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[交流] 【交流】宇宙学原理和微波背景辐射（2）已有1人参与

宇宙学原理和微波背景辐射（2）
如何理解银河系中心在宇宙空间中运动的物理含义？它的运动方向是不是宇宙空间中的一个特殊方向？要讨论这个问题，我们首先要了解在天文学中，描述天体在宇宙空间中运动的参考系问题。根据牛顿力学，描述天体在宇宙空间中的运动要用参考系是‘绝对惯性系’。在标准宇宙学模型中，根据哈勃定律，描述天体在宇宙空间中的运动要用的参考系是‘共动坐标系’（co-moving coordinate system）。
要理解标准宇宙学模型中的‘共动坐标系’，可以参考北京大学俞允强教授在他的《热大爆炸宇宙学》一书中这样一段论述：“在均匀的宇宙介质中取出四个等距分布的星系O（我们的位置），A1，A2，A3.按哈勃定律，从O看三个星系，它们的膨胀速度比是V1：V2：V3=1：2：3.当A1达到A’1时，A2和A3分别达到A’2和A’3。这样易于看出O，A′1，A′2，A′3.仍然是四个等距分布的星系。于是这就说明，原来是均匀的气体，在按哈勃定律膨胀后，依然是均匀的。因此哈勃定律不仅告诉我们宇宙在膨胀，而且暗示了宇宙在它的演化历史上一直是均匀的。哈勃定律表明一切星系都以我们为中心向四面散开。这容易给人以错觉，好像我们处于宇宙的中心。在上面论证的基础上，这错觉就容易澄清了。对永远均匀的宇宙讲，空间不同位置是完全平等的。我们所处的位置不可能有任何特殊性。如果其它星系中有观测者，那么他会发现，宇宙相对他的星系也是按哈勃定律膨胀的。人们常把这一观念叫宇宙学的哥白尼原理”。下图是俞允强教授对这段文字给出的直观示意图。

从这里我们可以看到，按照标准宇宙学模型中的哈勃定律，位于银河系中的观测者，在观察其它星系时，它们都应当远离观测者而去。同时银河系中的观测者是不可能观测到银河系自身的运动。这样一个描述天体运动的参考系就是所谓‘共动坐标系’概念。宇宙膨胀时‘共动坐标系’和星系也在跟着宇宙一起膨胀。‘共动坐标系’就是利用在膨胀宇宙空间中各个星系作为参考点建立起来的。因此在每个星系上的观测者都只能观察到其它星系按照哈勃定律做膨胀运动，但观测者自己相对‘共动坐标系’是静止的。
可是实际上位于银河系中的观测者，观察到的情况远非如此。以1929年哈勃得出哈勃定律所根据24个星系的红移数据为例。最大的红移是星系NGC 4649，它的视向速度只有+1090 km/s。在这24个星系数据中，有5个星系不但没有红移，而且是紫移。最大的‘紫移星系’是仙女座III，它的视向速度达-351 km/s。根据标准宇宙学模型对星系谱线红移是天体运动多普勒效应的解释，这些‘紫移星系’不但不是在膨胀，而是在塌缩！在整个宇宙膨胀的背景中，这些星系不但没有膨胀反而塌缩。特别是仙女座星系和它的3个伴星系的谱线都是紫移，可是距离只有它们约1/10的银河系的5个卫星星系却有3个星系的谱线是红移。尤其是离我们最近的大麦哲伦星系和小麦哲伦星系其谱线是红移，而较远的小熊座矮星系和天龙座矮星系反而是谱线紫移。这些星系的运动显然不符合哈勃定律，是无法用标准宇宙学模型中的哈勃定律来解释的。
标准宇宙学模型引进‘共动坐标系’的概念，其中一个重要原因是想以这个‘共动坐标系’概念来否定牛顿的惯性参考系概念。他们批判牛顿惯性参考系概念的一个重要理由就是：由于万有引力的存在，所有物体都要发生运动，因此根本无法利用某一具体天体来建立起严格意义上的‘惯标参考系’。标准宇宙学模型却可以利用在膨胀的宇宙空间中各个星系作为参考点建立起‘共动坐标系’。可是那些被哈勃用来得出哈勃定律所用的星系的观测数据表明，它们在宇宙空间中的运动显然并不完全符合哈勃定律，根本无法用这些星系作为参考点来建立‘共动坐标系’。COBE和WMAP的观测结果还发现，银河系中心也不能作为‘共动坐标系’的参考点。根据宇宙学的哥白尼原理，宇宙中那些所有星系也都应当存在相对‘共动坐标系’的空间运动。在这种情况下，标准宇宙学模型也根本不可能利用具体星系建立起真正的‘共动坐标系’。因此从利用具体天体来建立描述天体运动参考系观点来看，‘共动坐标系’概念并没有比牛顿‘惯性参考系’概念具有什么优势。
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。这样就可以避免单独地用某一个天体作为惯性参考系的困境。现在通过对微波背景辐射的观测，完全可以确切的定义惯性参考系。按照马赫的逻辑，这说明‘宇宙中所有的星体’这个框架和微波背景辐射存在客观联系。从对WMAP微波背景辐射温度图谱观测结果我们也可以看到，微波背景辐射温度图谱中确实含有物质分布的信息。银道面产生的影响，在观测到的微波背景辐射温度图谱中清晰可见。这也说明微波背景辐射和宇宙中物质分布确实存在客观联系。微波背景辐射应当是辐射和物质相互作用的结果。因此利用对微波背景辐射的观测来建立惯性参考系是合理和可行的。

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