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绝对惯性参考系 爱因斯坦希望用广义相对论的引力理论来代替牛顿引力理论的一个原因是爱因斯坦发现，要在牛顿力学框架中定义惯性参考系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，所以所有天体都要受到万有引力的作用。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。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，在牛顿力学框架中可以存在有绝对静止惯性参考系。他在思考所谓牛顿旋转水桶问题时，已经提出可以把绝对空间的框架和“宇宙中所有的星体”这个框架联系起来。只是如何具体地把“宇宙中所有的星体”这个框架通过观测确定下来，当时的天文观测结果和数据处理方法无法做到这一点。 现在，由于微波背景辐射观测结果的出现，问题有了转机。微波背景辐射是宇宙空间中所有星系和星系际空间的高温电离气体和辐射相互作用平衡的结果，因此微波背景辐射可以起到把“宇宙中所有的星体”联系在一起的作用。它包含了宇宙空间中所有物质和辐射的运动和空间分布的信息，因此可以形成一个马赫所要的‘牛顿绝对空间’的框架。按照马赫的想法，我们是可以用微波背景辐射来定义绝对惯性参考系。这个想法是否合理，是否可以用微波背景辐射定义一个静止惯性参考系，我们应当从深入研究微波背景辐射的物理成因入手。在‘SZ效应问题’中，我实际上已经对微波背景辐射的成因进行了一些讨论。我认为微波背景辐射的物理成因应当是宇宙空间中所有辐射和星系以及星系团中物质相互作用平衡的结果。下面进一步讨论一下这个问题。 宇宙中所有星系和星系际空间的高温电离气体本身都要发出辐射，并且这些辐射通过和宇宙空间中弥散的高温电离气体相互作用，有相当一部分其微波频段之外的辐射能量会转化成微波背景辐射频段的辐射能量。微波背景辐射正是宇宙空间中所有物质和这些辐射之间相互作用平衡后的产物。虽然我们可以对我们所观测到的微波背景辐射区分出某些部分的微波辐射是从近处的一些星系和星系团发出的，如银河系发出的微波辐射，因此我们可以对这些微波辐射进行扣除，做某些改正，但是这些改正只能对近处少数有限的一些辐射源进行，即使这样，这些改正也不可能是完全彻底的。对宇宙中远处其它所有辐射源要进行这样的改正则完全不可能。星系际空间弥散的高温电离气体和宇宙空间中存在的辐射也会发生的相互耦合的相互作用，这些耦合相互作用更是完全无法改正的。因为这些耦合相互作用包含有许多各种各样的发射、散射、吸收、多重散射等过程，如同一个复杂系统的热动平衡过程。我们完全无法区分这些微波背景辐射都是来自何方。这也是我在‘SZ效应问题’中提到的为什么Lieu博士他们认为，我们所观测到的微波背景辐射可能不是来自这些星系团的后方，但又无法确定这些微波背景辐射到底是来自何方的物理原因。正是基于这些原因，微波背景辐射只能是宇宙空间中的辐射和物质（包括星系以及星系团中物质和星系际空间弥散的高温电离气体）相互作用平衡的结果。 如何用微波背景辐射定义绝对惯性参考系？这个问题现在看来很简单。如果一个观测者相对这个微波背景辐射所定义绝对惯性参考系有绝对运动，则这个观测者所观测到的微波背景辐射辐射谱强度的空间分布就会由于多普勒效应而发生变化。我们天文学家和理论物理学家实际上已经接受了用微波背景辐射来定义这样的绝对惯性参考系，并实际用这个微波背景辐射所定义的绝对惯性参考系来确定银河系中心相对于这个绝对惯性参考系的空间运动速度。根据1993年出版的马駬和陈秉乾所著的“星系世界”一书，银河系中心在宇宙空间中的绝对运动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，银河系中心在宇宙空间中的绝对运动速度则是547 km/s，运动的方向是指向银经266度，银纬29度。两个测量结果的不同是由于他们所用的观测数据的观测精度不同的结果。但是他们的中心思想都是和马赫所说的绝对惯性参考系的概念是一致的。都是用绝对空间运动会导致我们所观测对的微波背景辐射谱的空间分布会由于多普勒效应而产生偶极分布这个原理。根据这个偶极分布的方向和强度，我们可以求出银河系中心的绝对运动的速度和方向。这样实际上已经解决了爱因斯坦一直认为在牛顿力学框架内无法解决的惯性系疑难问题。 至于这个绝对惯性参考系的存在是否就可以认为存在‘以太’这个概念，这是另外一个复杂的理论问题。王亚平先生在新浪网上有一篇题目为‘迈克耳逊和他的以太漂移实验’的连载文章，很详细地讨论了这个有很多争议的问题。有兴趣的网友可以参看这篇连载文章，我这里就不讨论了。 参考文献 47 王亚平迈克耳逊和他的以太漂移实验 地址：http://blog.sina.com.cn/u/1558457730 (新牛顿宇宙 第三章 微波背景辐射 3.5 绝对惯性参考系) |
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2楼2010-04-23 17:35:40
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