星系红移的理论分析

星系红移的理论分析

方杰

湖南师范大学物理系，长沙 (410081)

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摘 要：从理论上分析了宇宙学红移和引力红移的疑难，包括膨胀方式疑难以及质量分布疑难，研究发现，光子衰老假说与理论分析一致。

关键词: 哈勃定理，宇宙学红移，引力红移，疑难

中图分类号：0412.1

1 引言

众所周知，哈勃的伟大发现为人类认识宇宙跨越了重要的一步，这个发现标志现代宇宙学的开端，成为建立在广义相对论基础上的大爆炸宇宙学说最可靠的观测事实。然而天文观测的日益进展，尤其是类星体的发现，这类星体所显示出来的巨大的红移似乎提示人们：理论与观测结果之间的吻合并非如想象般完美，它们之间存在着一些令人不愉快的矛盾。天文学家可能比物理学家对这些矛盾有更深的体会：红移量大的星系距离非常遥远，这些星系不但以高速在互相远离，而且其如此大的光度(辐射功率)又集中在如此小的辐射区域——诸如此类令人惊诧不已的观测事实如果我们用现有的理论来作其解释总显得有些牵强附会，并且由此而产生的问题可能要比能够解决的问题不但在数量上更多，而且在难度上更棘手。因而，当众多的物理学家在为大爆炸学说倾注更多的心血时，天文学家却以似乎显得更冷静的心态为这些观测事实寻找更合理的解释。于是，延续至今的红移大争论形成以下几种代表性观点。

1 宇宙学红移 这是一种目前占正统地位的解释，即认为星系的红移是由于宇宙的整体膨胀而引起的，其表达式采用以下形式：

V=H0D (1)

式中V为固有速度，D为固有距离，H0为当今哈勃常数。这种解释其本质是基于对宏观世界多普勒频移效应的认识，红移值依赖于星系运动的速度，属于一种动态的红移。

2 引力红移 引力引起的红移虽然已得到实验的严格验证，然而巨大的红移如果用引力来解释的话必然涉及无法想象的物态结构乃至黑洞问题。

3 光子衰老 光子衰老假设存在许多表述，其基本思想却如出一辙，这就是：红移并不是由于星系的膨胀而引起的。星系静止不动，星系的光谱线在到达观测者的行进路程中由于损失了部分能量光谱线向低端频移从而产生可观测的红移效应，其表达式采用如下形式：

Z=H0D (2)

式中Z为红移值，H0为哈勃常数，D为固有距离。与宇宙学红移相比，这是一种静态的红移。

4 在大尺度的空间和时间中物理常数和物理定理可能改变，星系红移可能是某种未知物理规律造成的[1]。

迄今为止红移的第一种解释成为主流观点。在人们心中，宇宙的膨胀是一个深入人心不可更改的事实，而日后宇宙背景微波辐射的发现以及氦元素丰度的测量使得这一观点变得更加坚不可摧，似乎很难想象可以用任何别的理论来替换。诚然如此，理论解释自身内部所显示出来的矛盾性仍然使我们觉得很有必要对其作出修改，甚至是放弃，虽然这样做的结果会使许多人辛辛苦苦建立起来并且使之不断完善的大爆炸学说框架面临毁于一旦的危险。付

出这种巨大的代价需要极强的心理承受能力，能够使我们的心灵感觉不受责备并且还获得一些些安慰的是我们有一个充分的理由，这个理由就是一直以来我们很谨慎地遵守的这样一种理念：我们需要真实的描述，我们需要我们描述客观世界的理论首先必须其内部结构在逻辑上自相融洽，其次是与观测事实的符合。如果其中任何一点不能满足的话，那么这种修改或者放弃就是一种很必然，虽然随之而来我们将会面临更艰辛更棘手的问题。

2 宇宙学红移的疑难——膨胀方式疑难

目前观测表明哈勃公式(1)中的哈勃常数H0>0，如果我们取消地球具有观测特殊性的话，意味着哈勃公式普遍成立：任一星系观测另一星系时都会发现它离自己退行而去。我们把满足任两星系都在互相远离，且退行速度正比于两星系之间的固有距离这一要求称为哈勃条件。这个条件使得宇宙的膨胀方式无法进行描述。设想一个巨大的局部区域分布着一些星系(如图1)，这是一种满足宇宙学原理要求的随机分布。在每个星系我们安置一个观测者，作这样的处理后选择一个确定星系来对它进行观测。譬如A星系，B星系观测A星系会发现A星系沿BA方向运动，C星系观测A星系会发现A星系沿CA方向运动，D星系观测A星系会发现A星系沿DA方向运动，E星系观测A星系会发现A星系沿EA方向运动，F星系观测A星系会发现A星系沿FA方向运动，星系越多A星系的运动方向越不确定，表现出一种多样性状态。如果非要作出一个选择的话，唯一合理的解释是：A星系静止不动，其他星系相对于它向四周退行而去。然而如此一来，G星系必然要以大于H星系的运动速度向HG方向运动, K星系更要以大于G星系的运动速度向GK方向运动，否则便与哈勃条件相违背。我们看到宇宙中星系的运动速度出现一幅不可思议的图像：只要确定一个星系，其他所有星系的运动可以根据哈勃定理随之确定。但我们对这个确定星系的选择完全是任意的，也可以选择另外一个作确定观测星系，譬如H星系，这样其他星系的运动又出现另一种不同的状态，如此一来，宇宙中星系的运动存在许许多多不同的状态。然而，问题还并不仅仅如此，星系运动的速度大小也表现出这种相类似的多样性：K星系相对于A星系应以速度V=HDAK运动，而相对于E星系和F星系应分别以V=HDEK和V=HDFK运动，显然，DAK≠DEK≠DFK，所以K星系运动速度的大小是无法确定的，也表现一种多样性。虽然我们可以通过调整E星系和F星系的运动速度来使哈勃条件与观测相符合，然而这种局部的谐和必然要使破坏与其他星系之间的哈勃关系为代价。星系运动方向的多样性和运动速度的多值性随着星系数目的增多并且考虑星系的立体分布而表现得更加明显，这是一种令人目瞪口

呆的景象：它和微观世界中薛定谔波动方程中的波函数存在某种程度的相似。然而我们却不能用这种多值性的理论来描述宇宙，宇宙表现出来的运动形式与理论的描述也不符合。我们可以描述一个膨胀的宇宙，但却无法描述满足哈勃条件的膨胀宇宙。作为类比，我们考虑分子的热膨胀，在分子的热膨胀中，我们发现分子相互之间呈现一种既有远离也有碰撞的杂乱无章的运动，绝对无法清晰地描述满足哈勃条件的分子热膨胀。在一个从奇点爆炸开始膨胀的宇宙模型中，作同样的分析可以看出星系的运动也是达不到哈勃条件的要求(图2)：相对于大爆炸奇点来说所有星系应该向四周散开，然而B星系观测A星系的话会发现A沿BA方向退行而去，C星系和D星系观测A星系会发现A星系分别沿CA方向和DA方向而去，且其A星系的运动速度也是无法确定，因为DBA≠DCA≠DDA。因而，满足哈勃条件的星系运动无法描述，相反我们发现，只要确定一个星系对它进行观测，便会发现这个星系静止不动才是唯一合理的解释，对A星系如此，对H星系或G星系进行观测也会是如此。以此类推，便会发现所有的星系都是静止不动的，因而，在哈勃定理的基础上作分析我们得到的是一个静态的宇宙。

3 引力红移的疑难——物质分布疑难

引力红移已得到实验的严格验证，然而如果用引力来解释高红移值的话，就会出现质量的分布疑难问题。因为红移是距离的函数，因而必导致星系的质量与距离成函数关系。

引力红移公式为[2]：

Z=

弱场近似化为[3]： −1 (3) Z=GM

C2⎛11⎞GM−⎟=2 (4) ⎜⎝D0D⎠CD0

式中Z为红移值，M为星体质量，D0为星体半径，D为星体到观测者的距离，显然D