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【交流】宇宙学原理和微波背景辐射（3）
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宇宙学原理和微波背景辐射（3） 在宇宙学原理和微波背景辐射（2）中，我已经讨论了标准宇宙学模型描述天体运动的参考系问题。现在可以讨论一下银河系在宇宙空间中运动的物理成因和意义。根据标准宇宙学模型中的哈勃定律和‘共动坐标系’理论，银河系是不应当存在有这样的空间运动；但根据牛顿的‘绝对惯性系’理论，银河系存在这样的空间运动是完全可以理解的。 在60年代，当美国贝尔实验室的工程师阿诺•彭齐亚斯和罗伯特•威尔逊发现微波背景辐射时，由于所用观测设备灵敏度的限制，当时观察到的微波背景辐射被认为是完全均匀和各向同性的。只是在银道面这样一个小区域，银河系对微波背景辐射有微小的影响。因此微波背景辐射的发现被认为是对宇宙学原理和大爆炸理论最强有力的支持。可是后来COBE和WMAP的深入观测发现，微波背景辐射并不像阿诺•彭齐亚斯和罗伯特•威尔逊最初发现时那样，可以认为是完全均匀和各向同性。COBE和WMAP观察到的‘微波背景辐射温度谱’图中，明显存在有一个偶极矩。这个偶极矩现在被解释为是由于银河系中心的空间运动产生的多普勒效应。银河系中心的这个空间运动，显然可以理解为是相对于牛顿的‘绝对惯性参考系’的运动。然而根据标准宇宙学模型中的哈勃定律，银河系中心是不应当存在这个空间运动。 为了解释银河系和其它星系显然存在的不服从哈勃定律的空间运动，标准宇宙学模型在‘共动坐标系’的理论基础上又引进了‘本动’的概念。这就是把观察到的各个星系在宇宙空间中的运动人为的分解两个部分。其中符合哈勃定律的那一部分，定义为哈勃定律的贡献，也就是归结为宇宙膨胀的结果；其中不符合哈勃定律的那一部分，定义为这个星系发生了相对于‘共动坐标系’的‘本动’。至于这些星系为什么会发生相对于‘共动坐标系’的‘本动’，在标准宇宙学模型中似乎没有给出合理的答案。有关这个问题，俞允强教授在他的‘热大爆炸宇宙学’一书中有这样一个说法：标准宇宙学模型是把每个星系看成是膨胀的‘宇宙气体介质’中的‘一个分子’。这个说法似乎是在暗示，膨胀宇宙中星系相对于‘共动坐标系’的‘本动’就如同膨胀气体中单个分子的无规则热运动。其他人心中也许也是这样想的，但似乎从来没有人愿意正面讨论过这个问题。 如果认为膨胀宇宙中星系相对于‘共动坐标系’的‘本动’就如同膨胀气体中各个分子的无规则热运动，则在讨论宇宙学动力方程时，宇宙气体介质应当如同气体一样有压力存在。但根据标准宇宙学模型，在以实物为主的宇宙中，宇宙气体介质的压力通常被认为应当为0。北京大学物理学院天文系的‘标准宇宙学模型’课件就是这样讲授的。下面就是这个课件中的一个截图。它明确地提到在以实物为主的宇宙中，宇宙气体介质的压力应当为0。因此宇宙中星系相对于‘共动坐标系’的‘本动’显然不能看成如同膨胀气体中单个分子的无规则热运动。标准宇宙学模型虽然承认各个星系相对于‘共动坐标系’存在‘本动’，但对星系‘本动’的物理成因并没有给出合理的解释。（北京大学物理学院天文系宇宙学课件的地址是： http://vega.bac.pku.edu.cn/astro/course/cosmology/cosmos10/）  北京大学物理学院天文系‘标准宇宙学模型’课件的一个截图 一百年前的人们曾认为有以太弥漫于全空间。它可以作为动或静的绝对基准。天体相对它的运动叫绝对运动。Michelson-Morley曾测量地球的绝对速度，但始终得到零结果。它使人们悟到，以太并不存在。绝对运动是没有意义的。这就是相对性原理的基础。现在宇宙学肯定了弥漫于全宇宙的微波背景辐射的存在，那么以微波背景辐射为基准的绝对运动就有了现实意义。这是否意味着牛顿绝对空间概念的复活？ 关于用微波背景辐射定义的‘绝对惯性系’的物理意义，俞允强教授在他的‘热大爆炸宇宙学’一书中有这样的论述： ‘考虑到宇宙介质和它占据的空间都在膨胀，全局性的参考系是不存在的。因为参考系须由一群相对静止的物体组成。实际使用的参考系都只是局域的测量基准。上面讲的静止系也只是局域的。以观测到的背景辐射为各向同性作准则，不同的地方有各自的静止系。它们之间是随着宇宙的膨胀而有相对运动。所以，这样的静止系与牛顿的绝对空间很不一样’。 我认为俞允强教授的这些论述有些话有一定道理。特别是‘全局性的参考系是不存在的’这个提法是对的。但这个结论不一定要和宇宙膨胀理论联系起来。用微波背景辐射定义的绝对惯性系，可以认为只是在微波背景辐射的形成区域内有效。由于辐射的传播速度--光速并不是无限大，我们所观测到的微波背景辐射的形成区域不可能是整个宇宙。不同的地方所观测到的微波背景辐射的形成区域是不一样的。 |
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