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[交流] 【交流】暗能量和斥力

暗能量和斥力
理论物理学家和天文界的宇宙学家在引进和研究暗能量概念时，各自偏重于不同的方面。理论物理学家偏重于如何给‘暗能量’斥力性质以合理的解释，用于解释所谓宇宙的加速膨胀现象。因为在现实中还没有发现有这样性质的能量，因此理论物理学家认为‘暗能量’和‘暗物质’是悬浮在理论物理学家头上的两朵乌云。由此可以看出，理论物理学家是能够比较清醒地看到‘暗能量’和‘暗物质’理论中存在的问题。天文界的宇宙学家则偏重于强调‘暗能量’有等效于物质质量的功能，可以用它解决所谓标准宇宙学模型中实物物质密度和理论所要求的临界物质密度不符合的矛盾。因此天文界的宇宙学家强调地宣称，现在宇宙学研究已经进入精确测量时代。他们认为暗能量和暗物质是不可否认的客观存在，有些天文界的宇宙学家甚至认为现在已经可以精确到3位有效数字地确定暗能量和暗物质各自在宇宙物质总含量中所占的百分比。
爱因斯坦当年引进宇宙学常数确实是为了平衡引力的作用，使得他根据相对论引力方程得到的宇宙学方程能够得到稳定的宇宙解。因此，爱因斯坦当年引进的宇宙学常数虽然起了平衡引力的斥力作用，但爱因斯坦并不认为这个斥力可以使‘宇宙加速膨胀’。
我在‘试解宇宙学常数之谜’一文中，对爱因斯坦当年引进的宇宙学常数其物理含意已有讨论。它完全可以理解为天体在一个有心力场中作匀速圆周运动时，运动天体所产生的离心力。这个离心力正好是一个常数。离心力能起到斥力（抵消引力）的作用，但这个斥力无法使宇宙加速膨胀。
太阳系中各个行星绕太阳作准圆周运动，它们虽然受太阳引力作用，之所以没有落到太阳表面，也没有飞离太阳，就是因为太阳对各个行星产生的引力作用，基本上被各个行星绕太阳所作的椭圆运动时产生的离心力所抵消。两者之间没有平衡的剩余部分，会使各个行星和太阳之间的距离产生小幅度振荡变化。在这里行星准圆周运动所产生的离心力确实起到了平衡引力的斥力作用。但这个斥力既不会使太阳系塌缩，也不会使太阳系加速膨胀。
我在‘试解宇宙学常数之谜’一文中还讨论了几个其它例子，从这些例子中我们可以看到，在宇宙各个层次的有心力场中运动的天体，只需要考虑该层次中天体之间的引力相互作用和切向运动所产生的离心力（惯性力），不需要引进‘暗能量’来产生斥力就能够达到准平衡状态。即不会存在天体在引力的作用下发生塌缩，也不会存在天体在斥力的作用下加速膨胀。
有人以为，在宇宙学研究中必须用爱因斯坦的相对论力学才能解决问题，不能用牛顿力学讨论问题，因为他们认为爱因斯坦的相对论的时空观和牛顿力学定律的时空观完全不一样。在‘时空弯曲和宇宙学’中我已经指出，这其实这是一种误解。北京大学的俞允强教授和理论物理研究所的李淼研究员都明确地指出，在低速和弱场的条件下，牛顿力学是相对论力学精度极高的近似。而在实际宇宙中，‘低速和弱场’这两个条件在绝大部分情况下都是得到满足的。因此用牛顿力学进行宇宙学研究，完全是合理的。而且，由于实际宇宙中存在的层次结构，真实的天体实际上是在不同层次的有心力场中运动。真实的天体不像宇宙学原理所假设的那样，是在物质均匀分布所产生的引力场中运动。
北京大学俞允强教授在他的‘广义相对论引论’一书中，专门用了两章篇幅讨论这个问题。第五章讨论了‘球对称的引力场’，第六章讨论了‘粒子在球对称引力场中的运动’。具体计算结果表明，只有在极少数情况下，如中子星附近的宇宙空间，局部的时空结构的相对论效应才需要加以考虑。在一般情况下，牛顿力学是相对论力学精度极高的近似。现在的天体力学仍然以牛顿力学为基础。在标准宇宙学模型中，由于采用了爱因斯坦引进的‘宇宙学原理’假设，实际上等于假设了‘天体是在物质均匀分布产生的空间引力场中运动’，这是完全脱离实际的理论假设。
因此，以为在宇宙学研究中必须用爱因斯坦的相对论力学，不能用牛顿力学讨论问题实际上是一个误解。是一些媒体和科普文章对相对论力学在宇宙学研究中的作用，做了不恰当的夸大宣传的结果。能够解决宇宙学中天体运动的天体力学的基础，仍然是牛顿力学。只在极少数情况下，天文学家才需要考虑相对论效应对牛顿力学的修正。

参考文献
2．俞允强 广义相对论引论/北京大学物理丛书 北京大学出版社2004年出版
5. 郑怡嘉 试解宇宙学常数之谜
地址：http://blog.51xuewen.com/zyjblog/article_15651.htm
（新牛顿宇宙 第六章 暗能量 6.7 暗能量和斥力）
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1楼2010-08-23 06:36:53
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