W.， 1977 ARA&A.. 15. 363-387
3. Kuhi, L. V.；Pecker J., 1974 A&A, 32, 111
4. Wilson， O. C. 1940年 ApJ, 91, 379
5.<eheimnisse unseres Universums> , Joachim Bublath, 1999
6.<Great Ideas And Theories of Modern Cosmology> , Jagjit Singh, 1970
[1] 戴闻. 宇宙加速膨胀与Ia型超新星起源研究[J]. 物理, 2010,(03)
[2] 邓祖淦,邹振隆. 高红移Ⅰ_a型超新星的搜寻和宇宙的加速膨胀[J]. 物理, 1999,(08) .
[3] 韩锋. 超新星爆发及宇宙加速膨胀——2011年度诺贝尔物理学奖简介[J]. 物理通报,2011,(11).。