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[交流]
【交流】宇宙学中‘退耦’问题
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宇宙学中‘退耦’问题 1 二答陈学雷先生 在话题帖子‘回顾和展望’中，我发表了一个帖子，题目是‘答陈学雷先生’。主要讨论宇宙学中有关‘退耦’问题。因为这个讨论正在进行中，我认为把它放在话题帖子‘回顾和展望’中不合适。因此另外开了这个话题帖子。 我在帖子‘答陈学雷先生’实际是根据我给天文界各位院士和同行的公开信修改的结果。现在这个帖子是我给天文界各位院士和同行的第二封公开信。因为争论的一方是陈学雷先生的观点都发表在科学网上，而科学网不允许我在科学网上发表我的观点，因此我只好通过电子邮件把我的观点发送给天文界各位院士和同行。因为讨论的问题是宇宙学中重要问题，其体许多网友也感兴趣。因此我把这些电子邮件也在各个网站上贴出。其实所讨论的问题并不神秘，具有基本物理常识的网友都能理解，提出看法和批评意见。现将我给天文界各位院士和同行的‘二答陈学雷先生’电子邮件全文转载如下，欢迎各位网友批评指教。 天文界各位院士和同行， 2010.01.27 给各位‘答陈学雷先生’信件发出后，曹天德先生（tdcao）因为在信件抄送名单中，很快有了反应。他在科学网陈学雷先生文章的评论栏中留下了评论。我看到他的评论后立即给他回复。相互来往有几个评论（见附件）。陈学雷先生也注意到这些评论，并在曹天德先生的评论后面给出回复。陈学雷先生在给曹天德先生评论的回复中，认为我‘好歹也是天文台的研究员，虽说是搞仪器的，但一些基本的天文知识总还应该有吧，怎么说出来的话净闹笑话。’下面请各位看看我是如何‘闹笑话’。 陈学雷先生在给曹天德先生评论的回复中也承认，‘光子与自由电子散射的自由程取决于散射截面与自由电子数密度的乘积的倒数，如果自由电子数密度充分低，这个自由程就比哈勃距离还大’。可是，陈学雷先生在计算‘宇宙在红移10’时和‘宇宙在红移1000’时‘光子与自由电子散射的自由程’时，只考虑了由于宇宙膨胀气体密度变‘稀疏’，不考虑‘退耦’时‘在红移一千多的时候由于等离子体复合，自由电子迅速减少，气体变成透明的’，而在‘宇宙在红移10再电离’时自由电子数目又迅速增加这个事实。到底是谁在‘闹笑话’？我想，这个问题对略有物理常识的人都应当清楚。我不知道我在什么地方‘闹笑话’了。请天文界各位院士和同行指教。因为我没有地方发表我的看法，所以只好把我的看法发表在各个网站上。如果我的看法有错误，请天文界各位院士和同行尽快指出，我好发表声明，收回我的看法。如果我的看法没有错误，希望天文界各位院士和同行能想办法，不要让整个天文界蒙羞。我在给曹天德先生评论的回复中已经提到，国内宇宙学主要专家有景益鹏先生，武向平先生，陈学雷先生。景益鹏先生还是RAA的主编，武向平先生是国家天文台宇宙学课题组首席科学家，陈学雷先生是国家天文台暗物质和暗能量课题组首席科学家，中国宇宙学的研究大权掌握在他们手中。 郑怡嘉 附件： [11] 标题： 发表评论人：tdcao [2010-1-27 17:44:20] 就目前来说，要我平价陈先生的工作是不可能的。就以“如果光子与普通物质粒子（电子）散射的平均自由程远远大于哈勃尺度的话...”此话为例，我就觉得这就令人费解。但是，我的意思是，郑老先生您与其跟“一个人”争论，不如跟“宇宙学”或者其中的某个观点去争论更有意义。这种争论以发表论文作为标志。有了论文，您的成就是任何人都抹不掉的，而持续地同一个人去争，除非对方是科学巨匠而您也成就斐然，否则，将是劳而无功。 博主回复：你不是搞这行的，听不懂很正常，其实上面那句话并不难理解，就是光子与自由电子散射的自由程取决于散射截面与自由电子数密度的乘积的倒数，如果自由电子数密度充分低，这个自由程就比哈勃距离还大了，这个时候光子传播主要是受宇宙膨胀（红移）的影响。反之，光子的传播受气体的影响更大。因此后面这种情况下我们说光子与普通物质是耦合的(coupled)，而前者是退耦的(decoupled), 而自由电子密度以及哈勃距离都是随时间变化的，我在前面的回复里对这两种变化 做了简单的数量级估计，说明为什么在红移10即使气体全部电离辐射和物质也还可以是退耦的。 我倒是很奇怪，郑先生好歹也是天文台的研究员，虽说是搞仪器的，但一些基本的天文知识总还应该有吧，怎么说出来的话净闹笑话。拿曹先生你做的超导那一行打个比方，郑先生的做法，就好比有个人连什么是费米面、或者甚至什么是动量空间这些基本概念都没理解对，却非要根据一些新闻报道中的只言片语写文章评论这个超导机制如何如何、那个超导机制如何如何，让人啼笑皆非。 [12] 标题： 发表评论人：twxz [2010-1-27 21:21:39] 曹天德先生,很高兴看到你的回复。看来南对天文界的情况不太了解。国内宇宙学主要专家有景益鹏先生，武向平先生，陈学雷先生。景益鹏先生还是RAA的主编，武向平先生是国家天文台宇宙学课题组首席科学家，陈学雷先生是国家天文台暗物质和暗能量课题组首席科学家，中国宇宙学的研究大权掌握在他们手中。有关宇宙学问题不和他们争论和谁争论？再电离就是宇宙学的一个重要观点。 |
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2 网友对陈学雷先生的评论
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2 网友对陈学雷先生的评论 下面是我2010-01-28给天文界各位院士和同行的电子邮件。 科学网网友曹天德先生在陈学雷先生文章‘宇宙再电离’评论栏中和我进行了几个回合讨论。陈学雷先生在其中的一个评论中对曹天德先生的评论作了答复。曹天德先生对陈学雷先生的答复又作了评论。现将这些评论和答复转抄如下（见附件）。供天文界各位院士和同行参考。我希望天文界各位院士和同行不要让懂得基本物理常识的网友，误会天文界各位院士和同行的基本物理常识水平。 附件： [11] 标题： 发表评论人：tdcao [2010-1-27 17:44:20] 就目前来说，要我平价陈先生的工作是不可能的。就以“如果光子与普通物质粒子（电子）散射的平均自由程远远大于哈勃尺度的话...”此话为例，我就觉得这就令人费解。但是，我的意思是，郑老先生您与其跟“一个人”争论，不如跟“宇宙学”或者其中的某个观点去争论更有意义。这种争论以发表论文作为标志。有了论文，您的成就是任何人都抹不掉的，而持续地同一个人去争，除非对方是科学巨匠而您也成就斐然，否则，将是劳而无功。 博主回复：你不是搞这行的，听不懂很正常，其实上面那句话并不难理解，就是光子与自由电子散射的自由程取决于散射截面与自由电子数密度的乘积的倒数，如果自由电子数密度充分低，这个自由程就比哈勃距离还大了，这个时候光子传播主要是受宇宙膨胀（红移）的影响。反之，光子的传播受气体的影响更大。因此后面这种情况下我们说光子与普通物质是耦合的(coupled)，而前者是退耦的(decoupled), 而自由电子密度以及哈勃距离都是随时间变化的，我在前面的回复里对这两种变化 做了简单的数量级估计，说明为什么在红移10即使气体全部电离辐射和物质也还可以是退耦的。 我倒是很奇怪，郑先生好歹也是天文台的研究员，虽说是搞仪器的，但一些基本的天文知识总还应该有吧，怎么说出来的话净闹笑话。拿曹先生你做的超导那一行打个比方，郑先生的做法，就好比有个人连什么是费米面、或者甚至什么是动量空间这些基本概念都没理解对，却非要根据一些新闻报道中的只言片语写文章评论这个超导机制如何如何、那个超导机制如何如何，让人啼笑皆非。 [13] 标题： 发表评论人：tdcao [2010-1-28 7:47:21] （1）我不清楚哈勃尺度，是不是指10^(26)—10^(27)m的数量级。（2）“光子与普通物质粒子（电子）散射的平均自由程远远大于哈勃尺度”，这个“大于”则不可思议。其一，远离恒星，等离子体、因而自由电子密度的确可以极低，但光子与分子散射的平均自由程若是如此之大，则“分子密度”也可“忽略”，何谈再电离？陈先生，我的意思是：我宁愿相信是我不理解、而不认为您错了，因此有前面的评论。 |
2楼2010-02-01 08:00:29
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3 三答陈学雷先生 陈学雷先生，很高兴你 能给曹先生答复并做出具体估算。不过我希望你能把你的答复在天文界公开。对你所说的‘不搞这行’的人来说，他们很可能被我们之间中的一个人的错误解释和计算所‘忽悠’。天文界同行就不那么容易被‘忽悠’。另外，争论是有利学科发展。希望你不要总是摆出一副‘老子天下第一’样子给自己壮门面，别人的不同意见都是在‘闹笑话’。这是心虚的表现。下面谈谈我对你的具体估算的看法。 1． 假设你给出的各种基本数据是完全准确。你对今天的哈勃距离是c/H_0=1.27e 28 cm ,的具体估算没有问题。 2． 但是下面这段话有问题。 当然，随着宇宙的演化，密度和哈勃距离都是可以发生变化的。如果在红移z=9处气体是全部电离的，其密度是2.6e-7 (1+z)^3 = 2.6e-4, 因此自由程是5.8e 27 cm . 如果我们假定宇宙中物质（普通物质加暗物质）的相对密度是Omega=0.25（这是目前测量值），H=H0 * [Omega(1+z)]^1.5,那么在红移9处的哈勃距离是1.27e28/[0.25*10]^1.5=3.2e 27 cm，自由程仍然略大于哈勃距离，但多少会产生一些散射。 在这里你在计算哈勃距离时为什么要乘上一个Omega？你在计算今天的哈勃距离时已经只考虑普通物质，没有考虑暗物质。 3． 一个典型星系团中高温气体的SZ效应就可以明显地破坏宇宙微波背景辐射谱的黑体谱的特性，高温气体会对微波背景辐射的SZ效应作用主要通过逆康普顿散射把高温气体中电子的能量传递给微波背景辐射中的光子。因此微波背景辐射中低能量的光子数目减少，而高能量的光子数目增加。这样微波背景辐射的谱就发生变化，辐射谱的峰值向高频端移动，原峰值高频端的光子数目增加，而低频端的光子数目减少。因此高频端对应的辐射温度提高，而低频端对应的辐射温度降低。星系团中高温气体的SZ效应已为天体物理学家所承认，你怎么能认为微波背景辐射和宇宙空间中的高温电离气体气体已经‘退耦’了？ |
3楼2010-02-03 07:35:58
4 和网友的讨论
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4 和网友的讨论 在‘三答陈学雷先生’中我已指出，你对‘在红移9处’的‘哈勃距离’计算有问题。当时我只指出他在计算中乘上一个Omega不合理。后来科学网上署名大傻的网友在陈学雷先生博文‘宇宙再电离’中留下支持陈学雷先生观点的评论，同时又指出陈学雷先生在计算时存在的‘笔误’。根据署名大傻网友给出的理论公式， H=H0*[Omega_m*(1+z)^3+Omega_Lambda]^0.5，Omega_m=0.25, Omega_Lambda=0.75, 在高红移上面式子近似就是H=H0*Omega_m^0.5*(1+z)^1.5 ，陈学雷先生对红移为9时的哈勃距离的量级计算有笔误。按照署名大傻的网友给出的公式，哈勃距离只有陈学雷先生给出的数值的1/4。，哈勃距离随红移增大而变小，宇宙的视界是变的，视界内的物质不守恒。陈学雷先生给出的哈勃距离虽然数值不对，但‘光子自由程’仍然大于‘哈勃距离’的结论是对的。 不过我认为由于‘哈勃距离’和‘光子自由程’之比值就是陈学雷先生后面提到的‘描述这个散射多少的量是所谓光学深度’，因此陈学雷先生认为在光学深度约为0.01这种情况下，可以认为‘微波背景辐射光子与自由电子’已经完全‘退耦’了在物理上仍然是说不通的。对‘退耦’的理解不能只停留在在‘光学深度’比1小的范围内。以太阳附近的色球层和日冕为例。根据C.W.Allrn的‘Astrophysical Quantities’,通常把光学深度为1的地方定义为太阳的光球表面，h=0。在太阳的光球表面上方h=278公理的色球层内，它的光学深度已降低到0.01。可是在日全食时，用肉眼我们就可以看到这个色球层散射的太阳光，你能认为色球层中的自由电子已经和太阳光完全‘退耦’了吗？即使在太阳的光球表面上方h=2000公理的日冕处，它的光学深度已降低到0.0000001，在日全食时，用照相机也可以拍到它散射的太阳光，你能认为日冕中的自由电子已经和太阳光完全‘退耦’了吗？ |
4楼2010-02-05 07:27:51
孙?�730
至尊木虫 (知名作家)
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5楼2010-02-05 13:34:27
5 三答网友的评论
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宇宙学中‘退耦’问题---5 三答网友的评论 科学网上的网友（署名[游客]大傻）对我在‘和网友的讨论’中的答复又发表了他的评论（见附件）。他在进行这个评论时心情似乎有点激动。下面是我对他新评论的答复。 [游客]大傻先生，我希望你能平心静气地讨论问题。根据北京大学俞允强教授在他的“热大爆炸宇宙学”第五章是讨论微波背景辐射，（不知你是否承认它是本你所说的‘宇宙学书’）在69页有这样两段话。 1．粗略地讲，当宇宙年龄为4*10^5年时，温度降到T=0.3eV，那时中性原子已在气体中占到90%，人们常把它叫原子的复合时刻。此后电离氢与中性氢的比例仍在降低，直到电离氢只占10^-5自由电子失去了与氢核相碰的机会，转化过程才趋向停止。这就是宇宙中最初中性原子的产生过程。 2． 在原子中性化的后期，绝大部分电子束缚在中性原子内，自由电子的数密度的迅速降低，使光子在宇宙介质中的退耦，退耦后的光子与气体中的气体其它组分粒子（中性氢）已几乎没有相互作用，因而被称为背景光子，或背景辐射场。所以说，中性原子的形成和光子的退耦是同一过程的两个方面。 因此我想把退耦理解成光子和自由电子相碰的机会（光学适度）为10^-5不是太过分吧？如果这样的退耦过程找不到，恐怕这不是我要求太过分，而是你们所主张的理论关于退耦的假设不合理。平均10％的几率被散射是不是太大了点？ 另外你问‘我的主要观点是什么’，我可以回答。我的主要观点是‘大爆炸宇宙学’理论有许多不自洽的地方，其正确性值得探讨。如果光子和自由电子没有满足退耦要求，认为微波背景辐射是宇宙大爆炸的余烬是不合理的。 现在我反问你一个问题，陈学雷先生自己在文章中也承认，‘宇宙再电离是个多年没有解决的难题’，‘现在的理论大大超前于观测’。‘理论大大超前于观测’实际上说明理论缺乏观测基础。既然这样，你为什么对我的质疑如此反感，不允许我从另外一个角度来探讨问题而要我按照陈学雷先生的思路来讨论问题？ 附件：署名[游客]大傻的评论 22号楼主，我实在不知道说什么好了，您的意思是说退藕就得一点儿相互作用的机会都没有？这样的退藕你去哪里找？按你的逻辑，见人家实验室挂个“真空实验室”，你是不是也得去理论一番说人家不可能是严格的真空？你的主要观点是什么啊？这个退藕不是你心目中神圣的100％到底会导致什么严重后果而让你耿耿于怀啊？ 可以明确告诉你，宇宙从电离变中性后（红移1100左右），也不是100％中性，还有一点点电子，宇宙再电离后（红移10左右）也不是100％电离，还有一点点中性氢什么的（对了，要100％电离了，我们也不用在这里灌水了，没有地球没有我们了）。 真正去算电子散射的光深（从红移1100到0），需要考虑宇宙的膨胀和再电离的过程。正如博主文中所说，这个光深可以通过微波背景辐射偏振的各向异性观测测出来，是0.1左右。这就是说，微波背景光子从红移1100传播到现在，平均只有10％的几率被均匀分布于宇宙中的电子汤普孙散射一次（这个散射对微波背景的黑体谱基本没影响，怕你叫真，我加个基本）。如果在视线方向正好有个星系团，星系团里的电子温度要高的多，微波背景光子有很小的几率通过逆康普顿散射得到能量使得其谱有点偏离黑体谱（如果用个等效的温度来描述强度变化，温度变化大概是千分之一的量级）。 建议楼主好好读读博主的文章，再找找文献和宇宙学书学学。 |
6楼2010-02-07 06:09:42
7楼2010-02-07 14:12:01
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6 再问[游客]大傻先生 （本帖子上是我在科学网上陈学雷先生文章‘宇宙再电离’的评论。因为科学网对对评论文字幅度的限制，在科学网上被分割成两段，发表在25楼和26楼）。 署名[游客]大傻先生，对我在24楼的答复一直没有看到你的回应，因此我这里再问一个问题向你请教。你在19楼的评论中提到，‘SZ效应谁也没否认，其中的S还活跃在科研一线，是大家所敬仰的，你何时听到他以此来挑战现代宇宙学？’。我认为你这个提法很有问题。S没有以此来挑战现代宇宙学，其他人就不能以此来挑战现代宇宙学？ 美国科学家在2006年9月1日的《Astrophysical Journal》 (The Astrophysical Journal, 648:176–199, 2006 September 1, 不知这算不算你要我找的文献)上发表文章，表明一些本该在微波背景中存在SZ效应的宇宙空间中并未发现SZ效应，从而对宇宙微波背景辐射是表明宇宙起源于大爆炸的证据这一观点提出了质疑。这篇文章的中文翻译见 教育部科技发展中心 2006-09-12 发表的文章‘科学家对宇宙爆炸遗留的微波背景辐射提出质疑’，（刘乐译自：physorg.com网站 2006年9月1日）链接地址： http://www.cutech.edu.cn/cn/gjkj ... 180315708989428.htm (文中的阴影效应实际上就是指星系团的SZ效应) 美国阿拉巴马大学（UAH）的科学家们应用最新精确的宇宙微波辐射测量技术研究，结果表明，临近银河系的很多星系团不存在阴影效应。UAH研究小组首席科学家，物理学教授Richard Lieu博士通过应用NASA的威尔金森微波各向异性探针（WMAP）探测到的数据分析了宇宙中31个星系团在宇宙微波辐射中是否存在阴影。 “这些阴影早在多年前就被预言存在，”Lieu博士表示。“它们是唯一直接确定我们到宇宙微波背景辐射原点距离的方法，如果你能在背景上观察到阴影，这表明辐射来源于星系团的后方，但是如果你无法在相应星系团的背景上观察到阴影，那一定有什么问题。在我们所观察的31个星系团中，有的存在阴影，而有的却没有。” 如果传统宇宙大爆炸理论是准确的，并且我们所观测到的背景辐射确实是从宇宙最遥远的边际传播到地球的话，那么这些靠近我们所处银河系的发出X射线的巨大星系团理应全部在背景辐射中产生阴影。 观测的结果显示，大约有四分之一被预言存在阴影效应的星系团确实存在阴影，这和在整个天际随机观测到阴影的几率大致相当。Lieu博士表示：“这说明或者微波背景并非来自于星系团后方，它并不能作为宇宙大爆炸理论的依据，或者发生了其它事情造成这一现象，其中一个可能是，这些大的星系团本身就是微波辐射源，它们通过自身的某一部分—也许是内部的结构，或者是外部的光环状构造来辐射出微波。” Lieu博士又表示：“根据我们对已知的辐射源和星系团周围光环的研究，我们并不认为会有这样的辐射产生，很难想象数个不同的星系团会同时发射出和宇宙微波背景辐射频率，强度均一致的微波。” 对这个观测结果，[游客]大傻先生，你有什么评论？请指教。 |
8楼2010-02-09 06:24:05