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[交流]
【交流】有关宇宙学话题讨论的回顾和展望
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有关宇宙学话题讨论的回顾和展望 引言 对宇宙学研究这个话题我已发表了许多帖子。一些主要理论观点集中发表在‘可观测的宇宙’这个话题中。目前还有一些有关宇宙学研究的话题还有许多问题可以讨论，因为这些问题有关理论方面的含量相对要少，其它方面的问题含量则比较多和杂乱，我个人认为不宜放在‘可观测的宇宙’的话题中继续讨论。因此我打算把这些需要继续讨论的问题放在‘有关宇宙学话题的回顾和展望’这个话题中继续讨论。欢迎各位网友继续批评指正。谢谢！ 1 国内的宇宙学研究现状 有关国内宇宙学研究现状，国家天文台陈学雷先生有如下的一些描述（引自陈学雷先生在科学网上发表的题目为‘无限时空－－谈谈宇宙学的科普和一些常见的误解’系列博客）。 （地址：http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=36870） 对于没有接受过系统的理论物理训练并专门学习过宇宙学理论的人来说，要想弄清现代宇宙学关于这些问题的观点是有点困难的。当然，这些问题本身就很抽象、复杂，需要了解相当多的基础知识。但是，除此之外，宇宙学发展迅速，出版的很多教科书都过时了，宇宙学的科普本身也比较混乱，也是主要因素。在我国尤其如此。你也许经常会在电视、广播、报纸、杂志以及网络新闻上遇到一些关于宇宙学新发现的新闻报道，但这些报道往往是译自国外的报道，原来针对的是西方公众，对知识背景不同的我国公众来说，往往并不容易理解，而且这些报道本身也往往互相矛盾。不用说普通公众，甚至许多不从事宇宙学研究的物理学家、天文学家也往往对宇宙学的基本概念有一些错误的印象。 所以我想写这篇文章，既介绍一下现代宇宙学对时空认识的发展历程，也谈谈我们过去对宇宙学科普的一些问题，讲讲一些不同时期出现的不同说法的来龙去脉，帮助对此感兴趣的公众澄清对宇宙学的认识。当然，这里只能谈谈一些常见的问题，我不可能澄清全部的误解。本文是为那些希望弄明白一些自己不懂的问题的读者而做的，至于有些“民科”（包括某些挂着教授头衔的），自以为比专家更懂宇宙学，或者干脆不相信整个宇宙学的，恕我对你们的所谓“质疑”不予理睬。 。。。。。。 上世纪七十年代，我国的天体物理学家开始研究现代宇宙学理论。当时一些学者在为大爆炸宇宙学观点做辩护的时候，提出了一种说法，说宇宙学研究的是“可观测的宇宙”，与哲学上的更为普遍的宇宙、时空是不同的概念，这样现代宇宙学才被“合法化”，避开了意识形态上的批判。但是，在八十年代，关于宇宙学的哲学争论还持续着。关于宇宙学以及一些其它自然科学的争论，反映了我国学术界在改革开放时期逐步实现思想解放的历程。现代宇宙学概念的引入，冲击了过去的教条，引起了人们的反思，本身也在一定程度上起了促进思想解放的作用。到我进入大学时（八十年代中后期），哲学课教材上也开始提到宇宙大爆炸理论，尽管语焉不详。但是，九十年代，甚至迟至2000年，我在我国的报纸、杂志上还都经常看到有人撰写文章，根据哲学上的“无限时空观”批判现代的大爆炸宇宙学。 从这里我们可以看到，在解放初期，由于我国对宇宙学的研究主要受意识形态影响，现代宇宙学中大爆炸观点是受到不公正对待而处于被批判的地位。现在情况有了变化，改革开放以后，一批在国外接受过有关现代宇宙学方面教育的研究人员从国外通过‘引进’的方式回到国内，国家也通过‘选派出国进修’的渠道派出许多研究人员出国学习交流有关现代宇宙学方面的知识。现在这些研究人员已成为国内宇宙学研究的骨干，得到国内有关领导的承认和支持，有关宇宙学问题的科学研究主要由这些骨干研究人员进行。即使他们的研究课题主要还都是一些属于‘跟踪研究’性质的研究课题。遗憾的是这些骨干研究人员中某些人现在似乎走到另一个极端，认为只有‘标准宇宙学模型’才是正统的现代宇宙学理论。因此，只有他们这些持有其‘标准宇宙学模型’观点的研究人员才是正统的现代宇宙学家，其它不同观点的理论研究人员，特别是国内的研究人员，“都是‘不懂宇宙学’，是‘民科’（包括某些挂着教授头衔的）。对他们的所谓‘质疑’不予理睬”。另一个例子是陈学雷先生在2007-11-28发表于科学网上发表了一篇文章，题目是‘暗物质研究进展’， （地址：http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=11714） 文章最后一段是：遗憾的是，尽管我花许多时间对报告尽可能做了精心准备，但实际效果并不太好。由于内容过多，因此在２５分钟的报告时间里，对每个问题往往只能蜻蜓点水地说一下，而且讲地很快，听众反应不过来，没有时间消化吸收。从报告后的问答以及事后与一些老师、同学的交流看，绝大多数听众对我报告的大部分内容都没有理解，而对于一些暗物质研究方面的小同行来说，我讲的可能又过于泛泛了。这个月初，我曾在卡弗里理论物理所的研讨会上讲过一次用重子声波震荡观测暗能量，由于类似原因效果也不太好。看来，对于怎样做好这类报告，我还是要总结经验教训，加以改进。也许单做科普介绍、或者单讲我们自己的工作进展更为现实一些。 从这里我们可以看到，陈学雷先生因为自己在国外接受过一些有关现代宇宙学方面教育，因此他认为国内学者对他‘报告的大部分内容都没有理解’。需要他这个‘专业宇宙学家’来做‘科普介绍’。虽然在文章的开头，陈学雷先生也提到，有天文界同事对暗物质问题提出过质疑，并承认‘坦率公开的质疑和讨论，对于学术研究的健康发展是有益的，我们应该欢迎’。可是当我提出可能存在有‘非多普勒红移机制’时，由于这个问题是关系到‘标准宇宙学模型’的‘生死存亡’问题，专业的天文期刊拒绝发表我的文章。当我和陈学雷先生讨论这个问题时，陈学雷先生的评论是：‘他们之所以拒绝你的论文，是因为如果你是对的，那么整个宇宙学就都错了。当然，也可能我们大家都错了，你是对的，那么你就是爱因斯坦，不过这个世界上爱因斯坦毕竟不太多，这种可能性也就很小，这就是为什么尽管没找到你的具体错误，却仍然拒绝你的论文的原因’。我想，陈学雷先生这个想法代表了国内许多‘标准宇宙学模型’坚定支持者的态度，他们希望用爱因斯坦这面大旗在学术辩论中给自己壯势助威，使我‘知难而退’。在这里，‘坦率公开的质疑和讨论’已经不再是‘对于学术研究的健康发展是有益的，我们应该欢迎’的。质疑‘标准宇宙学模型’实际上已经成了是他们无法容忍的‘民科’。 从上面我们可以看到，虽然‘标准宇宙学模型’的坚定支持者承认，‘标准宇宙学模型’还存在有许多问题，承认‘暗物质’和‘暗能量’是他们头上的两朵‘乌云’；承认宇宙再电离也是‘至今人类所认知的宇宙演化历史中的一块重要空白’；承认从1929年到1998年，天文学界一直相信，宇宙是减速膨胀，如果现在宇宙在加速膨胀，则原来的‘标准宇宙学模型’全错了，需要建立新的‘标准宇宙学模型’。但他们拒绝一切质疑‘标准宇宙学模型’的研究。显然这种做法是和认真的科学研究精神相矛盾。也和陈学雷先生自己所说的‘坦率公开的质疑和讨论，对于学术研究的健康发展是有益的，我们应该欢迎’相矛盾。这就是我们国内宇宙学研究的现状。当然，这和国际上的宇宙学研究现状是‘接轨’的。 |
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5 爱因斯坦时空观的物理含义
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5 爱因斯坦时空观的物理含义 在前面一个帖子中我讨论了‘相对论和牛顿定律’的关系问题。‘标准宇宙学模型’支持者们认为，‘相对论和牛顿定律’是两个完全不同的物理理论，因此不能混为一谈。似乎‘相对论和牛顿定律水火不相容’。但是根据北京大学俞允强教授在“广义相对论引论”中的论述，在现实宇宙中，广义相对论的引力方程完全可以还原到牛顿方程。那么 ‘标准宇宙学模型’支持者们为什么会认为，‘相对论和牛顿定律’是两个完全不同的物理理论？我认为主要原因是在两个理论中对引力和时间-空间之间的关系的处理方法不同导致的误解。 牛顿力学理论认为，宇宙中所有物体都会对其它物体产生引力，因此称为万有引力。物体在引力作用下要产生运动。在牛顿力学中实际上暗含有这样一个假设，即引力是在两个物体所处的三维空间位置的连线上通过‘超距作用’直接产生相互作用，因此这个相互作用的力的方向是在沿两个物体所处的三维空间位置的连线方向上。时间对两个物体之间的引力相互作用的方向和大小都没有影响。因此由这个引力产生的两个物体相对运动是沿两个物体所处的三维空间位置的连线方向进行移动。这个‘超距作用’实际上是暗含有这样一个假设，即认为引力的相互作用是不需要传播时间的。在引力源是静止源的情况下，这个‘超距作用’假设不会导致什么问题产生。因此牛顿引力理论所能刻画的仅仅是引力源是静止的引力场，即静态的引力场。爱因斯坦其实也是承认万有引力的存在。只不过爱因斯坦希望把引力理论推广到引力源是运动源的普遍情况中去。爱因斯坦的处理方法是，引力场的存在会使物体所处的四维时空性质—即四维时空的曲率发生改变，从而使由两个物体之间的引力产生的相对运动不是沿两个物体所处的三维空间位置的连线方向进行移动，而是沿物体所处的四维时空点之间的测地线移动。时间对两个物体之间的引力相互作用会产生影响。这个影响是通过四维时空的曲率发生的改变而表现出来。因此广义相对论能刻画的是一般作任意运动的引力源所产生变化的引力场。时间对引力场影响的大小显然是由这由两个物体之间的位置变化速度所决定。而位置变化速度则由物体之间引力场的强度所决定。因为物体之间的引力场越强，物体之间的相对运动速度就越大。因此，‘弱引力场’和‘低速运动’的条件是等价的。这就是为什么北京大学俞允强教授在“广义相对论引论”中能够证明在‘弱引力场’和‘低速运动’的条件下，广义相对论的引力方程将还原到牛顿方程的物理原因。其物理本质含义就是一个物体对另外一个物体的引力是通过有限的速度来传播。引力不可能以无限的速度通过‘超距作用’而产生。只是在‘弱引力场’和‘低速运动’的条件下，引力的传播速度足够大，使得引力在两个物体之间的传播时间和物体运动产生可观测到的空间位置变化所需的时间相比可以忽略不计。 在实际宇宙中，俞允强教授已经通过具体的数值计算证明，除了在少数局部区域，如中子星附近区域，‘弱引力场’和‘低速运动’的条件都能很好得到满足。广义相对论的引力方程完全可以还原到牛顿方程。其原因就是因为在实际宇宙中，物质引力场的强度是非常的弱。在这个条件下爱因斯坦的四维时空和牛顿的绝对时空差别几乎可以忽略不计。光线在经过太阳附近发生弯曲和水星近日点进动计算的相对论改正这些例子既证明了爱因斯坦时空观的正确，但它同时也证明了，爱因斯坦的时空和牛顿的绝对时空偏离很小。光线在经过太阳附近发生弯曲实际上只在太阳附近一个很小的区域内有可觉察的表现，累计总偏离的角度也只有不到2角秒。这说明真实空间结构只在太阳附近一个很小的区域内发生微小的弯曲。在宇宙空间中绝大部分区域内，四维时空仍然是平直的，光线仍然沿直线传播。爱因斯坦的四维时空和牛顿的绝对时空偏离很小，可以忽略不计。在计算水星近日点进动的相对论改正时，水星绕太阳运动轨道的主要参数，如轨道周期﹑半长径和偏心率，都还是要用牛顿力学首先计算出来，然后利用这些参数爱因斯坦才能计算出他的四维时空和牛顿的绝对时空的微小偏离。计算结果是，水星绕太阳运动一周，近日点的进动也只有0.1角秒。这是一个非常小的量。100年积累的结果也只有40几角秒，不到一个角分。因此，爱因斯坦没有，也无法否认万有引力的存在以及牛顿绝对时空的精确性。 微波背景辐射的观测更直接证明了，在实际宇宙中，在宇宙尺度上，宇宙的四维时空是平直的。它完全和牛顿三维绝对空间加上一维绝对时间没有什么区别。其物理原因是，在宇宙尺度上物质的平均密度要比太阳系中在水星轨道范围内物质的平均密度还要小许多数量级。 |
7楼2010-01-23 07:40:47
斑点猫
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2楼2010-01-15 15:15:52
2 我国对宇宙学研究的导向
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2 我国对宇宙学研究的导向 前一个帖子我已提到目前我们国内宇宙学研究的现状是和国际上的宇宙学研究现状‘接轨’的。而国际上的宇宙学研究现状在如同2004年5月22日发表于英国的《新科学家》（New Scientist）杂志发表的一封《致科学界的公开信》所说的那样： 理查德•费曼（Richard Feynman）说过，‘科学就是怀疑的文化’，而在今天的宇宙学领域，’怀疑和异见’得不到容忍，年轻学者们即使对大爆炸这一标准模型有任何否定的想法也不敢表达。怀疑大爆炸论的学者如果把自己的疑问说出来就会失去经费资助。连实际的观测结果也要被筛选，要依据其能否支持大爆炸理论的标准来筛选。这样一来，所有不符合标准的数据，比如谱线红移、锂元素和氦元素在宇宙中所占的比例、星系的分布等，都被忽视甚至歪曲。这反映出了一种日益膨胀的教条主义，完全不合乎自由的科学研究精神。如今在宇宙学研究领域，几乎所有的经费和实验资源都被分配给以大爆炸理论为课题的项目。科研经费来源有限，而所有主管经费分配的评审委员会都被大爆炸论的支持者们把持着。结果就造成了大爆炸理论掌握该领域的全面主导地位，这一局面与该理论在科学上的有效性毫无关系。只资助从属于大爆炸论的课题，这种做法抹杀了科学方法的一个基本原则：就是必须持续不断地用实际观察来对理论加以检验的原则。这样一种束缚使任何探讨都无法进行，也使任何研究都无法进行。这封公开信的中文翻译引自 http://space.tv.cctv.com/article/ARTI1205226154219927 国内对宇宙学研究的政策是什么？如果想要找出文件加以说明大概是不可能。不过我们可以从一些具体情况看到潜在的政策导向。由科学院主办的‘科学网’于2009-10-22发表了‘科学网的三条红线’通告，要求广大博主不要越过三条红线。其中第三条红线是：‘无休止地散布“有违于人类科学史上业已公认并得到实践认可的科学理论”的信息；无休止地向编辑部和广大博主发布骚扰信息’。科学网的三条红线虽然有不少人表示拥护，也有不少人表示质疑。质疑的主要是这第三条。科学网编辑部如何对有争论的学术问题做出判断，哪一方是代表‘人类科学史上业已公认并得到实践认可的科学理论’？本人就因为发表了一系列对‘标准宇宙学模型’理论质疑的文章，和陈学雷先生发生争论而被关闭了我在科学网上的博客。这里‘科学网’显然把‘标准宇宙学模型’的理论当成‘人类科学史上业已公认并得到实践认可的科学理论’。可是，即使是‘标准宇宙学模型’理论的坚定的支持者他们自己也承认，‘暗物质’和‘暗能量’是他们头上两朵没有解决的乌云，‘宇宙再电离’问题是‘至今人类所认知的宇宙演化历史中的一块重要空白’。1998年两组天文学家在美国“天体物理学”杂志发表论文，根据对Ia型高红移超新星的观察，声称我们的宇宙正在加速膨胀。因此李淼先生（标准宇宙学模型坚定支持者）2009年4月11日在科学院图书馆科学文化传播服务平台进行的演讲中也承认从1929年到1998年，天文学界一直相信，宇宙是减速膨胀。如果我们的宇宙正在加速膨胀，那他们以前的工作基础就全错了。既然如此，‘科学网’有什么理由把‘标准宇宙学模型’的理论当成‘人类科学史上业已公认并得到实践认可的科学理论’？为什么不允许持有不同观点的研究人员从不同的角度对这些问题进行深入研究？虽然我多次提出申诉，也有博友对‘科学网关闭我的博客’做法表示不同意见，但都没有效果。（现在我只能阅读和评论科学网上的博客，但不能发表自己的博客）。我也为此向科学院领导反映过这个问题，但我反映问题的邮件都没有回音。所以我只好在一些没有被科学院控制的网站上发表我的有关博客文章。我不知道科学院领导究竟是完全赞同科学网的做法还是我的反映问题的邮件在半路上就被某些人给截住因而到不了科学院领导手中。 |
3楼2010-01-17 06:22:52
3 我提过的建议
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3 我提过的建议 在我的帖子‘宇宙大爆炸理论的死穴---非多普勒红移的存在’中我已经指出，把哈勃定律作为‘宇宙膨胀’的观测根据的前提条件是,我们所观测到的星系红移只能用星系运动的多普勒效应来解释，这样红移就是表示星系在作远离我们的膨胀运动。如果我们所观测到的星系红移能用非多普勒效应加以解释，则哈勃定律就无法作为‘宇宙膨胀’的观测根据。如果我们能够通过天文观测或者实验室的测量发现非多普勒效应的存在，则这将是对‘宇宙大爆炸理论’最好的否定证据。 虽然Astron. Astrophys. Suppl. Ser. 45, 129-144 (1981) 上的一篇文章 Untrivial redshifts: a bibliographical catalogue给出了许多关于反常红移的观测结果，但都没有给出有力的、定量的非多普勒红移效应解释，因此没有达到证明存在非多普勒红移效应的目的。 我的两个帖子，‘Pioneer VI的 红移问题’和‘太阳谱线红移的临边效应’，对观测到的反常红移虽然给出了存在非多普勒红移效应的定量解释，但国内外专业期刊都拒绝发表，无法得到进一步的研究落实。至于为什么他们拒绝发表的原因，英国的《新科学家》（New Scientist）杂志发表的一封《致科学界的公开信》和陈学雷先生的评论很能说明问题。陈学雷先生的评论是：‘他们之所以拒绝你的论文，是因为如果你是对的，那么整个宇宙学就都错了。当然，也可能我们大家都错了，你是对的，那么你就是爱因斯坦，不过这个世界上爱因斯坦毕竟不太多，这种可能性也就很小，这就是为什么尽管没找到你的具体错误，却仍然拒绝你的论文的原因’。 实际上，我的帖子‘分光双星两个子星的谱线红移问题’既可以看成是对存在非多普勒红移效应的定性解释，也可看成存在非多普勒红移效应的理论预言。随着航天技术的进步，通过对人造航天器轨道的精确测量，科学家们实际上也已经发现可能存在非多普勒红移效应的现象。‘Pioneer VI的 红移问题’只是一个例子。其它的例子还有： 1． “先锋”10号飞船于1972年发射升空，“先锋”11号飞船于1973年发射升空。目前，这两艘飞船已进入深太空，但它们的轨道却十分令人称奇。可能有某种“力量”在拉它们，使这两艘飞船不断减速，但所产生的负加速度很小，低于1纳米/秒2，大约相当于地球表面引力的100亿分之1。但是，这足以让“先锋”10号飞船偏离原轨道40万公里。 美国宇航局已于1995年同“先锋”11号失去联系，它也像“先锋”10号一样，偏离了设计轨道。人们不知道这种现象是由什么原因引起的。有些解释已被排除：如认为飞船软件的误差；太阳风或燃料泄漏。 2．北京时间2008年9月25日消息，据英国《每日电讯报》报道，美国科学家称，他们通过一种最新的理论研究发现，地球和月球之间其实隐藏着大量神秘的暗物质。他们的根据是美国宇航局近日发表的一份分析报告认为，卫星或太空探测器在飞离或返回地球的过程中，其往返轨道越不对称，飞行异常现象也就越明显。美国“近地小行星交会”“舒梅克”号探测器的飞行速度就比预计的要快得多。在许多太空探测器近地4小时的飞行期间，有的出现减速现象，有的出现加速现象。 我认为这实际上是美国宇航局在测量这两艘飞船的速度时没有考虑的宇宙空间中自由电子对测量结果的红移效应的结果。基于我国航天事业的飞速发展，我曾向欧阳自远院士提出建议，希望他们能向有关部门和领导建议利用嫦娥一号卫星轨道的测控数据进行有关的分析。研究这些速度异常是否和宇宙空间中自由电子存在有关系。但欧阳自远院士回信，要我自己向月球中心提出申请，他则‘完全理解，能力所及一定尽力’。我已年过古稀，自知没有这个能力组织这个课题的研究，只好作罢。 |
4楼2010-01-19 08:45:05