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哈勃常数的相对性及其哈勃定律成因分析

2017-08-23 10:57:56   作者:韩永全   来源:科学智慧火花   标签:

哈勃常数的相对性及其哈勃定律成因分析, 一、哈勃定律的回顾及成绩众所周知,1929年,美国天文学家 E. 哈勃,根据前人测定的 40~50 的河外星系(当时称为 河外星云)的光谱谱线之长波方向位移的数据资料(红移),按多普勒效应处

 一、哈勃定律的回顾及成绩

众所周知,1929年,美国天文学家 E. 哈勃,根据前人测定的 40~50 的河外星系(当时称为 河外星云)的光谱谱线之长波方向位移的数据资料(红移),按多普勒效应处理,换算为以 千米/秒 为单位的天体在视线方向的退行速度;此外,哈勃根据自己确认的方式和方法,估算(并非严格意义的天体测量)出其中40多个星系的距离 (以 百万秒差距为单位,又称 兆秒差距)。结果发现,退行速度的大小和星系距离远近成正比。二者之间的线性关系可用一个比例常数联系。哈勃定律揭示宇宙是在不断膨胀的,这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀,因此,在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀,从任何一个星系来看,一切星系都以它为中心向四面散开,越远的星系间彼此散开的速度越大。利用哈勃定律v=HcxD,只要能确知哈勃常数Hc,便可由天体的视向速度v得出其距离D,称为宇宙学距离,这里唯一需要取得的观测资料是远方天体的视向速度。这样D=v/Hc 也许便是确定天体宇宙学距离的最为简单的一种标距关系。因此可以说,哈勃定律开启了宇宙研究的新纪元。然而Hc的常数属性是否在现已探测到的 137 亿光年空间范围内保持不变?近90年来,一直是探究的课题,直到现在哈勃常数还在修正。或许哈勃常数具有相对性,下面提出我的一些看法,共天文爱好者参考,我们一起探索。
二、哈勃常数的相对性
哈勃定律的数学描述:哈勃定律( Hubble's law ):Vf = Hc x D参数说明:Vf:Velocity ( Far Away ) 远离速率 单位:km / s,Hc:Hubble's Constant 哈勃常数 单位:km / (s.Mpc),D:Distance 相对地球的距离 单位:Mpc 百万秒差距(来自百度百科)。我们再看匀速直线运动的速度规律:v=S/T,和哈勃定律相比较,哈勃常数应该是时间的倒数。哈勃定律是哈勃哈勃经过近十年观察、分析推算的结果,10年和宇宙的年龄(一般学术界公认137亿年左右)或哈勃年龄相比,不足宇宙年龄或哈勃年龄的10亿分之一,所以可以说宇宙的年龄或宇宙的哈勃年龄加减10年仍然是宇宙年龄或宇宙的哈勃年龄——是一个常数。那么它的倒数也是一个常数,即宇宙的哈勃年龄的倒数也是一个常数——就是哈勃常数。所以哈勃常数具有相对性,不是绝对的常数,在我们研究宇宙的变化规律时可以认为是一个常数,不会影响我们研究宇宙运行的规律。根本原因就是宇宙膨胀的加速度极小,在我们研究的时间段内加速度的变化可以认为是零,影响宇宙膨胀的主要原因是时间,时间导致星系位置的变化、速度的大小变化——时间是宇宙变化的主导作用。我们观察到星系的速度是由宇宙的哈勃年龄或者说宇宙的年龄和星系膨胀的加速度形成的,每个星系的位置也是宇宙的哈勃年龄或宇宙的年龄和星系运动的加速度形成的。
哈勃观察星系的退行速度是在银河系观察的,所以存在一个参考速度——银河系的速度,准确地说是相对于地球的速度。我们再分析哈勃定律:Vf = Hc x D,因为Hc哈勃常数,显然速度是变化的,是一个变速运动,随位移变化的变速运动,我们分析变速运动的位移的变化情况。变速运动的位移公式S=v0+1/2at2,我们把v0看成是地球的速度,即v0参照速度。变速运动的公式可以简化为:S=1/2at2,即2S=at2=(at)t,则at=v=2S/t——①,1/t就是哈勃常数,根据微分的理论,由于我们观察的时间与宇宙年龄或宇宙的哈勃年龄相比极其微小,可以认为没有变化,所以可以认为在观察时间内,a趋近于零,速度v也不变,只是在不同位置速度才不同,这个速度的不同是由宇宙的年龄或宇宙的哈勃年龄导致星系在宇宙的不同位置决定的。分析①式,①中的t是宇宙的哈勃年龄,当2S(2S是哈勃定律中的D,at是哈勃定律中的vf)极大时,1/t是时间的倒数,其变化趋近于无穷小,此时可以把1/t视作常数。t是宇宙的哈勃年龄。相同的t下,越远越快,反之越快越远。我们再分析我们都熟悉的变速运动的位移公式:S=v0+1/2at2,如果我们知道他是一个加速度逐渐减小(但是加速度没有减小到零)的变加速运动,也可以推出:S越大V也越大,对于研究宇宙舍弃次要因素(例如短时间内——观察时间,加速度为零、速度是恒定的),在t相同的情况下,只有不同位置速度才会有明显的不同,S位移也大速度也越大,反之亦然,便得出哈勃定律。
粗略推算一下宇宙膨胀的加速度。一年大约3.2×107秒,为了计算方便我们取哈勃年龄5×1010,则哈勃年龄应该是1.6×1018秒,观测到退行速度几万或几十万公里每秒,为了方便计算我们取退行速度为1.6×107米/秒,假设宇宙的膨胀是匀变速膨胀,因为有参照速度,我们根据初速度为零的匀变速运动的规律,v=at可以得出,a=10-11米/秒2。由此我们可以得出,我们在研究宇宙运动问题上,短时间是可以忽略加速度对速度变化的影响。其实,宇宙的膨胀应该是加速度逐渐减小的加速膨胀,由于上述推算是平均加速度,所以现在宇宙的膨胀加速度要比此数值还要小。我在《科学中国人》2016年12月期刊发表的“绝对的暗物质和暗能量是真空”关于真空力的论述,浓度空间与真空空间的和是一个定值。真空力的计算,真空力的大小应该和真空空间的大小成正比,并且和非真空密度的大小成正比,其数学描述:F=δρv,其中δ是比例常数,ρ是非真空的密度,v是真空空间的大小,即宇宙膨胀的加速度也来越小。真空空间为零,宇宙空间达到最大值,真空力为零、宇宙不在膨胀,宇宙变为混沌状态。
三、哈勃定律的成因
目前宇宙的变化为什么遵循哈勃定律呢?宇宙之内不存在真空,真空存在于宇宙之外,宇宙正在真空(真空力)的作用下向真空扩散。宏观表现为宇宙在做加速度逐渐减小的变加速运动,短时间(我们观察的时间和宇宙的哈勃年龄相比)速度变化很小——可以认为加速度是零,扩散的速度由位移或时间决定的宏观宇宙膨胀现象。哈勃定律的速度Vf是相对于观察者星系的退行速度,也就是说,两个星系相距多少光年至少可以理解为这两个星系相对运行了多少光年的年数(注解:5光年的年数是5年,以下同),其实,由于星系间相对运行的速度远小于光速,所以两个星系相对运行的年数远大于相距的光年的年数。宇宙是加速度逐渐减小的变加速运动,所以星系之间距离越远,速度相差也大——符合哈勃定律所述的内容。
四、感悟
研究宇宙:短时间内忽略细微变化,长时间必须重视细微变化。短时间内忽略细微变化,观察长期细微变化的宏观体现。长时间重视细微变化,才能找到变化的根源,哈勃就是这样发现哈勃定律的。猜想:我们研究宇宙长时间变化必须重视物体由于辐射而发生物体质量的变化,短时间内必须忽略物体由于辐射发生物体质量的变化,例如经典物理通常情况认为质量不变,发现了诸如万有引力定律等,我相信重视物体辐射的研究也定会发现宇宙其他运动规律。
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