对哈勃定律多普勒效应解释的再认识(PM42)
2011-11-07 11:13:23
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                             —兼对过去该问题认识偏面性错误的纠正

                                             作者  苟文俭

哈勃定律是美国天文学家爱德温.哈勃发现的宇宙学定律,具体是指宇宙中河外星系发出的可见光的红移量,与由星系亮度决定的距离成正比。

多普勒效应是一种解释声源运动影响声频改变的理论,其文字表述内容是:当声源向着观测者运动时,观测者得到的声波波长被压缩,声频向高端移动(兰移);当声源离开观测者运动时,观测者得到的声波波长被拉长,声频向低端移动(红移)。

当代物理主流对哈勃定律的解释是:河外星系可见光的红移形成于多普勒效应,因此这些星系正在远离我们,宇宙空间在持续膨胀。设宇宙膨胀形成的河外星系退行速度为V,与我们的距离为d,则哈勃定律又可表示为V=H0×d(比例常数H0也称是哈勃常数)。

(一)

以原子辐射可见光为例。如下的表示中:A为原子,S为固定的空间点,M为观测者,它始终与S处于静止状态;箭头线1、2表示A相对于S向左或向右的运动速度,箭头线γ表示A辐射的光子。

 (u)(1)←◎(A)→(2)(u)…→(γ)…………………………(S)◎…◎(M)

设A相对于S静止时辐射γ的频率为ν0,A在如上的运动中也做相同辐射跃迁,频率为ν。以A与γ为系统,由能量守恒及动量守定律,并考虑相对论效应,两种情形是:

1、u的方向与γ的辐射方向相反,结果是ν=ν0[1-(u0/c)^2]^(1/2)/[1+(u0/c)]。

此时γ的频率减小,有多普勒效应发生,为红移;属于光源离开观测者M运动、光波被拉长的情形(c为真空中的光速)。

2、u的方向与γ的辐射方向相同,结果是ν=ν0[1-(u0/c)^2]^(1/2)/[1-(u0/c)]。

此时γ频率增大,有多普勒效应发生,为兰移;属于光源向着观测者M运动、光波被压缩的情形。

    两种情形辐射的γ频率不同,能量不同,源于运动原子与静止原子的能级不同、原子运动时辐射跃迁方式与原子能量变化有关。可见光的能量是由频率ν决定的。即这种情形,光在多普勒效应中频率的改变形成的能量增多或减少的变化、与原子辐射的实际相符。

(二)

还是用原子辐射的可见光为例,与(一)的条件不同:假定原子A相对于S始终静止,观测者M相对于S向左或向右以u的速度运动,其表示如下。

 (A)◎…→(γ)…………………………(S)◎…(u)(1)←◎(M)→(2)(u)

此时,A辐射γ的频率始终都为ν0。但根据运动的相对论效应,仍可以计算出(1)、(2) 两种情形M观测到的γ频率会发生不同的变化,也有多普勒效应。因此在这种情形中:可见光的能量并非由辐射源的能量变化决定,而是由观测者与辐射源的相对运动来决定。显然,这种条件下的计算结果与原子辐射的实际完全相悖。

(三)

再考察哈勃定律多普勒效应解释中的情形。在如下的表示中:S、K分别表示宇宙中的两个星系,箭头线1、2分别表示在宇宙空间持续膨胀中,S、K之间的距离被拉长的方向,不是S、K运动的表示。箭头线γ是S中原子A辐射的光子,观测者M居于星系K中。

(1)←◎(S)(A)…→(γ)…………………………………(K)◎(M)→(2)

特别注意:物理量都是实际测量所得。在对时间空间的测量中,我们使用的空间测量单位x0、时间测量单位t0都是今天人为规定的,在宇宙空间膨胀的100多亿中,考虑均匀膨胀的简单情形,今天的x0、t0也必然都会跟着宇宙空间膨胀做同步变化,如果我们用同步变化的x0、t0去测量S、K之间的时间空间,所得其取值当然也就会始终保持不变。即在宇宙空间的持续膨胀中,由于时间空间测量单位的同步变化,任意星系之间测量到的时间空间量均不发生改变,它们之间当然就不会构成相对运动。对此,还容易理解如下两点认识:

1、用今天人为规定的不变的x0、t0,去测量宇宙持续膨胀的时空,其测量值因不符合宇宙存在的实际,将无任何实际意义。

2、宇宙空间膨胀、星系间的距离要增大,但与空间不膨胀时、运动学定义的存在物相对位置的变化完全不是同一件事,这种距离增大并不满足运动学中对运动的定义。

(四)

数学演绎并不等于物理理论。只有当数学演绎与它所描述对象的实际存在完全保持一致时,其演绎才是有效的。对此就称是物理理论的数学演绎原则。这也是物理学是实验科学的本质特征所规定的原则。

上述原子举例的第一种情形中:对光频率变化的数学计算完全满足物理理论的数学演绎原则,光的多普勒效应实际能够发生。

上述原子举例的第二种情形中:对光频率变化的数学计算不满足物理理论的数学演绎原则,光的多普勒效应也就决不可能发生。

在宇宙空间持续膨胀的情形中:由于无法用光源与观测者的相对运动来描述星系间距离的改变,不满足多普勒效应的发生条件,哈勃定律的多普勒效应解释就并不成立。

数学演绎正确,但违背了物理理论的数学演绎原则、导致完全错误的結果,这在当代物理理论研究中并非个例。如量子场论中,凭正确的数学演绎得到了质量在110Gev至155Gev之间有希格斯粒子,实际根本就不存在。即希格斯粒子就是在当代物理理论中、由于违背了物理理论的数学演绎原则而构成的一个最典型的错误。

(五)

在7月29日《哈勃定律形成于多普勒效应的灾难(MP11)》的网上文章,作者认为哈勃定律形成于多普勒效应,就会得出可见光的能量而由观测者与辐射源的相对运动决定,并由此结论说,这就颠覆了(1)爱因斯坦对光电效应的解释;(2)狭义相对论的光速不变原理;(3)玻尔的原子模型等理论,构成了当代物理理论的灾难。

作者在该文中所做的论述表明,只有上述原子举例的第二种情形,才有可见光的能量唯一决定于观测者与辐射源的相对运动这种错误结论。

在《(MP11)》一文中,作者所述的哈勃定律形成于多普勒效应的灾难,是偏面的完全错误的认识,现在特别做出纠正,并向读过该文章的网友们由衷地表示致歉。

                                           写于2011-11-7

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