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【交流】新牛顿宇宙 第一章 宇宙学基础 1.4 惯性系疑难问题
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新牛顿宇宙 第一章 宇宙学基础 1.4 惯性系疑难问题 爱因斯坦发展广义相对论的引力理论并用以代替牛顿引力理论最初要解决的问题纯粹是个理论上的问题,并不是牛顿引力理论对天体运动的描述出现什么精度问题。理论上牛顿力学的建立是必须存在有一个惯性系的框架。可是当时在理论上却无法给惯性系以一个确切的定义。爱因斯坦发现，要在牛顿宇宙中定义惯性参考系就要陷入逻辑上的同语反复。因为在天体之间有万有引力的存在，所有天体都要受到万有引力的作用。而在万有引力的作用下，所有天体的运动状态都要发生变化。因此任何一个天体都不可能被单独地用来作为惯性参考系来测量其它天体的运动状态,这就是所谓‘惯性系疑难’问题。对牛顿力学理论上的这个缺陷，爱因斯坦很不满意，希望从理论上加以解决。因此，爱因斯坦希望用广义相对论的引力理论代替牛顿引力理论和天文史上日心说代替地心说的情况不一样的，不是要解决实际天文观测中遇到精度不够而需要完善的问题，完全只是因为牛顿力学理论当时存在有这样一个缺陷。因为直到现在，以牛顿力学为基础的天体力学，仍然是研究宇宙天体运动的主要工具。广义相对论的引力理论对宇宙天体运动的研究仅在少数特殊情况下才有用武之地。在绝大部分情况下, 对宇宙天体运动的研究还要靠以牛顿力学为基础的天体力学。 其实，早在十九世纪，奥地利著名科学家马赫（Ernst Mach，1838－1916）就认为可以确切的定义惯性参考系。他在思考所谓牛顿旋转水桶问题时，他实际上已经把所谓的牛顿空间框架和“宇宙中所有的星体”这个框架联系起来。把牛顿空间框架和“宇宙中所有的星体”这个框架联系起来就可以避免单独地用某一个天体作为惯性参考系的困境。但是如何把“宇宙中所有的星体”这个框架通过观测确定下来，当时的天文观测和数据处理无法做到这一点。微波背景辐射的发现，为我们提供了可通过观测来建立这个由“宇宙中所有的星体”这个框架确定惯性参考系的实际方法。因为微波背景辐射实际上是宇宙中所有的星体，包括宇宙空间中大量存在的高温气体，相互作用的结果(这个问题我还要在后面专门进行讨论)。在用微波背景辐射建立起来的这个惯性参考系内，观测者所观测到的微波背景辐射谱，应当是严格的黑体辐射谱。它在空间方向的分布中不应当存在偶极矩结构。 为什么微波背景辐射会和“宇宙中所有的星体”这个框架联系起来？因为在广大宇宙空间中，不但存在有物质密度较大的可以发光天体，还存在有物质密度较小的、难以观测到的弥散的高温电离气体。发光的天体和这些弥散的高温电离气体会通过电磁辐射发生相互作用。在微波波段这些电磁辐射相互作用平衡的结果就形成了具有黑体辐射谱的微波背景辐射。这样微波背景辐射就把“宇宙中所有的星体”和弥散的高温电离气体联系在一起，从而形成一个马赫所要求的静止的牛顿空间框架---静止的惯性参考系。（关于微波背景辐射的形成机制和观测证据问题，后面我将另外专门加以讨论）。因此，如果一个观测者相对这个静止惯性参考系有相对运动，则这个观测者所观测到的‘微波背景辐射谱’由于多普勒效应将偏离标准黑体辐射谱，从而使‘微波背景辐射谱’在空间方向分布上形成一个偶极结构。在观测者运动方向的前方，微波背景辐射的温度要提高一些。在观测者运动方向的后方，微波背景辐射的温度要降低一些。通过对微波背景辐射谱偏离标准黑体辐射谱空间分布偶极结构的测定，理论物理学家可以计算出观测者相对这个静止惯性参考系的相对运动数值和方向。银河系中心的绝对运动就是用这种方法计算出来的。根据1993年出版的马駬和陈秉乾所著的“星系世界”一书，银河系中心的绝对运动的速度是朝着麒麟座方向以214 km/s的速度运动。而根据2002年出版的北京大学俞允强教授 “物理宇宙学讲义”一书，银河系中心的绝对运动的速度则是547 km/s，运动的方向指向银经266度，银纬29度。两个测量结果的不同是由于观测精度不同的结果。 至于由微波背景辐射所定义的这个静止惯性参考系是否能够和历史上所谓‘以太’这个概念联系起来，这是另外一个物理问题，它和宇宙学研究的关系不大。俞允强教授在他的“物理宇宙学讲义”一书中已对这个问题有所讨论，我就不加以讨论。另外，科学网上陈方培教授对相关问题也有所讨论，有兴趣的网友可以参考陈方培教授的博客文章。 参考文献 8．马駬和陈秉乾 星系世界 湖南教育出版社1993年出版 9. 陈方培 牛顿力学、狭义相对论中的绝对性与相对性（1） 地址： http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=295325 |
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