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[交流]
【交流】牛顿宇宙 第一章 宇宙学基础 1.2宇宙学方程的解
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1.2宇宙学方程的解 在1.1‘宇宙学方程’中我已提到，根据北京大学俞允强教授在‘热大爆炸宇宙学’一书中的论述，在以物质为主的宇宙中，从广义相对论推导出来宇宙学方程，它实际上是和牛顿力学方程（第二定律）是等效的，它是牛顿第二定律的一次积分表达式。因此，在宇宙学方程中，宇宙学常数取不同数值的各种数学解都可能对应有实际天体在不同初始条件下的真实运动。不同宇宙天体的运动状态可以用有不同宇宙学常数的宇宙学方程的解来描述。 大家都知道，‘宇宙膨胀解’是1922年Friedmann在没有宇宙学常数的情况下，从爱因斯坦的宇宙学方程推导出来的。1929年Hubble发现了哈勃关系。于是宇宙是膨胀的概念为大部分天文学家和物理学家所接受，爱因斯坦自己因此也放弃了宇宙学常数。从数学上看，Friedmann 方程的‘宇宙膨胀解’只能是爱因斯坦方程的一个特解。这个膨胀特解不能看成是爱因斯坦宇宙学方程的全部可能的物理解。更不能认为Friedmann 方程的这个‘宇宙膨胀解’比带有非0的宇宙学常数爱因斯坦宇宙学方程的‘稳定宇宙解’更合理。因此，爱因斯坦完全没有必要放弃宇宙学常数。在一般情况下，数学上微分方程解中的积分常数是和对应物理过程的初始条件或边界条件相联系，积分常数具体应当取什么数值通常都是通过所对应的物理过程的初始条件或边界条件来确定。这也是为什么现在天文学家和理论物理学家能够在爱因斯坦宇宙学方程中把宇宙学常数随随便便地取为0或者不为0的数学和物理根据。 为了具体说明这个问题，我下面举几个例子。在超新星爆发时，气体外壳被抛射出去，超新星爆发后这些被抛射出去的气壳碎片会形成超新星遗迹。在超新星遗迹中，这些被抛射出去的气壳碎片的运动状态是减速膨胀。它可以很好地用没有宇宙学常数的宇宙学方程中‘宇宙膨胀解’来描述。‘宇宙膨胀解’对应的初始条件是‘超新星爆发’。‘超新星爆发’这个初始条件可以给超新星遗迹中这些被抛射出去的气壳碎片一个很大的径向向外初速度，因此超新星遗迹开始时很快膨胀。但在引力的作用下，这些被抛射出去的气壳碎片的膨胀速度要逐渐变小，做减速膨胀运动。这正是‘宇宙膨胀解’所描述的运动状态。蟹状星云（Crab Nebula）是一个最著名的超新星遗迹，因其形状有点像螃蟹而得名，是1054年我们祖先观测到过的超新星爆发后留下的遗迹，它位于金牛座。这个星云是在1731年由英国医生拜维斯最早发现，梅西耶编号为M1。蟹状星云到现在仍然一直在膨胀，膨胀速度约为每秒一千公里（不同的人观测结果略有差别）。1921年 兰姆兰德和邓肯，他们首先彼此独立地发现了这个膨胀现象。 太阳系中各个行星绕太阳转动是个相对稳定的状态。它们运动状态没有对应有爆炸现象的初始条件，取任何时刻的运动状态作为以后运动过程的初始条件，它们都有一个非径向的运动分量。这个非径向运动分量的来源让牛顿伤透脑筋，他百思不得其解，因此牛顿最后把它归结为是上帝的第一推动力。太阳系中各个行星绕太阳转动则可以用带有不同宇宙学常数的爱因斯坦宇宙学方程的‘稳定宇宙解’来描述。对太阳系中各个行星，它们各自的宇宙学常数由各自绕太阳转动的速度和相对于太阳的距离所决定。星系与星系团和太阳系一样具有相对稳定的结构。初始条件也是没有爆炸发生，也可能有一个非径向的运动分量。因此，星系中的恒星和星系团中的星系，同样可以用带有不同宇宙学常数的爱因斯坦宇宙学方程的‘稳定宇宙解’来描述。至于在更大尺度宇宙结构层次中天体运动的数学解到底是符合‘稳定宇宙解’还是符合‘宇宙膨胀解’就要看天文观测结果。哈勃定律的发现似乎支持‘宇宙膨胀解’，因此被认为可能存在有‘宇宙大爆炸’这个初始条件，但国内外都有不少学者对此持怀疑和否定观点。持怀疑和否定观点的学者并不是只有哲学上的原因，还有物理和数学上的推导。我本人认为整个宇宙并不存在有宇宙大爆炸这个初始条件。对哈勃定律中红移和距离的关系可以用非多普勒红移机制加以解释。下一章我将要讨论哈勃定律中红移和距离关系的非多普勒解释。 参考文献 6. 百度百科 蟹状星云 地址：http://baike.baidu.com/view/59809.htm |
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