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专业: 宇宙学

[交流] 【交流】死亡电梯和层次参考系已有1人参与

死亡电梯和层次参考系
在讨论微波背景辐射定义的‘绝对惯性系’的物理意义时，北京大学俞允强教授在他的‘热大爆炸宇宙学’一书中指出，全局性的参考系是不存在的。认为实际使用的参考系都只是局域的测量基准。我认为这个说法是对的。但完全没有必要把天文研究中局域的测量基准和大爆炸宇宙学中的‘共动坐标系’联系起来。‘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’这个提法我认为是对的。但我认为‘它们之间是随着宇宙的膨胀而有相对运动’这个提法有问题。它们完全可以不必是‘随着宇宙的膨胀而有相对运动’。
‘实际使用的参考系都只是局域的测量基准’这个事实，在天文学研究和实际应用中随处可见。爱因斯坦为了说明广义相对论的相对性原理而杜撰的‘死亡电梯’例子，就是一个局域参考系。其实，爱因斯坦完全没有必要杜撰‘死亡电梯’这个例子。人造地球卫星就是一个完全可以代替‘死亡电梯’说明等效原理的局域参考系。对自由下落的‘死亡电梯’中的乘客和物体，他们感觉不到地球对他们产生的引力作用。在绕地球转动的‘人造卫星舱体’中的乘客和物体，他们和在爱因斯坦‘死亡电梯’中的乘客和物体一样，也感觉不到地球对他们产生的引力作用。
用人造地球卫星代替‘死亡电梯’来说明等效原理，在实际使用和宇宙学研究中有重要意义。这样做的结果是，根据等效原理，宇宙中每个层次成团结构的中心，都可以被认为等效于一个大的‘人造卫星舱体’。是一个独立的‘局域的测量基准’，也就是一个独立的‘近似惯性系’。位于地球表面上的我们，在地心参考系中，可以感觉到地球对我们的引力，但感觉不到太阳对我们的引力。这如同在‘人造卫星舱体’中有一套灵敏的、可以测量万有引力常数的‘卡文迪许扭秤’。扭秤中的每一个大铁球，它们感觉不到地球对它们的引力，但每个大铁球却可以感觉到扭秤中的其它铁球对它的万有引力。地球和它附近的物体所组成的整个体系如同一个巨大的‘太阳卫星舱体’，地球则如同 ‘人造卫星舱体’中‘卡文迪许扭秤’的大铁球。在这个巨大的‘太阳卫星舱体’所构成的‘局域的测量基准’中，地球和它附近的物体感觉不到太阳对它们的引力作用，但地球附近的物体可以感觉到地球对它们的引力作用。当然，由于这个‘太阳卫星舱体’太大了，太阳在这个‘太阳卫星舱体’中不同位置上的引力场强度不可能完全相同，灵敏的观测还是可以从这个‘局域参考系’中物体的运动状态，推断出太阳对‘太阳卫星舱体’中物体引力作用的存在。如海边潮汐出现的时间和强度会和太阳位置的变化有密切关系。毕竟‘太阳卫星舱体’这个‘局域参考系’只是一个近似的惯性参考系。
这个例子很好地说明，根据相对论的相对性原理，在宇宙各个层次的成团结构中，对每个成团结构都可以建立起一个近似的惯性参考系。这个近似的惯性参考系是这个成团结构的‘局域的测量基准’。那些和不同的成团结构相联系的‘局域的测量基准’，都是相互独立的。它们之间可以有相对运动，但这些相对运动完全和宇宙膨胀没有关系。
在测量人造地球卫星的运动轨道时，地心坐标系可以看成是一个局域的测量基准。太阳系中还存在有其它行星，对围绕这些行星绕转的卫星来说，卫星所属的行星的中心也可以看成是一个独立的‘局域的测量基准’。归属于各个不同行星的‘局域的测量基准’都是一些相互独立的惯性参考系。这些相互独立的局域的测量基准之间显然存在有相对运动，但它们之间的相对运动和宇宙膨胀毫无关系。它们之间的相对运动，是它们各自绕太阳运动的速度不同的结果。
在更大尺度层次上，考虑太阳系中各个行星绕太阳运动时，日心坐标系可以看成是在这个层次上的一个‘局域的测量基准’。在计算和观测太阳和其它恒星在银河系中的运动的时候，银心坐标系可以看成是在这个更大层次上的一个‘局域的测量基准’。对银河系外的其它星系，这些星系的中心也可以看成是一些独立的‘局域的测量基准’。和这些星系中心联系在一起的‘局域的测量基准’，也是相互独立的。它们之间可以有相对运动，但这些星系之间的相对运动，也可以完全不是宇宙膨胀的结果。这些星系通常还形成一个更大尺度的成团结构---星系团。最明显的例子就是后发星系团中各个成员星系。这些成员星系之间的相对运动是它们绕星系团中心运动速度不同的结果。这是1933年瑞典天文学家茨维基提出在后发星系团中存在‘missing mass’的主要根据，它和宇宙膨胀毫无关系。
现在我们观测到银河系中心在宇宙空间中有可以测量的运动速度，它应当可以看成是银河系是处于一个更大尺度成团结构中的结果。因此用微波背景辐射建立起来的绝对静止惯性系，可以认为是在这个更大尺度的成团结构中的‘局域的测量基准’。这意味宇宙在这样大的尺度上，物质的分布也并不是均匀和各向同性，而是有一个成团结构。银河系在这个成团结构中也是在绕这个成团结构的中心运动。利用微波背景辐射测量得到的银河系中心的空间运动速度，就是银河系绕这个成团结构中心运动的结果。
从这里我们也可以看出，在低速和弱场情况下，爱因斯坦的广义相对论引力理论和牛顿的引力理论并没有什么本质差别，牛顿力学是广义相对论引力理论精度极高的近似。和‘死亡电梯’等效的‘人造卫星舱体’所引进的‘局域惯性参考系’概念，完全可以应用到宇宙的层次成团结构中。每个层次成团结构都可以看成是一个‘局域惯性参考系’。

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