解密暗物质分享 http://blog.sciencenet.cn/u/zyntiger 暗物质是连接宏观世界与微观世界的纽带,也是低速物理通向高速物理的桥梁,更是跨越经典物理与现代物理巨大鸿沟的有效工具!

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暗物质与宇宙模型

已有 9442 次阅读 2019-3-3 09:15 |系统分类:科研笔记


牛顿说过:自然界喜欢简单化,而不爱用什么多余的原因以夸耀自己。这使我相信世界是简单的,我们不应该人为地将其复杂化。爱因斯坦说过:我不相信权威,但命运作弄了我,我竞成了权威。这给了我莫大的勇气去探寻这个世界最简单的规则。

这是一部关于物理学、天文学全新架构的专著,全面论述暗物质、场、量子物理与宇宙模型。

经典物理学被认为无法解释高速物理现象和微观世界物理现象。这本书采用暗物质完全统一了经典物理和现代物理。研究发现暗物质是连接宏观世界与微观世界的纽带,也是低速物理通向高速物理的桥梁,更是跨越经典物理和现代物理巨大鸿沟的有效工具;并且暗物质的研究将成为探寻物理学本质与宇宙奥秘的钥匙。

这本书首先解决了暗物质是什么的问题。给出了暗物质存在证据,明确暗物质特性,论断得到暗物质内部结构,建立了暗物质的电子偶模型。一个暗物质粒子中包含一对正反粒子,而暗物质的主要成分是电子偶。在一定条件下,电子偶和电子对可以相互转化,即暗物质和可见物质可以相互转化。一个电子偶内含有一对正负电子,电子偶间存在瞬时库伦力、瞬时洛伦兹力、瞬时取向力和瞬时诱导力,总体上吸引力和推斥力相互平衡。电磁波无法探测到暗物质的原因并不是暗物质不参与电磁作用,而是暗物质只能传递而无法反射电磁波是暗物质“暗”的根本原因,但可通过电磁波速度变化和方向偏折探测暗物质的密度变化。

其次,解决了什么是场的问题。采用暗物质电子偶模型进行各种场的性质与产生机理进行系统论述。电场、磁场、电磁场和引力场分别由电子偶规律极化、定向偏转、诱导震荡和密度变化形成,实现暗物质与各种场物质合理统一。没有可见物质影响时,暗物质本身不能形成场。当受到外界物质影响时,产生不同的势能,并形成各种场,即各种场是暗物质的不同势能。暗物质因为电荷存在而极化,进而产生电势能,并形成电场。暗物质因为电流或磁性物质存在而轨道偏转,进而产生磁势能,并形成磁场。暗物质因为可见物质密度提高,进而产生引力势能,并形成引力场。当各种场变化时,存在着动能和势能的转化过程,在变化的过程中会以波的形式传递能量,暗物质密度变化会传递引力波;而电场和磁场的变化会传递电磁波。暗物质本身也具有内能,暗物质粒子不断地进行热运动,这种热运动会通过一定的电磁波进行能量交换。引力始终指向暗物质密度升高的方向是可见物间只存在引力而不存在斥力的基本原因。暗物质无处不在的存在以及可见物质致使暗物质密度梯度变化是引力场及其超距传递的物质原因。引力波是暗物质疏密变化而传递的纵波,并不是与电磁波类似的且具有偏振态的横波。引力波并不是所预测的面波,而是一种能量衰减极快的体波,这是引力波极难直接探测的根本原因。

另外,解决了什么是量子力学本质的问题。微观粒子与暗物质的时时刻刻、无处不在地相互作用无法准确计算,描述微观粒子运动状态只能采用概率统计。微观粒子运动比灰尘在空中的随机飘散运动还要复杂,只能符合空间概率分布统计规律,这就是量子力学随机性的根本原因。单个粒子不具有波动性,且完全符合宏观物质的运动规律;所观测到的光学干涉、衍射现象是粒子与暗物质相互诱导震荡产生的电磁波。电子双缝干涉试验所观测到的光学干涉现象并不是电子本身,而是运动电子诱导暗物质震荡而产生的电磁波的干涉,即使电子不通过双缝也始终能观测到干涉图案。微观粒子的波动性的本质原因是微观粒子诱导暗物质的电磁震荡。微观粒子与宏观的概率事件没有任何本质区别,在没有观测时,微观粒子的运动只能用空间概率函数描述其运动规律,但一旦观测后,就像骰子落地停止一样,微观粒子的空间概率模型就变成单次确定性的事件。不论宏观概率事件,还是微观粒子的空间概率分布,总体上均符合概率函数规律;一旦单次概率事件揭晓,无数次的概率模型坍缩成单次的确定事件。波函数坍缩本质上是描述一个整体概率事件发生前的预测及其单次概率发生后的确定状态。任何物体都无时不刻、无处不在地通过诱导震荡与暗物质相互作用并交换能量。这是任何物体都具有不断吸收和发出电磁波而产生热辐射的本质原因。

解决了宇宙如何演变的问题。种种自然现象、物理实验与天文观测明确表明宇宙并没有不断膨胀。如果宇宙膨胀,每个星体均会有一个稳定的膨胀方向,而宇宙微波背景辐射没有任何方向性,因此宇宙微波背景辐射并不是宇宙膨胀的证据。实际上,宇宙微波背景辐射是暗物质热运动,是唯一不能屏蔽的电磁波波段。系统的逻辑性论证表明大爆炸理论具有大量不可调和的矛盾,并系统论证了穏恒态宇宙并不存在奥伯斯佯谬问题。恒星的形成是天体物理学领域中最为基础性的问题,它是解答其它宇宙问题所必须首先解决的问题。所有的恒星有着类似的形成机制,且均需要一个触发条件和持续吸积条件。触发条件为具有一定质量的星体或若干个星体集合;而持续吸积条件为一定的旋转速度。宇宙整体是穏恒态的,恒星和星系团(各种层级的)都有相同的形成、发展、死亡、再生的机制。建立了有序无限循环时空宇宙模型。具有较大质量、转速极快的星体,触发吸积后,由于吸积过程极度漫长,无法点燃聚变,往往形成黑洞,形成巨大的吸积盘。黑洞是宇宙的清道夫,是宇宙氢气再生的机器。宇宙与地球类似,星球与生命类似,星云与泥土类似。宇宙为星球提供场所,星云为星球提供土壤;星球出生于星云,百转千回还会回归为星云,反反复复有序无限循环。

最后,通过对暗物质、场、量子物理与宇宙模型的系统、全面论述,提出了记录和说明宇宙至少且只需要物质、空间和时间的宇宙三要素。提出了物质绝对论,物质具有无法创生与消灭的物质性、占据空间的空间性、必须连续存在的时间性、无法复制的唯一性、构成元素的粒子性、能量无法耗尽的能动性、不同形式的振动性与波动性;物质密度不能无限大;物质同时具有吸引力和推斥力;物质运动状态与能量状态只有通过物质相互作用才能改变;物质是能量的本体与受体,没有物质能量无所依,没有物质能量无所传。不存在无物质的力,物质是力的本体与受体,只有物体才能作为施力物体与受力物体。物质的运动只能用物质度量,物质绝对空间运动无法度量。总之,物质是独立于意识之外且又能被意识所反映的客观实在。物质不能创生,也不能消失,只能从一种形式转变为另一种形式,或从一个空间运动到另一个空间。物质具有质量、占有空间,能够运动并携带能量。提出了空间绝对论,空间位置不能脱离物质而单独标记,空间无法移动,也不能变形。空间为物质提供舞台,但空间与物质之间不存在任何作用力。空间具有连续性,宇宙无边界与中心。总之,空间提供物质位置、体积和形状信息,空间是不受任何外界事物影响的,是连续的、无边界与中心的,不能变形的,绝对空间无法单独标记,只能通过参照物质进行标记和定位。提出了时间绝对论,时间无始无终且不能中断。时间无法独立标记,只能采用事件或事物周期标记。时间不能伸缩,时间与物质之间不存在任何作用力。任何地点、任何时间都是同步的,不能某些地点是在过去,某些地点是在现在,某些地点是在将来。测量存在相对时间差,但事件的发生与观测效果无关。观测的时间差是可以度量的。

这也许是有史以来最革命的物理学和天文学著作,笔者也意识到推翻已经有口皆碑的光学理论、相对论、大爆炸理论等如同上刀山、下火海,但物理学、天文学的出现了大量难以逾越的瓶颈,乱象环生,各种理论肆意生长,矛盾重重。笔者知识粗浅,无法驾驭包罗万象的物理学与天文学。但笔者相信,大道至简,更以“无知者无畏”心态,闯进这杀气腾腾的战场。希望能在乌云密布的天空,发现那七彩斑斓的彩虹。

1. 序言

天文学(Astronomy)是研究宇宙空间天体、宇宙结构和发展的学科。内容包括天体的构造、性质和运行规律等。天文学是一门古老的科学,自有人类文明以来,天文学就具有重要地位。主要通过观测天体发射到地球的辐射,发现并测量它们的位置、探索运动规律、研究物理性质、化学组成、内部结构、能量来源及其演化规律。在天文学悠久的历史中,随着研究方法的改进及发展,先后创立了天体测量学、天体力学和天体物理学。

天文学的研究对于人类的自然观有很大的影响。古代的天文学家通过观测太阳、月球和其它一些天体及天象,确定了时间、方向和历法。这也是天体测量学的开端。如果从人类观测天体,记录天象算起,天文学的历史至少有五、六千年。天文学在人类早期的文明史中,占有非常重要的地位。埃及的金字塔、欧洲的巨石阵都是很著名的史前天文遗址。哥白尼的日心说曾经使自然科学从神学中解放出来;康德和拉普拉斯关于太阳系起源的星云说,在十八世纪形而上学的自然观上打开了第一个缺口。

牛顿力学的出现,核能的发现等对人类文明起重要作用的事件都和天文研究有密切的联系。当前,对高能天体物理、致密星和宇宙演化的研究,能极大地推动现代科学的发展。对太阳和太阳系天体包括地球和人造卫星的研究在航天、测地、通讯导航等部门中都有许多应用。

天文学循着观测-理论-观测的发展途径,不断把人的视野伸展到宇宙新的深处。随着人类社会的发展,天文学的研究对象从太阳系发展到整个宇宙。现今,天文学按研究方法分类已形成天体测量学、天体力学和天体物理学三大分支学科。按观测手段分类已形成光学天文学、射电天文学和空间天文学几个分支学科。

天文学在对于了解宇宙及其相关特性上,已有很大进展。但仍有些天文学问题找不到解答。若要回答这些问题,可能要有新的地面或太空的天文仪器,也许在理论天文学或是观测天文学上需有新的进展。目前,天文学领域被公认的重大科学问题是一黑两暗三起源

一黑主要研究从恒星级质量到星系中央超大质量黑洞的形成、物质吸积、喷流、外流物理过程和物质循环,在极强引力场中严格检验引力理论。黑洞是宇宙中最奇特和神秘天体,它具有超强引力源,不断地吸积着周围的物质。在1974年,史蒂芬.霍金通过理论计算发现黑洞的蒸发现象,黑洞已不是完全的,也不单纯是个。它既可以通过吸积物质使质量增加,也可以向外喷射物质,而使质量减小。霍金的计算表明,黑洞的蒸发辐射具有黑体的所有特征。它赋予了黑洞一个真实的,在整个视界上同一的,直接由视界处的引力场强度来决定的温度。质量越大的黑洞,温度越低,蒸发越慢;质量越小的黑洞,温度越高,蒸发也越快。对于微黑洞来说,温度非常之高,可达千万开甚至上亿开。随着蒸发的加剧,质量丢失得很快,温度会迅猛地上升;随着温度上升加快,质量丢失就更厉害。这个过程会以疯狂的形式演变,最终黑洞被摧毁,以猛烈的爆发而告终,所有粒子都得到了大赦。

两暗指通过对超新星、星系、星系团、星系际介质、宇宙背景辐射等宇宙探针的观测和统计,以及空间高能伽玛射线和带电粒子的直接探测,研究挑战近代物理基本框架的宇宙暗能量、暗物质的物理本质,进而深入理解星系及可观测宇宙的起源、演化历史和物理规律。此外,在星系、恒星和行星层次,研究重点为银河系结构、子结构和形成历史,大质量恒星的形成,超新星爆发、伽玛射线暴、中等质量黑洞以及致密天体,搜寻系外类地行星和生命存在的可能性。20世纪60年代,天文学家假设宇宙的质量可能超过可观测的质量。华盛顿卡内基研究所的天文学家沃拉.鲁宾对星系内不同位置的恒星速度进行研究,发现处于星系中央的恒星速度几乎与外侧恒星的速度没有任何差异。这一发现似乎有悖于基本的牛顿物理学定律。按照牛顿的物理学定律,星系外侧的恒星速度应该更慢。天文学家用一种看不见的质量解释这一现象,也就是暗物质。虽然看不到,暗物质也拥有质量,研究人员根据其对正常物质产生的引力推断暗物质的存在,且质量约为正常物质的5倍。阿德里安表示:"科学家仍不知道暗物质是什么",即使有望在不久后发现暗物质粒子,天文学家也无法在短期内确定这种神秘物质的特性。20世纪20年代,天文学家爱德文.哈勃认为宇宙并非静止不动,而是不断膨胀的。1998年,哈勃太空望远镜对遥远超新星进行研究,认为宇宙在很久以前的膨胀速度低于现在。这种现象让科学家陷入困惑之中,长久以来一直认为物质的引力逐渐减缓宇宙的膨胀速度,甚至能够导致宇宙收缩。对宇宙加速膨胀进行解释促使科学家提出暗能量理论,正是这种能量导致宇宙加速膨胀。科学家认为暗能量在宇宙中的比重达到近73%,并且难以捉摸,科学家一直未能直接观测到它的存在。科学作家阿德里安.乔表示:暗能量可能永远不会暴露其本来面目

三起源是指宇宙起源、天体起源和宇宙生命起源。宇宙是如何起源的?空间和时间的本质是什么?这是从2000多年前的古代哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索的问题。直至20世纪,有两种宇宙模型比较有影响,一是稳态理论,一是大爆炸理论。宇宙中的天体的产生、发展和衰亡的过程,这就是天体的演化。天体的演化是指天体形成以后所经历的演变过程。现在仍然有恒星不断诞生并死亡。在恒星起源问题上,也有少数人坚持超密说,认为恒星是由超密物质转化而成的。关于星系的起源和演化也存在着弥漫说和超密说。科学家们对恒星演化的认识比较一致。一般都主张弥漫说:星际云在自吸引收缩中碎裂为许多小云,各小云集聚成恒星。分子云、球状体、藉比格一阿罗天体、红外源、天体微波激射源可能是从星际云到恒星的过渡性天体。恒星完成了引力收缩阶段后,内部开始热核反应,成为主序星;再经过较长时间(太阳约为一百亿年)后变为红巨星;然后经过不稳定的变星阶段,通过爆发,由行星状星云变为白矮星,或通过猛烈的超新星爆发成为中子星;最后失去发光能力归宿到黑矮星。恒星的质量愈大,演化就愈快。

从极大尺度上看,宇宙不同地方的暗物质结构的统计性质几乎一样,是均匀各向同性的。从小尺度上看,暗物质分布处处不同。暗物质是成团的,隐藏在星系的暗晕中。暗物质质量分布与可见物质分布相一致,暗物质粒子具有一定质量且质量极小,显电中性的,不发光、不能用电磁波探测。暗物质具有引力效应,能与可见物质相互吸引。在宇宙中,暗物质占绝大多数的物质质量,不同可见物质与相同暗物质的引力效应可能是万有引力的源泉。各种暗物质候选者均有一定的合理性,但都还仅仅是候选者。无论是直接探测还是间接探测,目前仍没有捕捉到暗物质。总之,暗物质在宇宙中普遍存在,并远远的超过可见物质,然而仍无法探测到,因此,应该思考其原因并重新审视暗物质的构成。

宇宙之所以有序运转,一切皆因万有引力。如果失去万有引力,宇宙将陷于极度混沌状态,更不会有生命的存在。因此,要了解宇宙的过去、现在与未来,首先要了解万有引力规律。已经有大量的实验研究表明在真空中可以生成正负电子对,且正负电子对可以湮灭消失在真空中,暗物质粒子可能是一种包含正负电子的稳定粒子。暗物质粒子是连接星系-行星的“谱带,暗物质粒子也具有传递能量的粒子效应。暗物质可以与不同可见物质相互作用,是物质间万有引力的传递桥梁,并能够合理解释万有引力超距作用。

因此,建立暗物质的电子偶模型,一个电子偶中含有一个电子e-和一个正电子e+,电子和正电子相互作用,不停地围绕共同的中心做圆周运动。在一般的情况下,电子偶既不显电性也不显磁性。暗物质可能由多种物质构成,但主要成分为电子偶,且暗物质的各种性能由电子偶所主导。EPDs之间的作用力包括瞬时库仑力、瞬时洛伦兹力、瞬时取向力和瞬时诱导力,均同时存在吸引力和推斥力。当EPDs处于任何一个稳定的平衡状态时,吸引力与推斥力平衡,此时间距为平衡间距;当EPDs间距小于平衡间距时,吸引力与推斥力均提高,而推斥力提高较快;当EPDs间距大于平衡间距时,吸引力与推斥力均减小,而推斥力降低较快。因此,EPDs间距大于平衡位置时显现为吸引力,间距小于平衡位置显现为推斥力。而这里的平衡态,都是暂时的,一旦边界条件或内部条件变化,都会形成一个新的平衡态。

EPDs与可见物质之间的作用有瞬时库仑力、瞬时洛伦兹力、瞬时取向力和瞬时诱导力。瞬时库仑力和瞬时洛伦兹力同时存在吸引力和推斥力且总体平衡。吸引力和推斥力均随着间距增大而减小,随着间距减小而增大。如果没有可见物质,EPDs将均匀分布。当空间存在可见物质,EPDs的密度提高,可见物质质量越大,EPDs的密度提高越多。EPDs的密度具有一定的梯度,随着与可见物质的距离增加而密度降低。EPDs是一种能量较低的稳定粒子,在一定条件下吸收足够的能量电离成正负电子对;而正负电子对在一定的条件下释放出能量,形成较稳定的EPDs

电场是由EPDs规律极化产生的,可采用EPDs的极化来表示电场,采用EPDs的极化强度可表示电场强度。采用EPDs的极化表示电场反映电场本质上是暗(实体)物质的规律变化,使暗(实体)物质与()场物质得到合理统一。用EPDs的极化强度计算能够准确反映电场强度。由于电流存在,是EPDse-e+的轨道发生偏转,此时,EPDse-e+的不在一个平面内运动,而是分别在两个交叉的平面内运动。如果是稳定的电流,会致使EPDse-e+的运动平面保持偏转,形成稳定的磁场。磁场是EPDse-e+的运动平面发生规律偏转产生的,可采用EPDs的偏转来表示磁场,采用EPDs的偏转率表示磁场强度。采用EPDs的偏转表示磁场反映磁场本质上是暗(实体)物质的规律变化,使暗(实体)物质与()场物质得到合理统一。EPDs偏转强度计算能够准确反映磁场强度。电偶极子本质上是EPDs,电磁场是由EPDs规律振荡产生的,可采用EPDs的振荡表示电磁场,采用EPDs的振荡率表示电磁场强度,采用EPDs的振荡频率区分电磁波的种类。采用EPDs的振荡表示电磁场反映电磁场本质上是暗(实体)物质的规律变化,使暗(实体)物质与(电磁)场物质得到合理统一。EPDs振荡频率计算能够准确反映电磁场强度。引力场是由EPDs密度规律变化产生的,可采用EPDs的密度变化表示引力场,采用EPDs的密度变化率表示引力场强度。采用EPDs的密度变化表示引力场反映引力场本质上是暗(实体)物质的规律变化,使暗(实体)物质与(引力)场物质得到合理统一。EPDs密度变化计算和EPDs吸引强度计算均能够准确反映引力场强度。

相对论引力具有缺乏物质基础等多种不自冾,引力场是EPDs密度变化产生的具有坚实物质基础与理论基础,在星体周围,EPDs的密度具有一定的梯度,随着与星体的距离增加而密度降低,吸引力始终指向密度增加最大的方向。只要有可见物质,EPDs的密度均会提高,因此宏观物质只表现为引力,而不表现为斥力。这明确了可见物之间只存在引力而不存在斥力的物理原因,并合理解释引力场超距作用的物理原因。采用正负电子对产生和湮灭、γ射线电子对效应、微波背景辐射和粒子加速器实验等手段可以捕获暗物质。

种种自然现象、物理实验与天文观测明确表明多普勒效应为在阻尼相同的条件下红移与传播距离成正比,而非与速度成正比,且阻尼越大红移越大,频率越高红移越大。光在宇宙中传播距离与红移成正比,这就是星系红移。光经过星体时,由于暗物质大量堆积,使其暗物质振荡受到极大约束,阻尼显著提高,红移更加显著。EPDs是电磁场物质,不仅是电磁辐射介质,而且本身也进行着一定的热运动。而这种热运动会产生所谓的宇宙微波背景辐射。

多普勒效应、星系红移和宇宙微波背景辐射的分析表明宇宙并没有不断膨胀,因此,暗能量概念及其与不断膨胀宇宙相关的思想需要调整。宇宙中充满着暗物质,暗物质不仅作为万有引力的一部分,也是电场、磁场、电磁场和引力场的载体。暗物质不仅本身具有热运动,而且由于是各种场的载体,引出蓄积了大量的场势能,在这种意义上,暗物质蓄积大量的能量,影响着整个宇宙的运动与演化。

奥伯斯佯谬是将物质、能量和空间混淆,如果空间没有可见物质,无论光线多强,都是不可见的。而宇宙中大多空间是没有可见物质的,因此一片黑暗。恒星的发光在时间和空间上都是非连续的,任何一个恒星的发光是有限的,不能遍布整个宇宙空间。由于万有引力作用,恒星等星体均是成团成系存在,相对于整个广袤的宇宙空间,恒星空间占比极小,释放能量更有限。另外,恒星光线被宇宙间黑暗星体,尘埃和气体吸收,由于温度较低,只能通过不可见光向外辐射能量,只有部分折射、散射或反射的光线才是可见的,然而这些物质极其稀疏,达到一定距离后,只能通过特殊光学仪器才能发现。因此即使宇宙是穏恒态、无穷大的,夜空也会是一片黑暗。

威尔逊云室表明无论你观测与否,电子都是个粒子,电子的运动轨迹也不是波动的,是完全符合宏观物质的运动规律。德布罗意波是电子在运动的过程中引起EPDs产生震荡,产生电磁波。微观粒子不断与EPDs相互作用。在微观世界里,EPDs不断对微观粒子掷骰子。微观粒子EPDs的时时刻刻、无处不在地相互作用无法准确计算,因此,描述微观粒子运动状态只能采用概率统计。微观粒子运动比灰尘在空中的随机飘散运动还要复杂,只能符合空间概率分布统计规律,这就是量子力学随机性的原因。在观测电子时,是已经发生的事情,轨迹是明确的,确定时刻落在确定位置的概率只会是1或者是0。实际上,任何概率事件结果未揭晓时,均符合概率函数,一旦揭晓,无数次的概率模型变成单次的试件,一定会坍缩成10波函数坍缩本质上是描述一个整体概率事件发生前的预测及其单次概率发生后的确定状态。通过暗物质的研究,将进一步了解微观粒子的运动规律与相互作用规律,会很大程度推动量子力学的发展。而电子等为粒子,观测单个粒子轨迹时时,只表现为粒子性,而若干电子的统计时,复合统计函数规律。另外,通过电子与EPDs的相互作用形成光的干涉时,表现为波动性,因此波动性和粒子性是相辅相成的。

单个量子完全符合宏观物质的运动规律,所观测到的干涉或衍射现象不是量子本身,而是量子诱导EPDs震荡所产生的电磁波。无论观测与否,电子都是一个粒子,其运动特征符合宏观物质运动规律,本身并没有波动。而观测到的干涉图案并不是电子本身,而是电子诱导EPDs所产生电磁波的干涉。在电子双缝干涉试验中无论电子是否通过双缝,都可以观测到干涉图案。只是观测电子时,对电子和EPDs均产生了扰动,致使EPDs的震荡频率发生变化,使光的频率不一,无法产生干涉。

在光传播的过程中,传播的是能量,不是EPDs本身。EPDs的能量与频率有关。光的频率如低于红限,无论多强的光也不会产生光电效应。光的频率高于红限后,激发出来的电子数量与被激发的EPDs数量有关。任何粒子间同时存在吸引力和推斥力,都会有一个相对平衡的位置在一定范围内进行具有自身特有形式的振动。而振动的过程中,可以与周围粒子相互作用,通过这种振动的形式传递能量,即任何物质的粒子均能以波动的形式传递能量。因此,单独存在时只能表现为粒子性,而大量粒子协同振动进行能量传播时主要表现为波动性,但同时也保持着粒子性的所有特质,这就是所谓的波粒二象性。

EPDs具有一定质量,星系牵引一定范围内的EPDs运动,在一定范围内,EPDs随着地球运动,超过一定的范围后,EPDs存在一定的速度梯度,之后EPDs就不随着地球运动。迈克尔逊-莫雷实验均处于地球全速牵引EPDs的范围内,因此,观察到光各向同速。水、酒精等物质,质量极小,即使在水、酒精的内部,其牵引EPDs的范围也极小,且存在着速度梯度,因此v乘以一个小于1的因子。钢盘质量太小,其外部无法牵引空气随之高速旋转,更无法高速牵引EPDs随之运动。地球绕太阳公转的速度为30km/s,观测点均在地球全速牵引EPDs的范围内,因此,地球绕太阳公转造成的光行差最大可以达到20.5角秒。不同系统在一定范围内牵引EPDs运动,观测这个范围以外的光线的自转或公转光行差分别以各自的自转和公转速度为准。

在天体周围,EPDs的分布密度存在一定梯度,随着半径增加密度而逐渐下降,光线经过太阳附近时,光线由于EPDs的密度梯度而发生折射。雷达回波延迟和引力透镜也是由于天体周围EPDs分布密度存在一定梯度造成的。而EPDs的分布等密度面为球面,这里并不是时空弯曲,而是EPDs密度变化的弯曲

引力场是由EPDs密度变化产生的,而一个正常的天体周围EPDs密度不会发生剧烈变化,只有在超新星爆发或超大天体的碰撞时,才会引起周围的EPDs密度发生剧烈变化,而这种剧烈变化会以波动方式由近及远不断传递。但这种波与电磁波完全不同,引力波是纵波,不具有偏振态;另外引力波是体波,能量衰减较快,传递距离较短。

根据相对论,电子在电场中被加速,速度达到光速时,质量为无穷大;但速度小于光速时,质量均是有限的,而施加力之后,无论力多大,都会有加速度,只要给足够时间,其速度均会无限接近光速,且与施加的力及大小无关,但这显然有悖于事实。而实际上是由于被加速的粒子与EPDs相互作用,形成阻尼,阻尼力随着速度增加而增加,当阻尼力与驱动力相等时达到极限速度。粒子所受驱动力与粒子带电量和电场强度有关,粒子所受EPDs的阻力与粒子质量和速度有关。因此粒子极限速度与粒子带电量、质量、速度以及所处于的电场强度有关。当粒子不再被加速时,由于粒子与EPDs不断作用,存在着阻力,粒子速度会逐渐降低,而减速的加速度与速度成正比,这就是粒子在所谓真空中高速运动真空摩擦。当粒子不再被旋转加速时,粒子真空中高速旋转速度会不断降低,而减速的加速度与速度成正比,这就是粒子在所谓真空中高速旋转真空摩擦。通过粒子高速运动真空摩擦和高速旋转真空摩擦的计算可以求出真空中的EPDs密度。

任何平面相对于光子来说均是高山深涧,光子理论无法解释镜面反射。根据EPD理论,EPDs传递的是电磁波,通过震荡感应传递能量。与波长相比较,平面镜就是平的了,因此发生镜面反射。而波长小于平面镜粒子间距的电磁波将无法发生镜面反射,而是发生透视。采用光子理论也无法解释光子如何从玻璃中以一定角度无法入射到真空中的现象。另外,光子束交叉时,光子理论无法解释相互碰撞的概率为0。光子在不同介质中的速度为什么发生变化,这些都不能用光子理论进行解释,只有采用EPDs理论才能解释。

时间无法中断,时间无法伸缩,所谓时间伸缩都是人为设定的,如果存在时间伸缩,那么一定是所有空间、所有物质的时间伸缩,否则就存在时间的中断与不连续。空间不能中断,也不能变形,空间是不受任何外界事物影响的,是连续的、无边界与中心的,如果空间出现变形,那么整个空间一定存在同样的变形,否则会出现空间的中断与不连续。没有任何一个惯性系是优越的,运动均是相对于物质之间的运动,无法度量绝对运动,不同参照系的钟慢效应、尺缩、质增和时空弯曲都是相互且等价,因此钟慢效应、尺缩、质增和时空弯曲只能主观的人为设定。万有引力是EPDs的密度变化产生的,EPDs的分布等密度面为球面,这里并不是时空弯曲,而是EPDs密度变化的弯曲,爱因斯坦认为是时空弯曲物理意义上是不对的,仅仅是数值上的一种巧合。

宇宙至今仍存在,一定存在着自我循环与再生机制。而大爆炸每次循环时间、空间、分子结构等无法得到解释。物质汇集到一个奇点上是如何进行的。在宇宙起源之前是什么状态,这些都无法解释。而且,任何物质都是占有空间的,即不占有空间的物质是不存在的,那么就不存在密度无穷大的奇点。哈勃定律的物理宇宙论陈述为来自遥远星系光线的红移与他们的距离成正比,而并非是与所谓的退行速度成正比。另外,大爆炸理论认为宇宙年龄约为138.2亿年,然而,宇宙最大直径竟有930亿光年,以地球为中心可观测宇宙半径为465亿光年。即在465亿年前,它已经就在距离地球465亿光年的位置上,用大爆炸理论不能做出合理解释。因此,大爆炸理论是不合理的,而宇宙没有年龄,没有开始,也没有尽头。宇宙是没有边界,所谓的边界是探测能力的边界。

宇宙中包括可见物质和暗物质,可见物质主要是氢、氦、锂、铍等元素,而暗物质主要是EPDs。宇宙中大量分布着暗物质,暗物质由于可见物质的存在而表现为不均匀性,正是由于这种不均匀性形成了万有引力。在宇宙中不存在没有暗物质的空间,而暗物质粒子具有极小的质量,不仅本身具有万有引力特性,且能形成磁场、电场和电磁场。正是由于暗物质无处不在地存在,才使万有引力的手伸到无穷远。

恒星的形成是天体物理学领域中最为基础性的问题,它是解答其他宇宙问题所必须首先解决的问题。所有的恒星有着类似的形成机制,且均需要一个触发条件,即具有一定质量和旋转速度的星体,或若干个星体集合。

当一个星体触发吸积后,如果核心质量较小,尤其是转动速度较小时,周围物质将接近直线或较小的角度落向星体,内层物质具有极高的速度落入后,外层的物质速度无法快速提高,造成了物质吸积过早中断,使其无法形成足够大的恒星,成为失败的恒星,并形成了褐矮星。褐矮星、其他较大的星体或双星等,由于有相对大一些的质量和转速,当进入到大片星云,将触发吸积。而星云内物质落入星体的速度相对缓慢,使吸积过程相对漫长,外围物质有足够的时间加入旋转,使吸积过程不至于中断。当恒星爆发一定时间后,恒星开始抛离物质后,吸积过程才逐渐停止。而恒星聚变后,相对小质量的会形成白矮星。由于白矮星往往具有较大的转速,且质量较大,当进入到大片的星云,将触发吸积。由于白矮星旋转速度大,星云内物质降落过程极其漫长,外围物质有足够的时间加入旋转,更多的物质被吸积。由于质量较大,恒星聚变后,会形成中子星。中子星具有较小的体积,极高的转速,极高的质量,容易大量并快速吸积物质,使温度升高,并激发超新星,而超新星快速聚变后,质量和转速再次提高,并不断从周围不断吸积物质。由于超新星的质量过大,且转速过高,使被吸积的物质也具有极高的转速,而这极高的转速使落入到星体的速度极其缓慢,进而形成了巨大吸积盘,这就形成了所谓的黑洞。由于超高质量和超高转速,黑洞使吸积过程漫长持久。

黑洞的核心部位大量堆积着中子且不断从周围吸积物质和能量。中子既不能聚变,也不能裂变,更没有证据表明中子能够被压碎。由于黑洞的转速高,物质和能量被吸积的过程极度漫长。能量不断被中子吸收,温度上升极其缓慢,被吸积的物质很难被激发聚变。由于黑洞的超大质量和超高速旋转,使其成为一个薄片化结构,在薄片的吸积盘不断向中心缓慢吸积,在薄片的吸积盘向内有着巨大的压力,而黑洞的极轴方向,压力异常的小,且转动使极轴方向很难有物质堆积。极轴上的中子,受到吸积盘上的极大压力,且不断吸积物质与能量,进而使中子的电子逐渐脱离核心,形成质子和电子。当质子和电子大量堆积后,具有较高能量的质子和电子不断蒸发。而这种蒸发使周围的物质不断补充,促使物质和能量更快速地吸积,达到某种临界状态,质子和电子集中强烈喷射,喷射后很快降温并结合成氢原子,并进而形成氢气。具有较大质量、转速极快的星体,触发吸积后,由于吸积过程极度漫长,无法点燃聚变,往往形成黑洞,形成巨大的吸积盘。黑洞是宇宙的清道夫,吸收周围的物质和能量,并使其再生为氢气。

最后总结记录和说明宇宙至少且只需要物质、空间和时间这3个物理量,并针对宇宙三要素,分别形成相关理论。

 

 

 


2. 时空观

2.1 引言

自古以来,对时间和空间的认识构筑了人类的知识框架。科学与文明的进步是通过人类对时间和空间认识的深入而推动的。不同的时空观会导致不同的文明与进步,并影响到人类社会生活的方方面面。人类在探求真理的过程中,充满了大胆的猜想和创造。

2.2 时空观的发展

2.2.1 平面时空观

在远古时代,人类的活动范围很小,认识也极其有限,只知道上有天,下有地,平平的地面向四周延伸,大地是平直的概念也就从经验中产生了。一个容器,最切身的体验是居住的房间,上有顶,下有地,周有壁,于是又构成了头脑中的上下四周的空间概念。高山从平地升起,地窑在平地向下,可见空间是可以上下延伸的。在房间里或天地间,既可以向前走,也可以向后走,既可以向左走,也可以向右走。即平面上的方向是相对的,哪一个方向都是可以随意运动,无限延伸的,但上下的方向却有些特殊。高处的东西可以下落,直至掉进井底,而井底的东西却不能反上来,因此空间的上下是不可颠倒的。为了比较空间的大小,古人需要创造空间的测量方法。由于没有公认的标准长度作单位,所以测量的结果不一致。在古代,有些部落用首领的脚长作单位,有些则用臂长作单位,首领换了单位也就不同了。相同的物体测量的结果不一样引起了不少的混乱。后来长度单位逐渐统一了,因此相同物体就有了相同的测量结果。在致力于消除测量混乱中,古人是基于一个最基本的概念,这就是客观物体的长度是固定不变的,否则统一单位就没有意义。这是人类对空间概念认识的第一个历程。一切自然现象都在运动和变化之中,过程的流逝是一切自然现象和人类活动的基本特征。盘古开天,耶酥创世,都代表记时的开始。人类从过程的流逝中又抽象出了时间概念。古人很早就注意到,一切周期变化的过程都可以用来作为时间的测量单位。古人观察到的最简单的周期变化有日出日落、月圆月缺、四季变化。于是记时单位——日、月、年产生了。古人从泉水滴漏中得到了启示,于是又创造了滴漏计时器。时间的计时单位一下子缩短到了一滴水滴下的过程,这就有点接近今天的分与秒了。古人对事物具体过程的长短也认为是固定不变的。古人在日常经验中看不出时间与物体运动状态有什么联系。古人对时间的认识还有另一个重要特点,那就是时间的单向性。人死不能复生,这表明事物在发展演变中,其过程都是不可逆反的。过程的不可逆,带来了时间认识上的单向性。时间的发展方向总是从过去流向未来的。空间的上下不等价,时间的前后不等价,长度、时间间隔的不变性,这就是人类远古平面时空观。

2.2.2 球对称时空观

两千多年前,亚里士多德和托勒密建立了地球中心说。他们认为宇宙是有限的球体,地球静止地居于中心;日、月、星辰都围绕着地球运转;月亮、太阳、行星和恒星分别处在不同的球壳上;它们都作完美的圆周运动。在亚里士多德的理论体系中,人类生活的大地不是平板式的,而是圆球形的。这是时空观的第一次大革命。人类生活的大地不是平面,而是球面,在球体上,上与下的概念就变得不是绝对而是相对的了。在球体的一边认为是朝上的方向,而在球体的另一边则被看作是向下的方向。上与下的空间概念,一下子由唯一的180°的直线方向转而变成了360°的任意方向。上与下是相对的,空间的各个方向是等价的,没有哪一个方向具有特别的优越性,这就是空间方向的相对性。空间方向由绝对到相对,人类在认识时空上朝科学时空观迈出了关键的一步。亚里士多德空间虽然方向是相对的,但空间的不同点却有着不同的特性,这与平面时空观有相通之处。亚里士多德球面时空观仍然保留着空间位置的绝对性。在地球中心说中,物体在宇宙中的位置具有关键的作用。地球的球心就是宇宙的中心,每个物体在运动中只要没有阻挡,都力图达到各自的天然位置。物体之所以运动是因为它们没有达到自己的天然位置。地球附近的物体天然位置是地球的球心。亚里士多德说这是落体运动的真正原因。这样,在亚里士多德的时空观里,地球球心的位置就是非常特殊的。在支配万物运动的自然规律中,这个点具有决定性的作用。这就是空间点的绝对性。这样亚里士多德空间虽然具有各向同性的性质,但空间各点的位置并不等价。亚里士多德的理论基本上是一个定性的理论,几乎没有定量的物理定律,因此该理论对时间的理解并没有显著突破,时间仍是过程流逝的伴随物,一切过程的时间测量也与坐标系的选取无关,时间是绝对的,而且具有单向性。总之与远古平面时空观相比,亚氏时空观消除了空间方向上的绝对性,而保留了其它绝对性。

2.2.3 绝对时空观

16世纪以前,亚里士多德时空观统治了近一千九百年之久,亚里士多德的学说成了科学进步的严重障碍。直到16 世纪,哥白尼创立了日心说,认为太阳居于行星系的中心,地球和其它行星绕着太阳运转,地心说从此开始动摇。此后,布鲁诺、伽利略、牛顿又为日心说奋斗了许多年。以哥白尼-伽利略-牛顿为代表的新科学,否定了地球中心的特殊地位。牛顿的引力定律表明,苹果可以落到地球上,月球也可以落到地球上,苹果落地和月亮绕地球运行是同一个原因引起的。地球的球心同月球的球心一样,在空间不断地变动着。伽利略则更明确地指出,物理定律的形式与相互匀速运动的坐标系的选择无关。牛顿力学中没有地球的中心地位,任何空间点都是平权的。相对于任何时空点来计算,物理规律都是一样的,空间被看作脱离物质并且供万物表演的舞台。牛顿力学时空观消除了时空点的不平权性。然而,时空点平权了,但却带来了时空的绝对均匀、平直性。像抽象空间一样,牛顿把时间也从物质演变过程中抽象出来,变成既脱离空间,也脱离物质的任意流逝的客观物。在牛顿第二定律中给定初始条件,既可知道物体的过去、现在和未来。时间没有起点,于是时间的单向性也由相对性取代了。不过牛顿力学的时间可逆性,并不意味着牛顿力学体系中人可以死而复生,而是意味着时间的前后是无穷的。牛顿力学的时空观与亚里士多德时空观相比,虽然减少了绝对性,增加了相对性,但同样也还保留有绝对性。牛顿认为: “绝对空间,就其本性来说,与任何外在的情况无关。始终保持着相似和不变绝对的、纯粹的数学的时间,就其本性来说均匀地流逝,而与任何外在的情况无关相对空间是绝对空间的可动部分或者量度。感官通过绝对空间对物体位置进行确定,并且通常把它当作不动的空间看待。如相对地球而言的地下、大气或天体等空间都是这样来确定的相对的、表观的和通常的时间,是期间的一种可感觉的、外部的,或者是精确的,或者是变化着的量度。人们通常就用这种量度,如小时、日、月、年,代表真正的时间。牛顿的绝对时空概念,只是牛顿对时空的一种数学抽象,这从绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着可以十分明显地看出。其中数学二字表明牛顿怕别人误解而特意指明绝对时间是一种数学的抽象。

从牛顿力学的基本定律和概念出发,就一定要求有一个相对的实际可用的时空概念。物体的位置移动,就要求空间;物体的静止,就要求空间保持相对的不动;物体的匀速运动,就要求空间平直均匀;而且还要求时间相对的均匀,没有太明显的快慢节奏。反过来,只有相对时间和空间概念才能保证牛顿力学规律的有效性和可操作性。在牛顿的力学定律的表达里没有明确指明,所谓静止匀速直线运动运动状态的改变是对什么参考物体而言的,只要具体情况具体指定就可以。在牛顿力学中是物体间的相互作用,这是与参考物体有关的,运动状态及其改变的参考物体就是原参考物体。牛顿完全了解自己理论中存在有一些薄弱环节,他的解决办法是引入一个客观标准——绝对或相对空间,用以判断各物体是处于静止、匀速运动,还是加速运动状态。

牛顿承认区分特定物体的绝对运动和相对运动也非易事。不过,牛顿是一个经验论者,他不能容忍在他的体系中存在先验的观念。他认为,物理的实在必须是能被感知的。因此,牛顿设计了一个理想实验,用来判断哪些运动是相对于绝对空间的绝对运动,这就是著名的水桶实验。 牛顿曾经认为绝对空间在恒星所在的遥远地方,或许在它们之外更遥远的地方。他提出假设,宇宙的中心是不动的,这就是他所想象的绝对空间。空间可以脱离物质的运动,时间也可以脱离物质的运动,空间与时间也无关系。因此,时空舞台中的空间距离和时间间隔都是绝对的。即长度和时间与坐标系的选择无关,物理定律在相对匀速运动的坐标系中形式不变。

2.2.4 相对论时空观

以绝对空间作为度量运动的参照系,或者以其它绝对匀速运动的物体为参照物,惯性定律才成立。即不受外力作用的物体,或者总保持静止,或者总保持匀速运动。这一类特殊的参照系,被称为惯性参照系。任何两个不同的惯性参照系的空间和时间量之间满足伽利略变换。在这种变换下,位置、速度是相对的,即相对于不同参照系的数值是不同的:长度、时间间隔是绝对的,即相对于不同参照系其数值是不变的,同时性也是绝对的。相对于某一惯性参照系同时发生的两个事件,相对于其它的惯性参照系也必定是同时的。另外,牛顿力学规律在伽利略变换下保持形式不变,这一点符合伽利略相对性原理的要求。正是这个相对性原理,构成了对牛顿的绝对空间概念怀疑的起点。如果存在绝对空间,则物体相对于这个绝对空间的运动就应当是可以测量的,这相当于要求在某些运动定律中含有绝对速度。然而,相对性原理要求物体的运动规律中必定不含有绝对速度,亦即绝对速度在原则上是无法测定的。莱布尼兹、贝克莱、马赫等先后都对绝对空间、时间观念提出过有价值的异议,指出过没有证据能表明牛顿绝对空间的存在。到了19世纪末,奥地利物理学家马赫分析了牛顿力学的基本概念以及由其反映的机械自然观,不同意把惯性看成是物体固有的性质,认为在一个孤立的空间里谈论物体的惯性是毫无意义的,提出惯性来源于宇宙间物质的相互作用。

爱因斯坦认为牛顿的时空观有局限性,牛顿绝对时空的观念通常是宇宙中任何事件都发生在空间的某一点、时间的某一时刻,而那时刻到处是一样的。爱因斯坦认为存在是四维的,是在合并三维空间和一维时间的混合的四维时空中的存在,而不是一个三维存在再加上它在时间上的演化。爱因斯坦的光速绝对性原理迫使空间和时间相混合。根据爱因斯坦的理论,四维时空连续统一体中的任何物体都和相互间紧密连接在一起的维共存。

爱因斯坦相对论时空观的主要内容如下:

1.相对性原理:狭义与广义相对论认为物质在时空谱中的运动规律对惯性系和非惯性系的运动形式是一样的。

2. 利用迈克尔逊光速不变试验,提出在相对性原理中光速不变性绝对性原理,受闵可夫斯基四维统一时空的影响,提出时空合并混合统一的绝对时空谱。其中提出质量与能量等效性原理。

3. 由于以上时空谱观念的提出,相对性原理与光速不变性两条原理发现牛顿时空谱所提出的牛顿运动三大定律与万有引力定律存在缺陷。因此,出现爱因斯坦提出的空间收缩与时间膨胀问题,爱因斯坦强调同时性是相对的。

4. 爱因斯坦发表的狭义相对论,说明时空的本质可以通过它的度规结构来理解。度规是一个抽象的基本概念。它是与宇宙的几何结构联系在一起的。这种度规结构与任何观测者无关。这样的性质满足相对论的需求,可以确保物理定律的成立与速度和位置无关。1907年,爱因斯坦提出等效原理,认为引力和加速度是等效的。时间和光线的轨迹都要被引力弯曲。时空弯曲的程度,是由宇宙中物质的分布决定的。一个区域内的物质密度越大,时空的曲率也就越大。这样太阳附近的时空就要比地球附近弯曲得厉害,因为太阳的质量要大得多。广义相对论的宇宙中,引力已不再像以前所理解的那样是一种力,它已经被转化到时空的几何(曲率)中去了。用他的观念来看,引力产生于从狭义相对论的平直空间到广义相对论的弯曲空间的转换之中。

5. 为了提出引力场方程,爱因斯坦提出把加速度与引力等效性原理深入发展到引力与时空弯曲(曲率)”等效性和时空曲率与潮汐力(沿测地线)”等效性,即潮汐力与引力,引力与时空曲率等效性综合在一起。利用当时发现的黎曼几何(流形)结构和张量计算。时空被认为是一张平展的橡胶软垫,大质量的物体放上去,会使橡胶软垫发生局部变形,变形的程度取决于物体的质量。行星可以用大小不等的球来代表,这些球在橡胶软垫上围绕太阳滚动,球滚动的路径也就是行星的轨迹(测地线)。它们都位于太阳附近的深之中。从树上掉下来的苹果,不是被一个力拉向地球,而是由于曲率变化使它滚进地球所造成的局部时空的里面罢了。因此,在所有的惯性参照系下,牛顿的引力定律都是相同的。利用爱因斯坦场方程、时空弯曲(曲率)定律:粒子沿时空的测地线运动,它们被推进或拉开的速率正比于它们之间方向上的曲率大小。虽然,在不同方向参照系中你测量的质量密度也将不同于我测量的质量密度。同样,你测量的三个时空曲率之和也将不同于我所测量的曲率之和。然而,测量的曲率之和正比于所测量的质量密度加上测量的压力3 倍。在这个意义上,爱因斯坦场方程在每个参照系中都是一样的,它服从爱因斯坦的相对性原理。因为相对性原理,高速运行的物体永远无法光速,就会产生空间收缩和时间膨胀,进一步与引力问题结合而得到爱因斯坦场方程,并通过数学计算,解释了光线被太阳偏移和行星的轨道运动。而且爱因斯坦还预言了黑洞、引力波、时空奇点的存在。

2.3 宇宙模型

2.3.1 牛顿宇宙模型

1781年,哲学家伊曼努尔康德辨析了宇宙在时间上有无开端、空间上有无极限的问题。事实上其论证基于一个隐含的假设,即不管宇宙是否存在已经无限久,时间都可以无限地倒溯回去。

19世纪末以前,牛顿的经典力学体系在物理学和天文学上取得了极为辉煌的胜利。在宇宙学问题的研究上,牛顿的天体学理论与先前的理论存在本质区别,在于哥白尼原则只提出地球在宇宙里没有特殊地位,而牛顿进一步指出:不论是天体和地球,两者皆遵守着相同的物理法则。这一点在宇宙物理学的进展来说是很重要的。牛顿认为宇宙存在于欧几里得平直空间。如果宇宙是有限的,就有边界和中心,由于各种部分之间的相互吸引,物质必然落向中心,并形成中心巨大的物质球。显然这与观测事实不符。而在一个无限的宇宙中,无边界也无中心,不存在某一个特殊的方向。在绝对的时空中每一团物质受到来自各方向的相等的引力作用而停留在原地,但物质可以局部地各自聚集成团,彼此相隔很大的距离,散布在无限的空间内。在总体上宇宙是稳定的,而在有限的局部区域内是不稳定的,天体有生有灭形成丰富而多样的天体。这就是牛顿的无限宇宙模型。

1823年亨利希·奥伯斯提出了奥伯斯佯谬。如果宇宙是无限静止和均匀的,那么观察者每一道视线的终点必将会终结在一颗恒星上。那么不难想象,整个天空即使是在夜晚也会象太阳一样明亮。有人提出反驳:远处恒星的光线被它经过的物质所吸收而减弱。但被认为吸收光线的物质将最终被加热到发出和恒星一样强的光为止。无限静态宇宙只有一种情形能避免夜空象白天一样明亮,那就是恒星不是在无限久远以前就开始发光。在这种情形下,光线所经过的物质尚未被加热,或者远处的恒星光线尚未到达地球。于是又面临着一个问题:是什么使恒星第一次发光?这就是人类探索了无数世纪的问题——宇宙起源。奥伯斯佯谬于1826年被修订,若宇宙是穏恒态而且无限的,则晚上应该是光亮而不是黑暗的。奥伯斯佯谬又称夜黑佯谬或光度佯谬。远处星光会被宇宙间黑暗的星体,尘埃和气体阻隔,令极远处的光线只可以传播一段有限的距离而不能到达地球。然而这并不能解决问题,因为根据热力学第一定律,能量必定守恒,故此中间的阻隔物会变热而开始放出辐射,结果导致天上有均匀的辐射,温度应当等于发光体表面的温度,也即天空和星体一样亮,然而事实上没有观察到这种现象。

1915年,爱因斯坦于发表其广义相对论时还非常肯定宇宙是静态的。因此他不得不在他的方程中引进一个所谓的宇宙常数来进行修正。他引入一个反引力,这个力是无源的,是空间-时间结构所固有的。他宣称空间-时间内在膨胀的趋势,刚好可以平衡宇宙间各物质的相互吸引,结果形成了静态的宇宙。

牛顿宇宙模型是建立在绝对时空观的基础上的。由于这个模型无法克服奥伯斯佯谬,也与星系红移观测事实相矛盾,因而早已被放弃。

2.3.2 相对论宇宙模型

19世纪末由于牛顿力学和麦克斯韦电磁理论趋于完善,一些物理学家认为物理学的发展实际上已经结束,但当人们运用伽利略变换解释光的传播等问题时,发现一系列尖锐矛盾,对经典时空观产生疑问。

1905年,爱因斯坦发表的题为《论动体的电动力学》一文中提出的区别于牛顿宇宙模型的新的平直时空理论。建立了可与光速相比拟的高速运动物体的规律,创立相对论。狭义相对论提出两条基本原理。(1) 光速不变原理:在任何惯性系中,真空中光速c都相同,与光源及观察者的运动状况无关。(2) 狭义相对性原理:物理学的基本定律乃至自然规律,对所有惯性参考系来说都相同。爱因斯坦曾经一度试图把万有引力定律纳入相对论的框架,几经失败后,他终于认识到,狭义相对论容纳不了万有引力定律。

1915年,爱因斯坦将狭义相对性原理推广到广义相对性,又利用在局部惯性系中万有引力与惯性力等效的原理,建立了用弯曲时空的黎曼几何描述引力的广义相对论理论。广义相对论认为引力是由时空弯曲的几何效应的畸变引起的,因而引力场影响时间和距离的测量。

狭义相对论只适用于惯性系,它的时空背景是平直的四维时空,而广义相对论则适用于包括非惯性系在内的一切参考系,它的时空背景是弯曲的黎曼时空。广义相对论是一种关于万有引力本质的理论。

广义相对论的两个基本原理是:(1) 等效原理:惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的;(2) 广义相对性原理:所有的物理定律在任何参考系中都取相同的形式。

等效原理分为弱等效原理和强等效原理,弱等效原理认为惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的。强等效原理认为,则将动力学效应提升到任何物理效应。等效原理仅对局部惯性系成立,对非局部惯性系等效原理不一定成立。广义相对性原理是狭义相对性原理的推广。由于狭义相对论无法严格定义惯性系,爱因斯坦直接将惯性系的概念从相对论中剔除,用任何参考系代替了原来狭义相对性原理中惯性系

等效原理建立在引力质量与惯性质量的等价性上。根据等效原理,爱因斯坦把狭义相对性原理推广为广义相对性原理,即物理定律的形式在一切参考系都是不变的。物体的运动方程即该参考系中的测地线方程。测地线方程与物体自身固有性质无关,只取决于时空局域几何性质。而引力正是时空局域几何性质的表现。物质质量的存在会造成时空的弯曲,在弯曲的时空中,物体仍然顺着最短距离进行运动,如地球在太阳造成的弯曲时空中的测地线运动,实际是绕着太阳转,造成引力作用效应。正如在弯曲的地球表面上,如果以直线运动,实际是绕着地球表面的大圆走。

在广义相对论中,引力作用被几何化,狭义相对论的闵氏空间背景加上万有引力的物理图景在广义相对论中变成了黎曼空间背景下不受力的自由运动的物理图景,其动力学方程与自身质量无关而成为测地线方程。按照广义相对论,在局部惯性系内,不存在引力,一维时间和三维空间组成四维平坦的欧几里得空间;在任意参考系内,存在引力,引力引起时空弯曲,因而时空是四维弯曲的非欧空间。爱因斯坦找到了物质分布影响时空几何的引力场方程。时间空间的弯曲结构取决于物质能量密度、动量密度在时间空间中的分布,而时间空间的弯曲结构又反过来决定物体的轨道。在引力不强、时间空间弯曲很小情况下,广义相对论的预言同牛顿万有引力定律和牛顿运动定律的预言趋于一致;而引力较强、时间空间弯曲较大情况下,两者有区别。

由于牛顿引力理论对于绝大部分引力现象已经足够精确,广义相对论只提供了一个极小的修正,人们在实用上并不需要它,因此,广义相对论建立以后的半个世纪,并没有受到充分重视,也没有得到迅速发展。到20世纪60年代,情况发生变化,发现强引力天体(中子星)3K宇宙背景辐射,使广义相对论的研究蓬勃发展起来。中子星的形成和结构、黑洞物理和黑洞探测、引力辐射理论和引力波探测、大爆炸宇宙学、量子引力以及大尺度时空的拓扑结构等问题的研究不断深入,广义相对论成为物理研究的重要理论基础。

广义相对论提出以来,预言了水星近日点反常进动、光频引力红移、光线引力偏折以及雷达回波延迟,都被天文观测或实验所证实。关于脉冲双星的观测也提供了有关广义相对论预言存在引力波的有力证据。在水星近日点的进动中,每百年43秒的剩余进动长期无法得到解释,被广义相对论完满地解释清楚了。光线在引力场中的弯曲,广义相对论计算的结果比牛顿理论正好大1倍,爱丁顿和戴森的观测队利用1919529日的日全食进行观测的结果,证实了广义相对论是正确的。按照广义相对论,在引力场中的时钟要变慢,因此从恒星表面射到地球上来的光线,其光谱线会发生红移,这也在很高精度上得到了证实。从此,广义相对论理论的正确性得到了广泛地承认。从1922年开始,研究者们就发现场方程式所得出的解答会是一个膨胀中的宇宙,而爱因斯坦在那时自然也不相信宇宙会涨缩,所以他便在场方程式中加入了一个宇宙常数来使场方程式可以解出一个稳定宇宙的解。

2.3.3 弦理论宇宙模型

宇宙弦理论,也叫宇宙鞭子理论。是近代以及现代的一些科学家在关于宇宙的形成和发展的问题上,引进的假想量理论。就像光线一样,宇宙弦是不存在的。但为了更好地研究和阐释宇宙的各种情况,科学家们利用宇宙的规律,形象地引进了宇宙弦的概念。而宇宙弦理论就是根据这个假想量分析得到的宇宙情况的理论。弦理论是理论物理的一个分支学科,认为自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子,而是很小很小的线状的。弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子,能量与物质是可以转化的,故弦理论并非证明物质不存在。弦论中的弦尺度非常小,操控它们性质的基本原理预言,存在着几种尺度较大的薄膜状物体,后者被简称为。弦论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论。

在弦理论中,基本对象不是占据空间单独一点的基本粒子,而是一维的弦。这些弦可以有端点,或者它们可以自己连接成一个闭合圈环。弦理论中支持一定的振荡模式,或者共振频率,其波长准确地配合。

弦理论的雏形是在1968年由维尼齐亚诺提出。虽然弦理论最开始是要解出强相互作用力的作用模式,但是后来的研究则发现了所有的最基本粒子,包含正反夸克,正反电子,正反中微子等,以及四种基本作用力粒子”(强、弱作用力粒子,电磁力粒子,以及引力粒子),都是由一小段的不停抖动的能量弦线所构成,而各种粒子彼此之间的差异只是这弦线抖动的方式和形状的不同而已。

目前,描述微观世界的量子力学与描述宏观引力的广义相对论在根本上有冲突,广义相对论的平滑时空与微观下时空剧烈的量子涨落相矛盾,这意味着二者不可能都正确,它们不能完整地描述世界。而除了引力之外,量子力学很自然的成功描述了其它三种基本作用力:电磁力、强力和弱力。弦理论也可能是量子引力的解决方案之一。超弦理论还包含了组成物质的基本粒子之一的费米子。至于弦理论能不能成功的解释基于目前物理界已知的所有作用力和物质所组成的宇宙以及应用到黑洞宇宙大爆炸等需要同时用到量子力学与广义相对论的极端情况,这还是未知数。

弦理论认为所有的亚原子粒子都并非是小点,而是类似于橡皮筋的弦。与粒子类型的唯一区别在于弦振动的频率差异。弦理论主要试图解决表面上不兼容的两个主要物理学理论——量子力学和广义相对论。并欲创造性的描述整个宇宙的万物理论。然而这项理论非常难测试,并需要对所描绘的宇宙进行一些调整,也即宇宙一定存在比所知的四维空间更多的时空维度。科学家认为这些隐藏的维度可能卷起到非常小以至于无法发现它们。

弦理论的进步也推动着宇宙弦理论的发展。目前,宇宙弦理论已经有了完整的体系,相关的还有超弦理论大一统理论等。

由于任何弦理论所作出与其它理论都不同的预测均未经实验证实,该理论的正确与否尚待验证。为了看清微粒中弦的本性所需要的能量级,要比目前实验可达到的高出许多。因为弦理论在可预知的未来可能难以被实验证明,一些科学家问,弦理论是否应该被叫做一个科学理论。它现在还不能被证伪,但这也暗示了弦理论更多地被看做建设模型的框架。在同样的形式中,量子场论也是一个框架。

2.3.4 标准宇宙模型

标准宇宙模型是指以弗里德曼宇宙模型为基础,伽莫夫将其运用于早期宇宙演化而形成的一种宇宙模型;标准宇宙模型是一种结合核物理、粒子物理、相对论、量子力学知识对宇宙起源和演化的解释;标准宇宙模型是目前主流的宇宙模型。

标准模型包含费米子及玻色子。费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不兼容原理的粒子;玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不兼容原理。简单来说,费米子就是组成物质的粒子,而玻色子则负责传递各种作用力。

标准宇宙学模型认为宇宙目前正在膨胀。得出宇宙目前正在膨胀的理论基础是从广义相对论的引力方程推导出来的宇宙学方程,观测基础则是哈勃定律。因为宇宙学家认为,哈勃定律中星系的红移是由星系的退行速度产生的多普勒效应产生的,星系的退行速度和距离成正比表明,宇宙目前是在不断膨胀的。哈勃定律的发现虽然迫使爱因斯坦放弃了宇宙学常数和静态宇宙学模型,承认宇宙可能是在膨胀。可是哈勃定律的作者哈勃本人,对哈勃定律可以得出宇宙膨胀这个结论似乎并不认可,因此哈勃在加州理工学院讲课时,闭口不提宇宙膨胀问题。

哈勃之所以怀疑宇宙膨胀的存在,是因为他在得出哈勃定律时,并没有对观测数据进行充分必要的改正。哈勃定律中星系的红移可以精确测定,但星系的距离是利用星系的视亮度和距离平方成反比的关系来得到。如果星系的谱线发生红移,星系的视亮度和距离平方成反比的关系就有问题,因为星系辐射的红移会使星系的视亮度变小,因此星系的视亮度随距离增加而下降的速度要比和距离平方成反比的下降还要快。因此要正确建立星系的红移和距离的关系,就要对用来确定星系距离的星系视亮度进行必要的改正,天文学中把这种对星系视亮度的改正称之为K-改正。哈勃发现,不做K-改正结果还好,进行了K-改正后,星系的红移和距离的关系反而不是成正比关系。

虽然现在宇宙学家认为,让哈勃感到困惑的原因是他在进行K-改正时假设的星系光谱不准确,观测时用的定标星等也不太准确,因此导致距离测定的不准确。实际上天体距离的测定一直是宇宙学研究中的一个难题。由于天体距离的确定标尺变化,哈勃常数的数值也一直在变化。有些天文学家认为,天体距离的测定难题现在已经可以解决,但实际上问题并没有那么简单。1998年以后所谓宇宙正在加速膨胀现象的发现,导致维护标准宇宙学模型的天文学家认为宇宙中存在暗能量。但也有些天文学家就认为,导致宇宙加速膨胀这个结论的关键也是天体距离测定的精确度问题。宇宙学研究中天体距离的准确地确定仍然是一个没有完全解决的难题。

2.3.5 大爆炸宇宙模型

大爆炸宇宙论认为宇宙是由一个致密炽热的奇点于138亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。1927年,比利时天文学家和宇宙学家勒梅特首次提出了宇宙大爆炸假说。1929年,美国天文学家哈勃根据假说提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律,并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。

大爆炸宇宙论认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里,宇宙体系在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化,如同一次规模巨大的爆炸。1946年美国物理学家伽莫夫正式提出大爆炸理论。20世纪末,对Ia超新星的观测显示,宇宙正在加速膨胀,因为宇宙可能大部分由暗能量组成。

爆炸之初,物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀,导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却,逐步形成原子、原子核、分子,并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云,星云进一步形成各种各样的恒星和星系,最终形成如今所看到的宇宙。

大爆炸理论的建立基于了两个基本假设:物理定律的普适性和宇宙学原理。宇宙学原理是指在大尺度上宇宙是均匀且各向同性的。这些观点起初是作为先验的公理被引入的,现今已有相关研究工作试图对它们进行验证。例如对第一个假设而言,已有实验证实在宇宙诞生以来的绝大多数时间内,精细结构常数的相对误差值不会超过10-5。此外,通过对太阳系和双星系统的观测,广义相对论已经得到了非常精确的实验验证;而在更广阔的宇宙学尺度上,大爆炸理论在多个方面取得的成功也是对广义相对论的有力支持。

假设从地球上看大尺度宇宙是各向同性的,宇宙学原理可以从一个更简单的哥白尼原理中导出。哥白尼原理是指不存在一个受偏好的观测者或观测位置。

大爆炸提出的初始阶段,西方科学界普遍坚持宇宙和物质是恒定不变、无始无终的。因此对于所有涉及说宇宙和万物都有一个起点的理论一概不予承认。爱因斯坦在总结引力场方程时发现公式将推导出宇宙其实是一个有着从未停止的物质变化的动态宇宙,于是在该公式中又强加了一个宇宙常数,以维持静态宇宙的计算结果。

1922年,美国天文学家埃德温·哈勃观测到红移现象后,宇宙膨胀的观点开始形成。1929年,埃德温·哈勃总认为不管你往哪个方向看,远处的星系正急速地远离地球而去,而近处的星系正在向地球逐渐靠近。换言之,宇宙正在不断膨胀。这意味着,在早先星体相互之间更加靠近。事实上,似乎在大约100亿年至200亿年之前的某一时刻,它们刚好在同一地方,所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻,当时宇宙处于一个密度无限的奇点。

1948年前后,伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是发生在一个确定的点,然后向四周传播开去的那种爆炸,而是一种在各处同时发生,从一开始就充满整个空间的那种爆炸,爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。

根据大爆炸宇宙论,早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体,温度极高,密度极大,且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志,因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低,使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。

1964年,美国贝尔电话公司的彭齐亚斯和威尔逊,在调试巨大的喇叭形天线时,出乎意料地接收到一种无线电干扰噪声,各个方向上信号的强度都一样,而且历时数月而无变化。他们把天线拆开重新组装,依然接收到那种无法解释的噪声。这种噪声的波长在微波波段,对应于有效温度为3.5K的黑体辐射出的电磁波(它的谱与达到某种热平衡态的熔炉内的发光情况精确相符,这种辐射就是物理学家所熟知的黑体辐射)。他们分析后认为,这种噪声肯定不是来自人造卫星,也不可能来自太阳、银河系或某个河外星系射电源,因为在转动天线时,噪声强度始终不变。后来,经过进一步测量和计算。得出辐射温度是2.7K,一般称之为3K宇宙微波背景辐射。这一发现,使许多从事大爆炸宇宙论研究的科学家们获得了极大的鼓舞。因为彭齐亚斯和威尔逊等人的观测竟与理论预言的温度如此接近,正是对宇宙大爆炸论的一个非常有力的支持。这是继1929年哈勃发现星系谱线红移后的又一个重大的天文发现。宇宙微波背景辐射的发现,为观测宇宙开辟了一个新领域,也为各种宇宙模型提供了一个新的观测验证,它因此被列为20世纪60年代天文学四大发现之一。

知道某时刻的热辐射温度,由热大爆炸理论很容易计算出宇宙诞生后约1秒时各处的温度约为100亿度,这对现有的原子核的合成来说也是太高了。那时物质必定被撕裂成最基本的成分,诸如质子、中子和电子等。但是,随着变冷,核反应就可能出现了。采用大爆炸模型可以计算氦-4、氦-3、氘和锂-7等轻元素相对普通氢元素在宇宙中所占含量的比例。所有这些轻元素的丰度都取决于一个参数,即早期宇宙中光子与重子的比例,而这个参数的计算与微波背景辐射涨落的具体细节无关。大爆炸理论所推测的轻元素比例(这里是元素的总质量之比而非数量之比)大约为:氦-4/=0.25,氘/=10-3,氦-3/=10-4,锂-7/=10-7。实际测量到的各种轻元素丰度和从光子重子比例推算出的理论值加以比较,可以发现它们是粗略符合的。其中理论值和测量值符合最好的是氘元素,氦-4的理论值和测量值接近但仍有差别,锂-7则是差了两倍,对于后两种元素的测算存在着较大的系统随机误差。尽管如此,大爆炸核合成理论所预言的轻元素丰度与实际观测可以认为是基本符合,这是对大爆炸理论的强有力支持。到目前为止,还没有其它理论能够很好地解释并给出这些轻元素的相对丰度。同时,由大爆炸理论所预言的宇宙,其中可被调控的氦元素含量为现有丰度的20%30%。事实上,很多观测结果现今也只有大爆炸理论可以解释,例如为什么早期宇宙中氦的丰度要高于氘,而氘的含量又要高于氦-3,而且比例又是常数等。

2014317日美国物理学家宣布,首次发现了宇宙原初引力波存在的直接证据。原初引力波是爱因斯坦于1916年发表的广义相对论中提出的,它是宇宙诞生之初产生的一种时空波动,随着宇宙的演化而被削弱。科学家认为原初引力波如同创世纪大爆炸的余响 原初引力波可以帮助人们追溯到宇宙创生之初的一段极其短暂的急剧膨胀时期,即所谓暴涨。然而,广义相对论提出近百年来,源于它的其它重要预言如光线弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应等都被一一证实,而引力波却始终未被直接探测到,问题就在于其信号极其微弱,技术上很难测量。美国哈佛-史密森天体物理学中心等机构物理学家利用架设在南极的BICEP2望远镜,观测宇宙大爆炸的余烬”——微波背景辐射。微波背景辐射是由弥漫在宇宙空间中的微波背景光子形成的,计算表明,原初引力波作用到微波背景光子,会产生一种叫做B模式的特殊偏振模式,其它形式的扰动,都产生不了这种B模式偏振,因此B模式偏振成为原初引力波的独特印记。观测到B模式偏振即意味着引力波的存在。南极是地球上观测微波背景辐射的最佳地点之一。研究人员在这里发现了比预想中强烈得多B模式偏振信号,随后经过3年多分析,排除了其它可能的来源,确认它就是原初引力波导致的。2016年年初,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)和欧洲引力波天文台(VIRGO)的科学家联合宣布,他们探测到了两个约为30倍太阳质量的黑洞在13亿年前的并合产生的引力波,这一发现被称为世纪发现

然而,对于大爆炸后最初的几分钟,相关的观测严重缺乏,最早期宇宙物质——能量的实际形式很大程度上仍只是猜测。大一统理论预测了特定类型的粒子,而超弦、超对称、超引力以及其它多维理论都预测了各自原初粒子及作用力。物质对反物质的绝对优势也是一个需要透彻说明的经验性事实。

2.3.6 等级式宇宙模型

等级式宇宙模型是法国天文学家沃库勒等倡导的一种宇宙学说。这种学说认为宇宙在结构上是分层次的,如恒星、星系、星系团、超星系团以至更大的集团。

随着尺度的变化,集团的性质也在变化。所谓宇宙的均匀性与各向同性,对不同层次有不同涵义。十八世纪中期,德国物理学家朗伯特曾提出过天体逐级成团分布的概念。他把太阳系叫作第一级,第二级是比太阳系大得多的所谓星团,第三级是银河系。1908年瑞典天文学家沙利叶提出了等级式宇宙模型,并且指出,根据这种模型可以克服奥伯斯佯谬的困难,即当第n+1级与n级的半径比大于n+1级所包含的n级天体的个数的平方根时天体到达地面的总光通量就是有限的,或者说远处天体对光通量的贡献可以是任意小的数值,因而不会发生黑夜和白天一样亮的所谓奥伯斯佯谬现象。

由现代观测知道天体的分布是成团的。星系计数现可达 100兆秒差距范围。沃库勒认为即使在这样大的尺度,天体分布的起伏也不是随机性的,而是存在更高级的团聚现象。他不同意宇宙学原理认为宇宙在大尺度上是均匀的和各向同性的。既然在直到目前星系计数所及的尺度上,星系的分布都有明显的非随机成团现象,不能设想一旦大于这一计数的总尺度,成团性就会消失而表现为均匀分布。根据等级式宇宙模型推出,平均密度随观测距离加大而减小,这已为20多个量级的半径范围和45个量级的密度范围的观测资料所证实,不能设想一旦超过这个范围,这种关系就不复存在而代之以某一均匀密度。沃库勒认为宇宙学原理是由于美学上的偏见和数学上的简化而提出来的。如果天体分布是成团的,则宇宙膨胀要受这种成团影响而出现起伏,哈勃常数要因不同密度的起伏而改变,因而宇宙模型不能作统一处理。

等级式宇宙模型目前还没有精确的数学表述和确切的理论预言,兹威基和奥尔特等许多人也不同意沃库勒的结论。他们认为成团性终止于星系团一级,至多终止于超星系团一级。

2.3.7 稳恒态宇宙模型

1948 年英国邦迪,霍伊尔和戈尔德等人提出完全宇宙学原理,即宇宙在空间上均匀各向同性,在时间上稳恒不变;宇宙各处不断从虚无中产生物质,以保证宇宙膨胀中物质密度维持不变。克服了宇宙年龄困难和光度徉谬。哈勃常数不仅对空间各点是常数,而且不随时间变化。所以宇宙空间的膨胀在时间和空间上都是均匀的。宇宙空间在膨胀,而物质的分布又与时间无关,这样就必须有物质不断产生出来以填补真空,也就是填补宇宙膨胀所产生出来的空间。通过完全宇宙学原理和爱因斯坦场方程可以求出宇宙的时空结构,可以得到宇宙的三维曲率为零,也就是三维空间是平直的。

物质不断地产生在理论上违背了物质守恒定律,更缺乏物质产生的具体途径和机制;在观测上得不到星系、射电源计数的支持,也无法解释背景辐射和元素丰度等事实。这条原理必须承认标准大爆炸模型,假若宇宙以一种极不规则的方式演化,即不会有生命及人类进化出现了,其无法承载所有物理定律。

2.4小结

人类对宇宙的观测不断进步,时空观也得到不断发展,新的宇宙模型不断出现,各种宇宙模型均有其合理性,并且也得到了不断地发展。然而,仍没有一个较为完善的宇宙模型令众人信服。因此,宇宙模型仍需要不断发展与完善。

3暗物质

3.1引言

当观测星空时,天文学家发现宇宙中的河系有不正常聚集的现象,而这种聚集程度远超过万有引力系数。参与这种万有引力的物质不与电磁波产生任何耦合,因此被命名为暗物质。

暗物质粒子的探测目前是国际科学前沿竞争最为激烈的研究领域,全世界的科学家都在不遗余力地寻找暗物质、暗能量及其隐藏的巨大科学宝藏。可到目前为止,人们找到的还都只是一些疑似证据。人类还没有找到它,也不知道其质量、性质,不能用物理学标准模型去解释。

宇宙中暗物质质量是可见物质(可发光物质)质量的5~6倍。暗物质无法用任何光学或电磁观测设备直接到。由于暗物质之间以及暗物质与可见物质之间存在着引力作用,暗物质播下了宇宙丝状结构的种子,随后可见物质才聚集在一些由暗物质建立起来的引力点上,并最终形成了星系。科学界公认,揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大飞跃,将带来物理学的又一次革命。

3.2 暗物质发现历程

1933年,加州理工大学的瑞士天文学家茨威基在研究星系团时发现了奇怪的现象:星系相对于星系团中心的运动速度似乎太快了。星系团是星系的集合体,可以包含数百个明亮的星系,这些星系由共同的引力场束缚。茨威基研究的星系团被称作后发座星系团,距离银河系3亿光年。茨威基的同事史密斯用当时世界上最好的望远镜收集了星系团中成员星系的速度。利用引力理论,天文学家可以通过星系的运动速度推断星系团的总质量,星系的运动速度越快,说明束缚它们的引力场越强大,也就意味着星系团的总质量越大。而茨威基通过星系速度推断出星系团质量显得太大了,要比星系的质量多出几百倍。茨威基很快将星系团中隐藏的质量命名为暗物质。但由于缺乏其它的独立观测证据,在之后的三十年里,暗物质的概念不时被人提起,却又没有人认真对待。

1960年后,一个证据来自临近宇宙中的漩涡星系。长缝光谱仪的发展使得天文学家可以一次拍摄河外星系不同区域的恒星轨道运动速度,也就是所谓的星系旋转曲线。与星系团中的星系运动同理,星系中恒星的轨道运动越快,意味着星系质量越大。美国卡内基研究所的鲁宾(Rubin)和福特(Ford)在此后的十年间系统地调查了近邻星系的旋转曲线。研究结果表明所有的旋臂星系外围的恒星似乎都转得太快了,如果星系主要的质量只来自可见物质,那么这些星系外围的恒星应该早已逃逸而去。这些近邻的漩涡星系中至少应该包含比可见物质多6倍的暗物质,才能解释观测的旋转曲线。

有人认为恒星远没有用尽宇宙中的氢氦元素,星系中可能存在大量这样的气体,不少人猜测也许它们的质量足以束缚星系外围的恒星,使得它们在星系中无法逃离出去。然而在20世纪70年代,星系团的观测有了新的进展。人们观测到星系团中的气体。这些气体的温度非常高,这使得它们可以发出X-ray辐射。通过X-ray卫星观测,人们就可以估计星系团中气体的质量,而这一质量惊人地达到了恒星质量的5倍。但这些新发现的气体并不能解释消失的质量。事实上,热气体的发现反而加剧了质量缺失问题,因为这些气体温度太高了,如果没有强大的引力势阱束缚,这些气体就会在很短的时间里从星系团中逃逸殆尽。而束缚这些气体所需要的物质量,又是这些热气体气体质量的10倍左右。

3.1 数据合成的子弹星系团的图像

3.1为子弹星系团是宇宙中一大一小两个星系团相撞后留下的混合体(1E0657-558)。因为这个星系团就像一颗子弹从较大的星系中贯穿而过。不过,通常还是习惯将相撞后的两个星系共称为子弹星系团。通过分析子弹星系团产生的引力透镜效应,发现了其中暗物质存在的有力证据。该图综合利用了哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台和大麦哲伦望远镜所收集的数据合成的子弹星系团的图像。

3.2合并的星系团

3.2为一个合并的星系团,从引力信号中分离出一种不同的X射线气体,但这是意料之中的,因为这个星系团处于合并的不同阶段,而且仍然存在偏移。一组系统的观察和分析表明,可见物质团不足以解释观测到的效应。而且这一特征被大量的其它碰撞的星团所证明,并表现出同样的效果。

3.3 四个相互碰撞的星系团

3.3为四个相互碰撞的星系团,显示X射线和万有引力产生了分离,这表明存在暗物质。在适当的条件下,引力会表现出非局部的影响。

3.4 团簇和星系团对其背后的光和物质产生引力作用

3.4为由于微弱的引力透镜效应,团簇和星系团对其背后的光和物质产生弯曲作用。这使质量分布能够被重建,它应该与观测的物质相一致。如果有两个星系团碰撞后,大部分的物质都位于碰撞发生的中心区域,但是大部分的引力作用都集中在其它地方,这表明引力和质量的位置无法重合。事实上,星系群中所看到的正常物质的位置与引力透镜所观测质量的位置并不完全一致。

3.5 预测宇宙中暗物质的分布    3.6恒星质量的组合

3.5为预测宇宙中暗物质的分布。从哈勃太空望远镜观测到的背景星系的微弱扭曲现象中推断出暗物质的密度。图3.6为将哈勃太空望远镜与X射线卫星观测得到的星系内恒星质量进行组合,揭示出重子物质的等值图。这种现象的原因有两种解释,一种是引力作用于非局部,另一种是存在一些看不见的质量形式——暗物质。有一个简单的方法可以区分二者:可以观测没有在碰撞过程中的星系团,或者两个相互靠近却未合并的星系团。如果暗物质是正确的解释,引力透镜信号所追踪的物质分布应该是局部的。但如果非局部引力是答案,那么引力效应就应该在物质不存在的地方。

3.7 星系群从引力透镜中重建的质量

3.7为星系群从引力透镜中重建的质量,点为显示观测到的星系。当星系团静止时,没有物质与引力的分离。当星系团不受干扰时,引力效应就位于物质分布的地方。只有在碰撞或相互作用发生后,才会看到一个非局部的效应。这表明在碰撞过程中发生了一些事情,从看到的引力效应中分离出正常物质。非局部引力会使观察到的物质与引力不能同时匹配,采用暗物质才能合理解释这种现象。

星系团热气体的发现促使科学家们严肃考虑暗物质粒子。这些不可见物质并不是原子、分子等可见物质所构成的可见物质,而是另一种不在标准模型中的基本粒子。这种暗物质不发光(电磁波),但可以通过暗物质的引力效应观测到它。利用引力透镜效应可以绘制暗物质在宇宙中的分布。

3.3 暗物质分布

20164月,一个由多个研究所组成的研究小组,包括日本国立天文台和东京大学,根据最新获得的影像资料,在斯巴鲁望远镜上以新获得的影像资料,发布了一幅前所未有的宽而精确的暗物质图。暗物质分布由弱引力透镜技术估计(见图3.8)。研究小组找到暗物质光环的位置和透镜信号,并发现有迹象表明,光环的数量可能与最简单的宇宙模型所暗示的不一致。

3.8 二维暗物质图

暗物质集中在稠密的团块中,可以识别大量的暗物质晕,图中显示的面积约为30平方度(这一次共观测到160平方度)。这只是计划的最终地图的11%,但这已经是空前的宽度。从未有过如此清晰的暗物质地图覆盖如此广阔的区域。影像学观察是通过五个不同的滤色器进行的。通过将这些颜色数据结合起来,可以粗略地估计到微弱的背景星系的距离。与此同时,透镜在距离遥远的星系和观测者之间的位置时,透镜效应最为显著。

空前广泛而精确的暗物质地图

3.9暗物质晕的位置

3.9为通过微弱的引力透镜技术探测到暗物质晕位置的Hyper Suprime-Cam图像,这个光环如此巨大,以至于一些背景的星系围绕着光环的中心展开。利用这种分组的星系样本,利用层析成像方法重建暗物质分布,从而获得三维分布。

日本国立天文台参加的一个研究小组对美国夏威夷岛望远镜拍摄的星系团图像进行分析后确认,暗物质在星系团中呈扁平状分布。根据传统理论,在由约1000个星系组成的银河系里存在着大量暗物质,但是这些暗物质并没有均匀分布。基本上哪里有可见物质(星系)哪里就有暗物质。从小尺度上看,暗物质分布处处不同。暗物质是成团的,被称作暗晕。星系形成在暗晕中。从极大尺度上看,宇宙不同地方的暗物质结构的统计性质几乎一样,是均匀各向同性的。

3.4 暗物质候选者

目前,粒子物理的标准模型里面不存在这么一种粒子符合暗物质的特征,如果暗物质是粒子,就只能从超出标准模型的物理理论里面去寻找,当然,这些理论都是没有经过验证的,只有实验才能对这些理论是否正确进行判断。目前,关于暗物质本质有种种假说,每一种都有其自己的合理性,有五种热门的暗物质候选者。

3.4.1 弱相互作用重粒子

弱相互作用重粒子(Weakly Interacting Massive Particles,简称WIMPs)是最热门的候选者。粒子只通过弱核力和引力产生相互作用,或者粒子的相互作用截面小于弱核力作用截面;与普通粒子相比质量较大。由于它们不参与电磁力作用,因此无法被直接探测到;由于它们不参与强核力作用,因此它们基本上与可见物质不发生相互作用;由于它们较大的质量,运动的速度相对缓慢,因而能够成团聚集。根据以上特点,WIMPs被认为是最有可能的冷暗物质候选者。现在很多实验正在寻找在理论上的WIMPs粒子,各个实验在地下的那些定做的设备全都等着一颗大质量弱相互作用粒子撞击原子核并引起一次反弹的时刻的到来。这样的实验必须在地下进行,以防止宇宙射线干扰结果。然而对WIMPs的探测却极其让人失望,迄今为止并没有探测到这种粒子的存在。

3.4.2 轴子

轴子是一种非常轻且运动也非常慢的粒子。它们本来是为了解释强相互作用中的电荷宇称守恒问题而提出的,但是如果它们的质量在某个区间内,就是非常好的暗物质候选者。它们和可见物质有微弱的相互作用。如果探测到这种奇异的闪光,有可能证实其存在。和WIMPs一样,轴子是可能在地球上进行探测的。轴子是超正负电子对撞后的一种次级粒子,也是在玻色子能级的衍射+辐射能量丢失逃逸极化的斥力子。轴子以一种能量轴线延一维度时间空间做线性跃迁角动量运动,轴子也可以理解为磁单极粒子的轨迹跃迁的物理测量观测。轴子的本征态强关联着暗物质粒子。轴子的推斥力单极特性决定了它只能做一维度线性方程的斥力运动,所以轴子的概念强关联着磁单极粒子中微子粒子暗物质粒子斥力子的统称。轴子在大统一理论中起重要作用。轴子间通过极微小的力相互作用,轴子以一种极短的极化短波做推力,由此它无法处于热平衡状态,因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中,轴子处于低温玻色子凝聚状态。目前,轴子探测器已经建造完成,探测工作正在进行。

3.4.3 晕族大质量致密天体

晕族大质量致密天体(MAssive Compact Halo Objects,简称 MACHOs),又名大质量致密晕天体。MACHOs通过与其它天体的引力透镜作用就可以被间接探测到。20世纪80年代,普林斯顿大学的波兰天文学家帕琴斯基讨论了银河系晕中不发光的暗天体作为微引力透镜的可能性,认为它们有很高的几率被观测到。这些天体叫做MACHOs1996年,美澳MACHO计划小组发现银河系晕的大部分含有MACHOs,有力证据来自对7个新的大质量晕天体的发现。并对大麦哲伦云引力透镜效应,来确定这些幽灵天体的性质。这些MACHOs的质量从0.1太阳质量到1个太阳质量不等。这些小组已排除了用MACHOs解释暗物质,大量的这类天体的质量在0.00000001个太阳质量到100个太阳质量之间。这表明MACHOs可能是白矮星或红矮星,或其它类似的天体。不过白矮星或红矮星并不是完全黑暗的,它们也能发一些很弱的光。据使用哈勃太空望远镜(HST)的近红外线照相机和多目标分光仪(NICMOS)观察,只有不到1%的银河系晕是由红矮星组成。只能对应暗物质晕的一个微不足道的小部分,所以失踪物质的问题仍然不能完全由MACHOs解决。

3.4.4 KK粒子

KK粒子(Kaluza-Klein)是由同名的物理理论所预言的一种粒子。在量子力学尚未完全建立的1921年,为了统一电磁力和引力,可普查引入了额外维的想法。在很多额外维模型中,平常的3+1维时空被称为膜,它被嵌入在3+δ+1维的被称为bulk的时空中。额外维被卷缩在很小的尺度而感受不到,甚至现在的高能物理实验也远不能探测到,但通过量子效应,额外维会对宇宙产生影响。在很多额外维模型中,标准模型粒子被束缚在膜上,只有引力子可以不受膜的束缚在bulk中传播。而在普遍的额外维模型(UEDuniversal extra dimensions)中如果额外维很小,所有的场都可以自由地在bulk中传播。

这种理论认为空间有额外的维度并且在每个时空点卷曲了起来。KK粒子的质量大约是550650个质子那么重,它们能够和可见物质发生引力和电磁相互作用,但是由于它们藏在卷曲的额外空间维度里面,所以在太空中看不到它。所幸的是,它能够衰变成所能观测到的粒子。但是现在的大型对撞机实验还没有找到这方面的迹象。

3.4.5 超引力子

超引力子又称引力微子,是费米子。超引力子目前还是一种假想粒子,不过各种各样的粒子撞击器仍在探寻超对称粒子,包括引力微子。这是广义相对论和尚未被实验验证的超对称理论所结合的一种产物。根据超对称理论,所有的已知粒子都有其超对称的对应粒子,其自旋相差1/2。超引力子是假设中的引力子的超对称伙伴。在某些超对称理论当中,超引力子是最轻的超对称粒子,可能是暗物质的候选者。

3.5 探测手段

目前世界上对暗物质的探测可分成直接,间接和加速器三个方面。直接探测放在很深的地下,以屏蔽干扰。间接探测可以在地面,也可以在太空。探测的对象是暗物质粒子与物质作用产生的信号,或是湮灭产生的次级粒子信号。

3.5.1 直接探测

如果银河系晕中含有WIMPs,那么地球表面每平方厘米在每一秒钟都会有数百乃至数千个WIMPs穿过,所以,探测这些WIMPs是暗物质存在最有说服力的证据。WIMPs在穿过地球时,有一定的概率与地球上的原子发生弹性碰撞,从而引起原子的反冲,地基试验可以探测这种反冲信号,进而确认WIMPs的存在。但是,因为WIMPs与可见物质的相互作用极弱,想要获得这种信号非常困难。

地基探测试验设备都被深埋在底下,从而可以最大程度地降低宇宙线等其它粒子与原子碰撞作用信号的干扰。当前主要的探测技术有两种:低温探测器,工作在100mK以下的探测器,探测WIMPs碰撞晶体如锗等时产生的热量;诺布尔液体(Nobleliquid)探测器,探测WIMPs碰撞液态氙或氩引起的闪光。

3.5.2 间接探测

如果WIMPs被宇宙天体俘获湮灭产生等次级粒子,这样可以通过连续谱的截断来寻找暗物质。间接法就是通过探测这些次级粒子来确认WIMPs的。一种有效的方法是通过探测在太空中湮没粒子所产生的单能峰或e能谱边缘来识别WIMPs

3.6 小结

(1) 从极大尺度上看,宇宙不同地方的暗物质结构的统计性质几乎一样,是均匀各向同性的。从小尺度上看,暗物质分布处处不同。暗物质是成团的,隐藏在星系的暗晕中。

(2) 暗物质具有一定质量,而质量极小,且电中性。暗物质质量分布与可见物质分布相一致。暗物质具有粒子性,在宇宙中占绝大多数的物质含量。

(3) 暗物质不发光、不能用电磁波探测。但暗物质具有引力效应,其分布规律与引力场的分布规律完全相同,不同的可见物质与相同的暗物质的引力效应可能是万有引力的源泉。

(4) 各种暗物质候选者均有一定的合理性,但都还仅仅是候选者。无论是直接探测还是间接探测,目前仍没有捕捉到暗物质。暗物质在宇宙中普遍存在,并远远的超过可见物质,然而仍无法探测到,应该思考其原因并重新审视暗物质的构成。


4 暗物质与场

4.1引言

宇宙之所以有序运转,一切皆因万有引力。如果失去万有引力,宇宙将陷于极度混沌状态,更不会有生命的存在。因此,要了解宇宙的过去、现在与未来,首先要了解万有引力规律。

一百多年来,多种场论被提出,并试图找到场物质粒子,遗憾的是迄今尚未实现。另外,一些学者也试图将暗物质与场物质统一,然而仍未实现。

在过去的十年里,通过精确的宇宙观察得到了令人惊讶的宇宙模型:暗物质约为可见物质的5倍(目前采用引力透镜的方法,探测的是暗物质的密度变化规律,而暗物质的实际占比可能远高于目前所探测的比例),暗物质是宇宙质量的主导形式。迄今,通过数值模拟和引力透镜观测能精确地确定暗物质分布,并且粒子物理学家已经提出了十几种可能的暗物质候选者。几十年来,捕获暗物质和实现场论统一都一直是物理学家的最大愿望,然而物理学家们依旧两手空空。

2000年至2002年,高级薄电离量能器(Advanced Thin Ionization Calorimeter,简称ATIC)的研究人员观测到210个电子和正电子,这比预期多70个,这些被认为是由暗物质所产生的。天体物理学家认为两个暗物质碰撞会湮灭而产生正负电子。与物质反物质探索和轻核天体物理研究有效载荷(Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-Nuclei Astrophysics,简称PAMELA)的研究小组所发现的一样,暗物质的湮灭应产生等量的电子和正电子。Cho认为PAMELA观测到的是正负电子对产生的起始阶段,而ATIC是观测到了整个碰撞的过程;一些理论物理学家认为ATICPAMELA观测的数据是完全兼容的对于ATICPAMELA观测到的电子和正电子流,J Chang等人也认为暗物质的湮灭可以解释这种现象。冷暗物质探测II (Cryogenic Dark Matter Search II,简称CDMS II)合作组的研究表明暗物质的候选者具有电离的特性。总之,已经有大量的实验研究表明在真空中可以生成正负电子对,并且正负电子对可以湮灭消失,这表明暗物质粒子可能是一种包含正负电子的稳定粒子。而在一定条件下正负电子对够湮灭释放出能量,形成能量较低且稳定的暗物质粒子;在一定的条件下,暗物质粒子吸收足够的能量而电离成正负电子对。幸运的是,大量的正负电子对产生与湮灭的相关实验已经被完成,从本质上来看,已经捕捉到了暗物质粒子。

暗物质好似在宇宙中纵横交错编织了一张巨大而看不见的网,被认为是促成星系、恒星和行星产生的原因,主导了宇宙结构的形成。因此在天文学和物理学家眼中,对暗物质的认识每前进一小步,都意味着对宇宙未知领域探索迈出一大步。暗物质以粒子形式存在,暗物质粒子是连接星系-行星的谱带,暗物质粒子是可被极化的磁极子粒子,暗物质粒子也具有传递能量的粒子效应。

总之,暗物质可以与不同可见物质相互作用,是物质间万有引力的传递桥梁,并能够合理解释万有引力超距作用,也是场物质的实体化、粒子化体现。

4.2 EPDs模型

暗物质已知特性包括:具有质量;连接星系的谱带具有万有引力特征;具有粒子性;可被极化;具有传递能量的粒子效应;分布规律与引力场分布规律相同;⑧湮灭产生等量的电子和正电子。

真空中能电离出正负电子对,正负电子对结合消失在真空中。物质不能创生,也不能消失;同样,电荷不能创生,也不能消失。光子内并不含有正负电子,光子本身不能电离成正负电子对,正负电子对结合也不能生产光子。其本质是真空中暗物质粒子一次性接收较高光能电离成正负电子对,正负电子对结合释放较高光能并形成能量极低、极其稳定且难以观测的暗物质粒子,因此建立暗物质电子偶模型。

4.2.1模型建立

4.1 EPDs模型示意图

4.1为暗物质的电子偶(Electron-Positron Dipoles,简称EPDs)模型示意图,一个EPD中含有一个电子e-和一个正电子e+,电子和正电子相互作用,不停地围绕共同的中心O做圆周运动,在一般的情况下,EPDs既不显电性也不显磁性。暗物质可能由多种物质构成,但主要成分为EPDs,且暗物质的各种性能由EPDs所主导。

EPDs之间不断相互作用,运动和分布状态不断发生变化。EPDs之间的相互作用都是瞬时作用,相互的空间关系不断改变。在一瞬间,EPDse-e+在一个平面内运动。由于EPDs之间的相互作用,运动状态不断变化,e-e+可以运动到球面内任何的位置。与氢原子类似,EPDs为球状电子云,EPDs宏观上表现为球形。

在一定的条件下,正负电子对能够生成EPDsEPDs也能够电离分解成正负电子对。

4.2.2 EPDs之间的相互作用

在一般情况下,EPDs的正负电子对称分布,是电中性、无磁性粒子。当无可见物质时,EPDs将均匀分布。EPDs由于相互间不停地相互作用,因此整体来看,EPDs为一个球形结构。然而在任意瞬间,EPDs为平面结构。因此,从本质上来看,通过投影,在任意瞬间的力主要有3种形式,①EPDs在同一个平面内运动;②EPDs在垂直平面内运动;③EPDs在两个相互平行平面内运动。

4.2 同平面内运动

两个EPDs在同平面内运动(见图4.2),此时二者之间存在瞬时库仑力、瞬时洛伦兹力。瞬时库仑力和瞬时洛伦兹力既同时存在吸引力,也存在推斥力。每个EPDs不断受到周围EPDs的瞬时库仑力、瞬时洛伦兹力。各种分布状态的概率都是相同的,而总体上看,吸引力和推斥力是相互平衡的。

4.3 两个垂直平面内运动

两个EPDs在垂直平面内运动(见图4.3),此时二者之间主要表现为瞬时库仑力。瞬时库仑力既同时存在吸引力,也存在推斥力。每个EPDs不断受到周围EPDs的瞬时库仑力。各种分布状态的概率都是相同的,而总体上看,吸引力和推斥力是相互平衡的。

4.4 两个平行平面内运动

两个EPDs在两个平行平面内运动(见图4.4),此时二者之间存在瞬时库仑力、瞬时洛伦兹力。瞬时库仑力和瞬时洛伦兹力既同时存在吸引力,也存在推斥力。每个EPDs不断受到周围EPDs的瞬时库仑力、瞬时洛伦兹力。各种分布状态的概率都是相同的,而总体上看,吸引力和推斥力是相互平衡的。

由于EPDs的电性分布不均匀,一端带正电,一端带负电,形成偶极。因此,当两个EPDs相互接近时,由于它们偶极的同极相斥,异极相吸。将影响EPDs的转动,这种作用使EPDs有异极相对、同极相背的趋势,就形成了瞬时取向力。瞬时取向力明显表现为吸引力,但各种分布状态的概率都是相同的,而总体上看,吸引力和推斥力是相互平衡的。

4.5 EPDs瞬时振荡

4.6 EPDs相互诱导

如图4.5所示,EPDse-e+围绕共同的中心旋转。然而,EPDs不断受到作用而使其产生变形,使EPDs的正负电子之间出现瞬时相对位移,e-e+的运动中心开始远离,电偶极距增大。e-e+的相互作用,会使e-e+恢复到原来的状态,就形成了瞬时振荡EPDsEPDs会与周围的EPDs相互作用,释放能量,恢复到原始运动状态,而会诱导周围EPDs成为瞬时振荡EPDs(见图4.6)EPDs通过相互诱导进行能量交换。这种诱导力同时表现为吸引力和推斥力。EPDs之间的相互诱导是短暂的,但却不断地频繁发生,不断重复。瞬时诱导力既同时存在吸引力,也存在推斥力,明显表现为吸引力,但各种分布状态的概率都是相同的,而总体上看,吸引力和推斥力是相互平衡的。

EPDs之间的作用力包括瞬时库仑力、瞬时洛伦兹力、瞬时取向力和瞬时诱导力。这四种力均同时表现为吸引力和推斥力,即EPDs之间同时存在吸引力和推斥力,吸引力和推斥力均随着EPDs的间距增大而减小,随着EPDs的间距减小而增大。当EPDs密度变化时,推斥力变化较快,EPDs在一定密度时,吸引力和推斥力达到平衡状态。

总之,EPDs间同时存在吸引力和推斥力。当EPDs处于任何一个稳定的平衡状态时,吸引力与推斥力平衡,此时的间距为平衡间距;当EPDs间距小于平衡间距时,吸引力与推斥力均提高,而推斥力提高较快,需要外界施压等手段才能形成一个新的平衡;当EPDs间距大于平衡间距时,吸引力与推斥力均减小,而推斥力降低较快,需要外界提供空间等手段才能形成一个新的平衡。因此,EPDs间距大于平衡位置时显现为吸引力,间距小于平衡位置显现为推斥力。而这里的平衡态,都是暂时的,一旦边界条件或内部条件变化,都会形成一个新的平衡态。

4.2.3 EPDs与可见物质的相互作用

EPDs电中性且十分小,因此EPDs可以渗透到原子内部。相对于EPDs,可见物质的核外电子以及原子核都是单独存在的。同样,EPDs与可见物质之间的作用有瞬时库仑力和瞬时洛伦兹力,瞬时库仑力和瞬时洛伦兹力同时存在吸引力和推斥力。EPDs不断受到瞬时库仑力、瞬时洛伦兹力,各种分布状态的概率都是相同的,而总体上看,吸引力和推斥力是相互平衡的。

由于EPDs的电性分布不均匀,一端带正电,一端带负电,形成偶极。当与核外电子或原子核接近时,e+的一侧总有靠近核外电子和远离质子的趋势,e-的一侧总有远离核外电子和靠近质子的趋势。这种异极相对和同极相背的趋势就形成了瞬时取向力。各种分布状态的概率都是相同的,而总体上看,吸引力和推斥力是相互平衡的。然而,与EPDs相比,可见物质的原子大得多,在某一瞬间,EPDs主要与单一种类电荷作用,因此这种瞬时取向力总是表现为可见物质对EPDs的吸引,使EPDs在可见物质的原子(包括原子内部)附近很难逃脱。

EPDs与可见物质的原子不断相互作用,相互诱导并交换能量。EPDs能够不断诱导核外电子跃迁到其它轨道,核外电子不断诱导EPDs成为瞬时振荡EPDsEPDs成为瞬时振荡EPDs,并可通过与周围的核外电子或EPDs相互作用并向外辐射能量而恢复到原始状态。可见物质会与周围的EPDs相互作用,不断相互诱导产生瞬时诱导力。这种瞬时诱导力同时表现为吸引力和推斥力。EPDs之间的相互诱导是短暂的,但却不断地频繁发生,不断重复。瞬时诱导力既同时存在吸引力,也存在推斥力,明显表现为吸引力,但各种分布状态的概率都是相同的,而总体上看,吸引力和推斥力是相互平衡的。

可见物质与EPDs之间的作用力包括瞬时库仑力、瞬时洛伦兹力、瞬时取向力和瞬时诱导力。综上所述,可见物质与EPDs之间的作用力主要表现为两种,一种是吸引力,另一种是推斥力。随着间距增大而减小,随着间距减小而增大。在一定距离内,瞬时取向力和瞬时诱导力主要表现为相互吸引力,总会吸引一定数量的EPDs在可见物质周围,因此二者有变密的趋势。当密度逐渐增大,使EPDs有压缩变形的趋势,使推斥力增加较多,EPDs在一定密度时,吸引力和推斥力达到平衡状态。

4.2.4 EPDs的空间分布

EPDs与可见物质同时具有吸引力和推斥力。如没有可见物质时,EPDs均匀分布是一种稳定的平衡状态。当可见物质存在后,平衡状态被打破,需要建立一个新的平衡状态。可见物质的大量堆积,由于瞬时取向力和瞬时诱导力,使极小区域内的空间与EPDs的相互作用急剧升高,这使得可见物质周围的EPDs密度升高,致使原来的平衡被打乱,只有形成一个密度梯度才能使EPDs保持一个稳定的平衡状态。

4.7 星体周围的EPDs等密度线

具有很大质量的星体与EPDs的作用强度高,使EPDs密度大幅升高,致使EPDs变形压缩,进而对周围的EPDs的吸引力也随之提高。因此在星体周围,EPDs的密度具有一定的梯度,随着与星体的距离增加而密度降低(见图4.7)。质量越大的星体,EPDs的密度越大。另外,由于星体一般围绕另一个星体或星系运动,在一定半径范围内牵引EPDs随之运动,由于这种运动的半径加大,因此加速度较小,所以牵引EPDs随之运动的半径较大。还有一些星体还会自转运动,星体的质量越大,牵引的范围就越大,而质量较小的星体,牵引的范围就越小。在地球的表面上的一定范围内,地球牵引这EPDs随着地球一起转动。超过一定的范围后,EPDs随着星体自转的速度就存在了一定的速度梯度,范围再扩大,EPDs不再受到地球的牵引作用。但地球牵引EPDs自转的范围要远小于其绕太阳公转的范围。

在一定范围内,EPDs不断地与可见物质之间发生作用。EPDs的质量和体积都很小并且为电中性,因此EPDs的渗透能力很强,EPDs不仅能在气体中存在,也能在液体和固体内部存在,即EPDs不仅能在真空中存在,也能渗透到任何可见物质内部。由于EPDs与可见物质相互作用,而作用强度大于EPDs之间的相互作用,因此在可见物质内部,EPDs密度较大。

具有很大质量的星体可以在一定半径范围内与EPDs相互作用,因此,星体可以在一定的半径范围内牵引EPDs。由于星体对EPDs的吸引力作用很大,会克服EPDs之间的部分推斥力,使EPDs有变密的趋势,而这种作用随着半径的增大而减小,因此当靠近星体时EPDs相对较密,远离星体时相对较稀。即EPDs的密度随着与星体的距离变化存在着密度梯度。总之,EPDs的分布于可见物质有关,因此在一些星系团中,EPDs呈扁平盘状分布。在无可见物质的大尺度空间内,EPDs呈均匀分布。

EPDs与正负电子可以相互转化。EPDs可以在一定的条件下(足够的能量)可以电离成为一个正电子和一个电子。而一个正电子和一个电子在一定条件下也会结合成为EPDs,同时释放出一定的能量。通常情况下,EPDs的内能很低且十分稳定,质量小,不显电性,因此很难被发现。

EPDs与可见物质相互作用,星体的自转会在一定的范围内牵引EPDs随着星体转动。但EPDs被星体自转牵引的角速度不同,一般情况下,星体内部的EPDs与星体上的物质具有相同的线速度和角速度。离星体近的EPDs具有较大的线速度和角速度;离星体较远的EPDs具有较小的线速度和角速度。即EPDs的运动速度随着与星体的距离变化存在着运动速度梯度。同样,星系团的旋转也会在一定范围内牵引EPDs运动,并也存在着一定的运动速度梯度。但星体牵引EPDs自转的范围要远小于其绕系统公转的范围。

质量体积大的星体能够牵引其内部和周围的EPDs。质量体积较小的物体无法牵引其周围的EPDs,并且只能部分牵引其内部的EPDs。牵引的EPDs的比例与物体的质量、大小和速度有关。

4.3 EPDs的统一场论

引力在宇宙中是一片独一无二的区域,引力和其它3种力似乎有着本质的不同。电磁力有时候互相吸引,有时候互相排斥,但引力却总是吸引的。这使它可以在大尺度上累加起来。当考察原子时,引力可以忽略不计,但一旦扩展到恒星、星云、星系的尺度上,引力便取代其它力成为主导因素。目前,未能把引力包含进统一体系。电场、磁场、电磁场和引力场的传播速度均为光速,迄今,所有场物质粒子均未被发现,这里隐含着一个相同的逻辑——光速传播且不可见。另外,暗物质的分布规律与引力场的分布规律相同。实际上,这些场均与暗物质有关。因此,根据暗物质的各种特性,采用EPDs模型统一场论。

4.3.1 电场

物理原理解释:

当存在带电粒子时,无极性的EPDs被极化。离带电粒子近的EPDs极化程度大,随着逐渐远离带电粒子,EPDs极化程度逐渐变小。这样,无极的EPDs被极化,电偶极矩取向有规律的EPDs对周围EPDs也产生影响,带电粒子周围的EPDs的极化由近及远变得规律,就形成电场(见图4.8)

4.8 EPDs形成电场示意图

电场强度分析:

4.9带电粒子Q的场强电场强度示意图

4.9为带电粒子Q的场强电场强度示意图。EPDs遍布整个宇宙空间,在真空中(或无可见物质,或EPDs密度梯度变化较小)EPDs均匀分布。任何一个电荷的极化能力是一定的,带电量越大,极化能力越大。而这种极化由近及远,连续不断传递。因此,在任何以带电粒子Q为球心的同心球面上的极化能力(极化强度)均相等。以带电粒子Q为球心的同心球面面积为(为同心球体半径),任意同心球面上被极化的EPDs(当同样强度时,假定极化程度相同,则极化数量相同;如极化程度提高,则极化数量会降低;如极化程度降低,则极化数量提高;为计算方便,假定EPDs极化强度均相同,采用极化数量表示极化强度,本质是相同的),各同心球面上单位面积被极化的EPDs数量均为

电场本质上是EPDs极化形成的,电场强度为EPDs的极化强度:

                          (4.1)

式中,为电场强度;k为系数,为常数;为圆周率;N为单位电荷在同心球面上极化的EPDs数量,为常数;Q为带电量;为同心球体半径。

EPDs的极化强度可简化为:

                         (4.2)

式中,K为常数。

电场是由EPDs规律极化产生的,可采用EPDs的极化来表示电场,采用EPDs的极化强度可表示电场强度。采用EPDs的极化表示电场反映电场本质上是暗(实体)物质的规律变化,使暗(实体)物质与()场物质得到合理统一。EPDs的极化强度计算能够准确反映电场强度。

4.3.2 磁场

当空间存在直电流,将对EPDs产生影响。为了研究方便,将EPDse-e+的运动方向分别投影到平行和垂直电流的方向。当e-e+的运动方向垂直电流方向,将不受影响。当e-e+的运动方向平行电流方向,电流对e-e+的轨道有所影响。靠近电流一侧的e+的运动方向与电流一致时,远离电流一侧的e-的运动方向与电流相反,EPDse-e+的轨道向靠近电流方向移动。由于靠近电流一侧的e+的受力比远离电流一侧的e-的受力大,因此将产生一定的偏转和变形;当e-运动到靠近电流一侧时,e+在远离电流的一侧运动,此时EPDse-e+的轨道向远离电流方向移动,也将产生一定的偏转和变形。同样,靠近电流一侧的e+的运动方向与电流相反时,远离电流一侧的e-的运动方向与电流一致,EPDse-e+的轨道向远离电流方向移动。由于靠近电流一侧的e+的受力比远离电流一侧的e-的受力大,因此产生一定的偏转和变形;当e-运动到靠近电流一侧时,e+在远离电流的一侧运动,此时EPDse-e+的轨道向靠近电流方向移动,也将产生一定的偏转和变形。

由于电流存在,是EPDse-e+的轨道发生偏转,此时,EPDse-e+的轨道不在一个平面内运动,而是分别在两个交叉的平面内运动,场强越大,两个平面的夹角越大。如果电流是稳定的,会致使EPDse-e+的运行平面发生偏转,形成稳定的磁场。

如图4.10所示,取一个通过电流的平面。为了研究方便,把运动分别投影到垂直平面的运动和平面内的运动。其中包括平面内的e-e+的运动和垂直平面的e-e+的运动。在电流的上半部分,平面内主要表现为e-的顺时针运动和e+的逆时针运动。在电流的下半部分,主要表现为e-的逆时针运动和e+的顺时针运动。而垂直于平面的e-e+的运动并没有明显规律。由于在这个平面的e-e+的运动由不规律变成了有规律运动,这样就形成了磁场。

4.10 直电流的磁场形成示意图

无限长载流直导线外:

EPDs遍布整个宇宙空间,在真空中(或无可见物质,或EPDs密度梯度变化较小)EPDs均匀分布。一定的电流强度使EPDse-e+偏转的能力是一定的,由近及远,连续不断向外传递。在以无限长载流直导线为圆心的同心圆上能够使EPDs转动的数量均相等(当同样强度时,假定偏转程度相同,则偏转数量相同;如偏转程度提高,则偏转数量会降低;如偏转程度降低,则偏转数量提高;为计算方便,假定EPDs的偏转强度均相同,采用偏转数量表示偏转强度,本质是相同的)。同心圆的周长为(为同心圆半径),各同心圆上转动的EPDs数量均为,同心圆上单位长度转动的EPDs数量为

磁场本质上是EPDs规律转动形成的,无限长载流直导线外磁场强度为EPDs偏转强度:

                    (4.3)

式中,为磁场强度;k为系数,为常数;N为单位电流在同心圆上转动EPDs的数量,为常数;为圆周率;为电流强度;为同心圆半径。

无限长载流直导线外EPDs的偏转强度可简化为:

                    (4.4)

4.11 环形电流的磁场形成示意图

同理,在环形电流的内部,平面内主要表现为e-的逆时针运动和e+的顺时针运动。在环形电流的外部,主要表现为e-的顺时针运动和e+的逆时针运动(见图4.11)。而垂直于平面的e-e+的运动并没有明显规律。由于在这个平面的e-e+的运动由不规律变成了有规律运动,这样就形成了磁场。

EPDs遍布整个宇宙空间,在真空中(或无可见物质,或EPDs密度梯度变化较小)EPDs均匀分布。一定的电流强度使EPDs定向转动的能力是一定的,由近及远,连续不断向外传递。在环形电流周围(当同样强度时,假定偏转程度相同,则偏转数量相同;如偏转程度提高,则偏转数量会降低;如偏转程度降低,则偏转数量提高;为计算方便,假定EPDs的偏转强度均相同,采用偏转数量表示偏转强度,本质是相同的),磁场强度为环形电流的磁场强度叠加。以各微小段为中心的同心圆的周长为(为同心圆半径),各同心圆上转动的EPDs数量均为。在圆环的圆心处,与各小段均垂直,因此环形电流平面中心处转动的EPDs数量为

磁场本质上是EPDs规律转动形成的,环形电流平面中心处磁场强度为EPDs偏转强度:

                    (4.5)

式中,为磁场强度;k为系数,为常数;N为单位电流在同心圆上转动EPDs的数量,为常数;为电流强度;为同心圆半径。

环形电流圆心点的EPDs的偏转强度可简化为:

                     (4.6)

磁场是EPDse-e+的运动平面发生规律偏转产生的可采用EPDs的偏转来表示磁场,采用EPDs的偏转率表示磁场强度。采用EPDs的偏转表示磁场反映磁场本质上是暗(实体)物质的规律变化,使暗(实体)物质与()场物质得到合理统一。EPDs偏转强度计算能够准确反映磁场强度。

4.3.3 电磁场

4.12 电磁波的形成示意图

EPDs受到电磁波源的影响,由于获得大量的能量,e-e+的运动产生震荡,EPDs就形成了一对振荡EPDs(见图4.12)。振荡EPDs对周围的EPDs产生作用,使其成为振荡EPDs。因此相邻的EPDs的电偶极矩取向与该EPDs的电偶极矩变化相协调,这样形成电磁波不断传递能量。EPDs

 

现有理论为:LC电路能产生振荡电流,正负电荷不断在天线两端间振荡,因此它实际上就是一个振荡电偶极子。振荡电偶极子不断发射出电磁波。

麦克斯韦方程组,是英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦在19世纪建立的一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。它由四个方程组成:描述电荷如何产生电场的高斯定律、论述磁单极子不存在的高斯磁定律、描述电流和时变电场怎样产生磁场的麦克斯韦-安培定律和描述时变磁场如何产生电场的法拉第感应定律。

麦克斯韦方程组的四个方程共同组成:

高斯定律:该定律描述电场与空间中电荷分布的关系。电场线开始于正电荷,终止于负电荷。计算穿过某给定闭曲面的电场线数量,即其电通量,可以得知包含在这闭曲面内的总电荷。

高斯磁定律:磁单极子实际上并不存在。所以,没有孤立磁荷,磁场线没有初始点,也没有终止点。磁场线会形成循环或延伸至无穷远。

法拉第感应定律:该定律描述时变磁场怎样感应出电场。一块旋转的条形磁铁会产生时变磁场,这又接下来会生成电场,使得邻近的闭合电路因而感应出电流。

麦克斯韦-安培定律:该定律阐明,磁场可以用两种方法生成:一种是靠传导电流,另一种是靠时变电场,或称位移电流。

在电磁学里,麦克斯韦修正项意味着时变电场可以生成磁场,而由于法拉第感应定律,时变磁场又可以生成电场。这样,两个方程在理论上允许自我维持的电磁波传播于空间。

麦克斯韦方程组有两种表达方式。

1. 积分形式的麦克斯韦方程组是描述电磁场中电场、磁场的性质以及变化的电场、磁场间联系的数学模型。表达式为:

                                   (4.7)

                                       (4.8)

                                (4.9)

                            (4.10)

式中,H为磁场强度;为电流面密度;E为电场强度;B为磁感应强度;D为电位移矢量;S为闭合曲面;为电荷体密度。

(4.7)是高斯定律的表达式,说明在时变的条件下,从任意一个闭合曲面出来的D的净通量,应等于该闭曲面所包围的体积内全部自由电荷之总和。

(4.8)表示磁通连续性原理,说明对于任意一个闭合曲面,有多少磁通进入曲面就有同样数量的磁通离开。即B线是既无始端又无终端的;同时也说明并不存在与电荷相对应的磁荷。

(4.9)是法拉第电磁感应定律的表达式,它说明电场强度E沿任意闭合曲线的线积分等于穿过由该曲线所限定面积的磁通对时间的变化率的负值。这里提到的闭合曲线,并不一定要由导体构成,它可以是介质回路,甚至只是任意一个闭合轮廓。

(4.10)是由安培环路定律推广而得的全电流定律,其含义是:磁场强度H沿任意闭合曲线的线积分,等于穿过此曲线限定面积的全电流。等号右边第一项是传导电流.第二项是位移电流。

2. 微分形式的麦克斯韦方程组。

                                      (4.11)

                                       (4.12)

                                    (4.13)

                                   (4.14)

式中,为梯度算子。

(4.11)是静电场高斯定律的推广,即在时变条件下,电位移D的散度仍等于该点的自由电荷体密度。

(4.12)是磁通连续性原理的微分形式,说明磁通密度B的散度恒等于零,即B线是无始无终的。也就是说不存在与电荷对应的磁荷。

(4.13)是法拉第电磁感应定律的微分形式,说明电场强度E的旋度等于该点磁通密度B的时间变化率的负值,即电场的涡旋源是磁通密度的时间变化率。

(4.14)是全电流定律的微分形式,它说明磁场强度H的旋度等于该点的全电流密度,即磁场的涡旋源是全电流密度,位移电流与传导电流一样都能产生磁场。

麦克斯韦电磁场理论的要点可以归结为:

电与磁相互作用都是通过它们之间的中间区域传递的,不论中间区域是真空还是实体物质。

电能或磁能不仅存在于带电体、磁化体或带电流物体中,其大部分分布在周围的电磁场中。

导体构成的电路若有中断处,电路中的传导电流将由电介质中的位移电流补偿贯通,即全电流连续。且位移电流与其所产生的磁场的关系与传导电流的相同。

磁通量既无始点又无终点,穿过任意形状的闭合曲面的磁通量皆为零,即不存在磁单极(单独的N极或S极)

光波是一种电磁波。

1868年麦克斯韦从理论预言了电磁波的存在,1888年赫兹通过振荡电偶极子的一系列实验,实现了电磁波的发射和接受,证实了电磁波的存在。

赫兹实验:将两段铜杆沿同一直线架设,在其相临的两端端点上均焊有一个光滑的铜球。两球间留有小的空隙(0.1mm),两铜杆分别用导线联接到高压感应圈的两极上。感应圈周期地在两铜球之间产生很高的电势差,当铜球间隙的空气被击穿时,电流往复振荡通过间隙产生电火花,这种赫兹振子就相当于一个振荡电偶极子。由于电路的的电容和自感均很小,因而振荡频率可高达108Hz,从而强烈地发射出电磁波。由于铜杆有电阻且在空气中产生电火花,因而其上的振荡电流是衰减的,发出的电磁波也是减幅的。但感应圈不断地使空隙充电,振荡电偶极子就间隙地发射出减幅振荡电磁波。

4.13 电磁波传播机制

4.13为震荡电偶极子的电磁波传播机制,而电偶极子本质上是EPDs,计算方法也完全一致。电磁场是由EPDs振荡产生的,可采用EPDs的振荡频率表示电磁场,采用EPDs的振荡率表示电磁场强度,采用EPDs的振荡频率区分电磁波的种类。采用EPDs的振荡表示电磁场反映电磁场本质上是暗(实体)物质的规律变化,使暗(实体)物质与(电磁)场物质得到合理统一。EPDs振荡频率计算能够准确反映电磁场强度

4.3.4 引力场

由于星体与EPDs的相互作用,而使EPDs的密度提高,星体的质量越大,EPDs的密度提高越多,星体的质量越小,EPDs的密度提高越少;离星体近的空间EPDs密度大,离星体远的空间EPDs密度小。同样,物体或星体的质量越大,EPDs的密度提高越多,物体或星体的质量越小,EPDs的密度提高越少。由于物质对EPDs的吸引作用,使EPDs的密度变化,这样就形成了引力场。

EPDs遍布整个宇宙空间,在真空中(或无可见物质,或EPDs密度梯度变化较小)EPDs均匀分布。一定质量M的物质吸引EPDs的能力是一定的,EPDs间距缩小,间距小于平衡位置,EPDs间的吸引力和推斥力均提高,而推斥力提高较快,质量M的物质的吸引力平衡掉推斥力与吸引力增量差值,形成一个新的平衡。这种吸引力是一种弹性力,由近及远,连续不断传递。在任何质量M的质心为球心的同心球面上的吸引力综合均相等,同心球面面积为(为同心球体半径),各同心球面上吸引的EPDs的数量均为(当引力强度相同是,如间距缩小的程度相同,则吸引的EPDs数量相同;如间距缩小程度提高,则吸引的EPDs数量会降低,如间距缩小程度降低,则吸引的EPDs数量提高;这里只采用吸引的EPDs数量表示吸引强度,本质是相同的),各同心球面上单位面积上吸引的EPDs

引力场本质上是EPDs密度变化形成的,万有引力为EPDs吸引强度:

                    (4.15)

式中,为引力场强度;k为系数,为常数;N为单位质量在同心球面上吸引的EPDs数量,为常数;为圆周率;M为物质质量;为同心球体半径。

EPDs吸引强度可简化为:

                            (16)

引力场是由EPDs密度梯度变化产生的,吸引力始终指向EPDs密度增加最大的方向。只要有可见物质,EPDs的密度均会提高,因此宏观物质只表现为引力,而不表现为斥力。可采用EPDs的密度变化率表示引力场强度,这反映引力场本质上是暗(实体)物质的规律变化,使暗(实体)物质与(引力)场物质合理统一。EPDs吸引强度计算能准确反映引力场强度。

总之,采用EPDs模型可以很好地解释电场、磁场、电磁场和引力场,实现了场论的统一。EPDs理论建立在暗物质极化、定向偏转、震荡感应和密度变化的基础上放弃了物质引起时空变形的弯曲时空理论。通过进一步的EPDs模型研究,可以逐渐取代场论的概念,使场具有实体物质的物理含义。

4.5 小结

(1) 宇宙之所以有序运转,一切皆因万有引力。如果失去万有引力,宇宙将陷于极度混沌状态,更不会有生命的存在。因此,要了解宇宙的过去、现在与未来,首先要了解万有引力规律。

(2) 暗物质粒子是连接星系与行星的谱带,暗物质粒子也具有传递能量的粒子效应。暗物质可以与不同可见物质相互作用,是物质间万有引力的传递桥梁,并能够合理解释万有引力超距作用。

(3) 已经有大量的实验研究表明在真空中可以生成正负电子对,且正负电子对可以湮灭消失,暗物质粒子可能是一种包含正负电子的稳定粒子。

(4) 建立暗物质的EPDs模型,一个EPD中含有一个电子e-和一个正电子e+,电子和正电子相互作用,不停地围绕共同的中心做圆周运动,在一般的情况下,EPDs既不显电性也不显磁性。暗物质可能由多种物质构成,但主要成分为EPDs,且暗物质的各种性能由EPDs所主导。

(5) EPDs之间不断相互作用,运动和分布状态不断发生变化。EPDs之间的相互作用都是瞬时作用,相互的空间关系不断改变。在一个瞬间,EPDse-e+在一个平面内运动。由于EPDs之间的相互作用,运动状态不断变化,e-e+可以运动到球面内任何的位置。因此和氢原子一样,e-e+形成球状电子云,EPDs呈现为球形。

(6) EPDs是一种能量较低的稳定粒子,在一定条件下吸收足够的能量电离成正负电子对;而正负电子对在一定的条件下释放出能量,形成较稳定的EPDs

(7) EPDs之间的作用力包括瞬时库仑力、瞬时洛伦兹力、瞬时取向力和瞬时诱导力,均同时存在吸引力和推斥力。当EPDs处于任何一个稳定的平衡状态时,吸引力与推斥力平衡,此时间距为平衡间距;当EPDs间距小于平衡间距时,吸引力与推斥力均提高,而推斥力提高较快;当EPDs间距大于平衡间距时,吸引力与推斥力均减小,而推斥力降低较快。而这里的平衡态,都是暂时的,一旦边界条件或内部条件变化,都会形成一个新的平衡态。

(8) 可见物质与EPDs之间的作用力包括瞬时库仑力、瞬时洛伦兹力、瞬时取向力和瞬时诱导力,均同时表现为吸引力和推斥力。因此,可见物质与EPDs之间的作用力主要表现为吸引力和推斥力。随着间距增大而减小,随着间距减小而增大。在一定距离内,瞬时取向力和瞬时诱导力主要表现为相互吸引力,总会吸引一定数量的EPDs在可见物质周围,因此二者有变密的趋势。当密度逐渐增大,使EPDs有压缩变形的趋势,使推斥力增加较多,EPDs在一定密度时,吸引力和推斥力达到平衡状态。

(9) EPDs遍布整个宇宙。如果没有可见物质,EPDs将均匀分布。当空间存在可见物质,EPDs的密度提高,可见物质质量越大,EPDs的密度提高越多。EPDs的密度具有一定的梯度,随着距离增加而密度降低。

(10) 电场是由EPDs规律极化产生的,可采用EPDs的极化来表示电场,采用EPDs的极化强度可表示电场强度。采用EPDs的极化表示电场反映电场本质上是暗(实体)物质的规律变化,使暗(实体)物质与()场物质得到合理统一。用EPDs的极化强度计算能够准确反映电场强度。

(11) 由于电流存在,是EPDse-e+的轨道发生偏转,此时,EPDse-e+的轨道不在一个平面内运动,而是分别在两个交叉的平面内运动,如果稳定的电流,会致使EPDse-e+的运行平面发生偏转,形成稳定的磁场。磁场是EPDse-e+的运动平面发生规律偏转产生的,可采用EPDs的偏转来表示磁场,采用EPDs的偏转率表示磁场强度。采用EPDs的偏转表示磁场反映磁场本质上是暗(实体)物质的规律变化,使暗(实体)物质与()场物质得到合理统一。EPDs偏转强度计算能够准确反映磁场强度。

(12) 电磁波是EPDs震荡传递的,震荡EPDs本质上是微观震荡电偶极子,也是电磁波传递机理背后的物理原因。采用EPDs的振荡频率区分电磁波种类,这反映电磁波本质上是暗(实体)物质的相互作用规律,使暗(实体)物质与(电磁)场物质合理统一。

(13) 引力场是由EPDs密度规律变化产生的,可采用EPDs的密度变化表示引力场,采用EPDs的密度变化率表示引力场强度。引力始终指向EPDs密度梯度增加最大方向是可见物之间只存在引力而不存在斥力的物理原因,并且是引力场超距作用的根本原因。因此EPDs引力不仅具有合理的理论基础,更具有坚实的物质基础。EPDs无处不在地存在使引力这种梯度力能够伸向无穷远。采用EPDs的密度变化表示引力场反映引力场本质上是暗(实体)物质的规律变化,使暗(实体)物质与(引力)场物质得到合理统一。EPDs密度变化计算和EPDs吸引强度计算均能够准确反映引力场强度。

(14) 采用EPDs模型可以很好地解释电场、磁场、电磁场和引力场,实现了场论的统一。EPDs理论建立在暗物质极化、定向偏转、震荡感应和密度变化的基础上,放弃了物质引起时空变形的弯曲时空理论。通过进一步的EPDs模型研究,可以逐渐取代场论的概念,使场具有实体物质的物理含义。


5 暗物质EPD模型自冾性验证

5.1 引言

暗物质的EPD模型已被建立,一个EPD中含有一个电子e-和一个正电子e+,电子和正电子相互作用,不停地围绕共同的中心做圆周运动,在一般的情况下,EPDs既不显电性也不显磁性。暗物质可能由多种物质构成,但主要成分为EPDs,且暗物质的各种性能由EPDs所主导。EPDs之间不断相互作用,运动和分布状态不断发生变化。EPDs之间的相互作用都是瞬时作用,相互的空间关系不断改变。在一个瞬间,EPDse-e+在一个平面内运动。由于EPDs之间的相互作用,运动状态不断变化,e-e+可以运动到球面内任何的位置。因此和氢原子一样,e-e+形成球状电子云,EPDs呈现为球形。EPDs之间以及EPDs与可见物质之间的作用包括瞬时库仑力、瞬时洛伦兹力、瞬时取向力和瞬时诱导力,均同时存在吸引力和推斥力且总体平衡。由于吸引力作用,EPDs聚集在星系和星系团周围,且具有一定的密度梯度;由于推斥力作用,EPDs遍布整个宇宙,且大尺度上是均匀的。电场、磁场、电磁场和引力场分别由EPDs规律极化、定向偏转、诱导震荡和密度梯度产生的。这反映这4种场本质上是暗(实体)物质的规律变化,使暗(实体)物质与场物质合理统一。暗物质的EPD模型与现有理论有较大冲突,这里需要严密的自冾性论证。

5.2 物质性验证

冷暗物质探测II(Cryogenic Dark Matter Search II,简称CDMS II)合作组的研究表明暗物质候选者具有电离特性。Walters认为电子偶素(Positronium,简称Ps)是最轻的原子类粒子。然而,所观测到的电子偶素是一个中间过程,被认为是极不稳定的粒子。但电子偶素会进一步结合,进而形成能量较低且稳定的暗物质(EPDs)粒子。一旦形成EPDs,就无法被发现,并被误认为正负电子湮灭。在一定的条件下, EPDs吸收足够的能量而电离成正负电子对。这也被一些人作为物质可以创生与消灭的证据,并认为物质不再守恒。实际上,暗物质和可见物质在一定条件下相互转化。另外,负质子、正电子等被认为是反物质,实际上,物质和反物质的产生与湮灭也是暗物质与可见物质相互转化。迄今,已经有大量的实验研究表明在真空中可以生成正负电子对以及正负电子对湮灭消失。这均表明EPD模型具有坚实的物质基础。

5.2.1 高速运动真空摩擦

根据相对论理论,任何物质运动速度只能无限接近光速,不可达到或超越。接近光速的物质质量将逐渐无限增大,极限速度为光速。如果真空没有阻力,粒子加速器中粒子质量、电荷量、加速电场强度、加速功率等参数对被加速粒子的极限速度都没有影响,只要粒子速度不达到光速,粒子就一定有加速度,但实际上粒子极限速度受不同因素影响。

根据EPD理论,加速电场的传播速度为光速,因此被加速粒子最大速度是光速,而不是超光速。因此超光速只能通过作用力和反作用力方法实现,但目前缺乏相关实用技术。被加速粒子不断与EPDs相互作用产生真空摩擦;真空摩擦与粒子质量、电荷量、速度有关,而牵引力与电荷量、加速电场强度有关。当牵引力等于真空摩擦产生的阻尼力时,带电粒子速度达到最大值。由于EPDs真空摩擦存在,一旦撤除加速电场,被加速粒子的速度会逐渐降低。另外,由于EPDs真空摩擦,星体在星系中的公转速度会逐渐降低。

试验设计:采用环形粒子加速器在真空中对粒子加速,粒子的质量一定,带电量一定,磁场强度一定,调整加速电场强度。根据相对论理论,在真空的粒子加速器中,带电粒子只受到电场的动力作用,并未受到任何阻力作用。而加速度不断减小是由于粒子质量随着速度增加而增加。带电粒子不达到光速,就始终具有加速度,因此带电粒子的极限速度为光速。而且极限速度与带电粒子质量、带电量和电场强度大小无关,即无论带电粒子质量、带电量和电场强度是多大,粒子的极限速度都是光速。因此无论带电粒子质量、带电量和电场强度是多大,被加速的粒子的最大速度都是相等的,且无限地接近光速,只要不达到光速,都会有加速度。

如果试验的结果是任意加速电场强度的极限速度均为光速,那么相对论正确。否则加速度降低的原因不是由于速度增大致使质量增加,而是由于暗物质的存在。EPDs与带电粒子相互作用,随着带电粒子的速度增大,更多的EPDs与带电粒子相互作用,因此阻力增大,当阻力与动力相等时,带电粒子达到极限速度。由于粒子所受驱动力与粒子的带电量和电场强度有关,粒子所受EPDs的阻力与带电粒子的质量和速度有关。因此,可以通过粒子加速器实验得到暗物质的密度。

爱因斯坦的广义相对论认为在任意参考系内,引力引起时空弯曲,因而时空是四维弯曲的非欧空间。时间空间的弯曲结构取决于物质能量密度、动量密度在时间空间中的分布,而时间空间的弯曲结构又反过来决定物体的轨道,它沿着弯曲空间中最接近于直线路径的测地线。然而,相对论引力脱离物质基础,采用时空弯曲作为引力来源值得进一步讨论:时间只能提供事件顺序信息,时间能够施加力仍需严格论证;空间只提供位置信息,空间能够施加力仍需严格论证;运动是相互的,相对的,质增、尺缩和钟慢效应也是相互的,相对的,各种效应在整个体系中是等价的;空间有无数个运动物体,每个物体相对于其它无数个物体具有无数个相对运动状态,致使该物体重量无法唯一确定;时间、空间为何伸缩,如何伸缩,伸缩性质,如何验证;时间、空间伸缩如何保持时间、空间不中断。

笔者认为整个体系中,时间和空间是处处等价的,任何的时间或空间伸缩都会造成时间、空间的中断,迄今,没有证据表明时间、空间能中断。另外,没有施力物体的力不存在,时空不能作为施力物体,因此相对论引力缺乏物质基础。

根据EPDs模型理论,当粒子不再被加速时,由于粒子与EPDs不断作用,存在着阻力,粒子速度会逐渐降低,而减速的加速度与速度成正比,这就是粒子在所谓真空中高速运动真空摩擦。而通过这种摩擦力,可以求出真空中的EPDs密度。

5.2.2 高速旋转真空摩擦

2017年,斯蒂芬·巴奈特(Stephen M. Barnett)和马提亚·索尼莱特纳(Matthias Sonnleitner)研究发现,一个真空中运动的衰变原子会受到类似于摩擦力的阻力。真空的定义是完全虚无的空间,无法对其中的物体施加摩擦力。真空摩擦与相对论矛盾,因为这意味着在两个不同坐标系中的观察者将会看到原子以不同的速度运动,大部分观察者将会看到原子因为摩擦力减速,但是跟随原子运动的观察者不会看到这一现象。索尼莱特纳正考虑考虑质量变化的可能,扩展当前使用的成功模型,以更好地描述原子-光相互作用。自然这仅仅是一个相对较小的修正,但可以帮助完善该理论。重新研究,重新思考从来不是错误的,在必要的时候,甚至可以修改已有的理论。

根据相对论,粒子在所谓的真空中高速旋转,如果没有摩擦力,那么转速将不会发生变化。根据EPDs模型理论,EPDs充满整个宇宙空间,不停地与高速旋转物质发生作用,粒子真空中高速旋转速度会不断降低,而减速的加速度与速度成正比,这就是粒子在所谓真空中高速旋转真空摩擦。而通过这种摩擦力,可以求出真空中的EPDs密度。

5.2.3 正负电子对产生和湮灭

正电子与原子碰撞俘获电子而形成电子偶素后,瞬间结合后湮灭消失。一种观点认为:正负电子均彻底消失,仅仅产生光子,这需要进一步分析。电子核外跃迁能吸收或放出光子,没有证据表明光子转化为不同带电粒子,或不同带电粒子转化为光子在任何情况下,任何两束交叉光都不会发生碰撞,表明运动中的光子的体积为零,且无静止质量,光子的物理本质无法合理解释。任何平面相对于体积为零的光子均为高山深涧,光子镜面反射机理需进一步论证。④“光子以一定角度从玻璃中无法入射到真空,光子全反射机理需进一步论证。不同介质中的光子仅仅在交界面发生速度变化的传播机理需进一步论证。威尔逊云室实验表明单个粒子的运动轨迹不是波动的,完全符合宏观物质的运动规律,单个光子是否能够波动需进一步论证。单个光子振动形式及其产生横波而非纵波的机理需进一步论证。体积与静止质量为0光子不含任何电荷,单个光子传递电磁波的机理需进一步论证。⑨“光子内不含有正负电子,而光子与正负电子相互转化缺乏物质基础并违反物质守恒、电荷守恒、能量守恒规律。⑩“光子为何在真空中只能以光速运动,且不能减速。

根据EPD理论,正负电子对结合释放出能量并形成稳定的EPDsEPDs是一种能量极低的稳定粒子,在一定条件下吸收足够的能量电离成正负电子对;而这充分证明了真空不空,充满了大量的暗物质。

验证试验:正负电子对结合,消失在真空中。真空中电离出正负电子对。

5.2.4 超强电场真空产生正负电子对

根据EPD理论,EPD是由正负电子对构成,因此EPD在电场中部极化,而在超强电场能够将EPD电离成正负电子对。1951年,施温格成功地描述了在静态均匀电场中的正负电子对的产生过程。之后,科学家已经采用各种方法将施温格的静态空间均匀电场扩展为空间和时间依赖的场,并计算出超强电场在“真空”中电离出正负电子对的概率,这在很大程度上推动了量子电动力学(Quantum ElectrodynamicsQED)的发展。这也充分证明EPD坚实的物质基础。

2.1.5 暗物质与反物质

正电子、负质子等粒子被认为是反物质,这些反物质与对应的物质结合而彻底消失。根据EPD理论,不同的暗物质粒子在一定条件下可以电离成不同的正负离子对,而正负离子对一旦相遇就结合为暗物质而消失不见。在这种意义上,反物质是不存在的,本质上正反物质结合并没有消失,仅仅是存在的形式发生了转变。实际上,暗物质和可见物质在不同的情况下均可以相互转变。

5.2.6 暗物质自身热运动

EPDs是电磁场物质,不仅是电磁辐射介质,而且本身也进行着一定的热运动。而这种热运动会产生所谓的宇宙微波背景辐射。只要有EPDs的地方就会有这种宇宙微波背景辐射;而这种热运动的程度与EPDs的密度相关,密度不同则波长不同。另外,如果是来自宇宙的辐射,那么这种辐射是可以进行电磁屏蔽的,而EPDs充满整个宇宙,渗透进任何物质,且在内部也具有同样的热运动,因此只有这个频率是无法屏蔽的。将测试的整个空间进行电磁屏蔽,进行测试,检验是否仍能接收到相同的宇宙微波背景辐射。另外随着离地高度的变化,EPDs密度会逐渐降低,那么所谓的宇宙微波背景辐射波长将会产生变化。

5.2.7 星体自转速度变化

星体自转的过程中,能够牵引周围的暗物质随之转动,随着半径增加,暗物质随星体转动的速度存在着一定的梯度,超过一定半径,暗物质将不再随着星体转动。这里星体与暗物质存在着相对运动与摩擦。在星体形成的过程中,由于物质的吸积,使整体半径大幅缩小,致使转动速度增大。当星体形成稳定后,在无大量可见物质影响的情况下,由于这种摩擦,星体的转动速度会不断降低。影响星体自转速度的因素较多,但对于一个稳定的星体,暗物质是影响星体自转的最主要因素。以太阳系为例,离太阳系越近,暗物质密度越大,相对摩擦力(摩擦力/星体质量)越大,因此类似的星体离星系的核心越近,速度降低越快。行星的质量越大,相对摩擦力越小,转动降低的速度越慢。

5.2.8 星体公转速度变化

星体在围绕星系公转的过程中,能够牵引周围的暗物质随之转动,随着半径增加,暗物质随星体转动的速度存在着一定的梯度,超过一定半径,暗物质将不再随着星体公转。这里星体与暗物质存在着相对运动与摩擦。在星系形成的过程中,星体被星系拉近后,致使公转速度增大。当星体形成稳定后,在无大量可见物质的影响下,由于这种摩擦,星体的转动速度会不断降低。影响星体公转速度的因素较多,但对于一个稳定的星系,暗物质是影响星体公转的最主要因素。以太阳系为例,离太阳系越近,暗物质密度越大,相对摩擦力(摩擦力/星体质量)越大,因此类似的星体离星系的核心越近,速度降低越快。行星的质量越大,相对摩擦力越小,转动降低的速度越慢。

高速运动真空摩擦、高速旋转真空摩擦证明真空不空,充满着不可见的暗物质。加速器中粒子不能超越光速的原因不是由于物质质量随速度而增加,而是由于加速电场的速度为光速,因此被加速粒子最大速度是光速,而不是超光速。超光速只能通过作用力和反作用力方法实现,但目前缺乏相关实用技术。通过被加速粒子的影响参数分析表明暗物质的真空摩擦是影响粒子极限速度差异的直接原因。正负电子对产生和湮灭证明暗物质的EPDs模型具有坚实的物质基础,进一步验证真空摩擦物质为可由正负电子对湮灭生产且可电离为正负电子对的暗物质。在任何时间,任何位置,任何方向都能接收到EPDs波长7.35cm的电磁信号,且只有这个频率的EPDs电磁辐射无法屏蔽,这是EPDs“热运动的直接证据。有暗物质无所不在的存在使星体自转和公转的速度均逐渐降低,是暗物质真空摩擦的另一个有效论证。

2.2.9 暗物质“暗”的原因

目前,普遍认为暗物质不参与电磁作用,这里存在着严重的误解,也是至今无法发现暗物质的原因。实际上,暗物质是参与电磁作用的。EPDs之所以“暗”,是由于所有的电磁波均通过EPDs传播。然而,EPDs只能传递电磁波,无法反射电磁波,因此采用电磁波手段无法探测直接EPDs。但EPDs的密度变化会影响电磁波的传播速度和方向,因此可以通过电磁波的速度变化与方向偏移来探测EPDs

5.3 电磁波传递理论自冾性验证

5.3.1 迈克尔逊-莫雷实验

19世纪流行着一种以太学说,它是随着光的波动理论发展起来的。由于对光的本性知之甚少,人们套用机械波的概念,想像必然有一种能够传播光波的弹性物质,它的名字叫以太。许多物理学家们相信以太的存在,把这种无处不在地以太看作绝对惯性系,用实验去验证以太的存在就成为许多科学家追求的目标。

地球以每秒30km的速度绕太阳运动,就必须会遇到每秒30km以太风迎面吹来。同时,它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生,引起人们去探讨以太风存在与否。如果存在以太,当地球以太绕太阳公转时,在地球通过以太运动的方向测量的光速应该大于在与运动垂直方向测量的光速。

1887年,阿尔贝特·迈克尔逊和爱德华·莫雷在克里夫兰的卡思应用科学学校进行了测量地球在以太中的速度。利用地球的运动和光速在方向上的不同,从而求得地球相对于以太的绝对速度。实验结果表明,光速在各个方向上没有差异。

根据EPD理论,EPDs具有一定质量,星系牵引一定范围内的EPDs运动,太阳系牵引一定范围内的EPDs运动,地球牵引一定范围内的EPDs运动。在一定范围内,EPDs随着地球运动,超过一定的范围后,EPDs随着地球速度就存在了一定的速度梯度。再超过一定范围,EPDs就不随着地球运动。迈克尔逊-莫雷实验均处于地球全速牵引EPDs的范围内,因此观察到的光在各个方向上的传播速度是一样的。

预测与验证:

在空中进行类似试验,人造卫星的高度或空间站的高度已经超过了EPDs的牵引范围,因此会出现预期的相对运动

5.3.2 斐索实验

1859年,斐索做了一个流水实验,实验的目的是为了考察介质的运动对在其中传播的光速有何影响,从而判断以太是否被拖拽。斐索实验虽然只用了水、酒精和石英棒等很少几种透明物质做过,由于其非常符合菲涅耳的以太拖拽假设和相对论的速度变换式而使人们坚信,斐索实验的条纹变化将随着透明物质的折射率变化而变化,折射率越高,观察到的条纹变化越大。光速发生变化,光在媒质中速度的变化不是加上或减去运动媒质的速度v,而是v乘以一个小于1的因子。这说明,作为光的载体的以太,在浸入运动媒质时,即不是被运动媒质所完全带动,也不是一点也不被带动,而是部分被带动。

根据EPD理论,水、酒精等物质,质量极小,即使在水、酒精的内部,其牵引EPDs的范围也极小,且存在着速度梯度,因此v乘以一个小于1的因子。

5.3.3 钢盘转动实验

1892年,英国物理学家洛奇完成钢盘转动实验。他把两块靠得很近(相距仅1英寸)的大钢锯圆盘(直径为3英尺)平行地安装在电机的轴上,高速地旋转(转速可达4000/)。一束光线经半镀银面分成相干的两路,分别沿相反方向,绕四方框架在钢盘之间走三圈,再会合于望远镜产生干涉条纹。结果表明钢盘正转与反转对光速都没有影响。

根据EPD理论,钢盘的质量太小,钢盘的外部无法牵引空气随之高速旋转,对于质量远远小于空气分子的EPDs更无法高速牵引。对于钢盘的外部的EPDs,牵引力为万有引力,牵引的范围极小,牵引的速度更小,且存在一定的速度梯度,因此钢盘转动无法对光速产生影响。

5.3.4 恒星光行差

恒星光行差(或称为天文光行差)是指运动着的观测者观察到光的方向与同一时间同一地点静止的观测者观察到的方向有偏差的现象。光行差现象在天文观测上表现得尤为明显。由于地球公转、自转等原因,地球上观察天体的位置时总是存在光行差,其大小与观测者的速度和天体方向与观测者运动方向之间的夹角有关,并且在不断变化。1728年在探测恒星视差时发现了恒星光行差现象,光行差指由于地球运动引起的星光方向细微的变化。地球绕日公转造成的光行差称为周年光行差,其最大值可达20.5″。地球绕太阳公转的速度为30km/s,观测点均在地球全速牵引EPDs的范围内,因此,地球绕太阳公转造成的光行差最大可以达到20.5角秒。

根据EPD理论,太阳系、银河系均分别在一定范围内牵引EPDs运动,观测这个范围以外的光线的光行差分别以各自的速度为准。而同样,不同系统会牵引EPDs自转(一个系统的自转可能是另一个系统的公转),在一定范围内牵引EPDs运动,观测这个范围以外的光线的自转光行差分别以各自的自转速度为准。

5.3.5 光线引力偏折

根据广义相对论,光和物体的运动一样,受到引力场的作用,会偏向引力源。此为光线引力偏折。光线的引力偏折现象被认为是广义相对论的实验检验的主要证据。1915年,爱因斯坦计算出从太阳附近穿过的星光的偏折角度为1.75“(角秒)1916年,爱因斯坦发表了他的广义相对论,预言经过恒星附近的光会发生引力偏折,致使恒星发生视差。论文受到著名的英国天文学家,物理学家,数学家爱丁顿的重视,因为爱丁顿1905年到格林尼治天文台工作时,曾经做过天体测量与小行星视差方面的工作。由爱丁顿率领的观测队到非洲西部的普林西比岛观测1919529日的日全食,拍摄日全食时太阳附近的星空照片,与太阳不在这一天区时的星空照片相比对,光线偏折的角度与爱因斯坦的预言基本符合。

根据EPD理论,在太阳周围,EPDs的分布密度存在一定梯度,随着半径增加密度逐渐下降,光线经过太阳附近时,光线由于EPDs的密度梯度而发生折射。而EPDs的分布等密度面为球面,这里并不是时空弯曲,而是EPDs密度变化的弯曲,并不是时空弯曲。

5.3.6 雷达回波延迟

1964年夏皮罗提出一项广义相对论检验实验,利用雷达发射一束电磁波脉冲,经其它行星反射回地球被接收。当来回的路径远离太阳,太阳的影响可忽略不计;当来回路径经过太阳近旁,太阳引力场造成传播时间加长,此称为雷达回波延迟。这一观测也可以以人造天体作为雷达信号的反射靶进行实验。观测的结果和理论计算之间在1%的精度内符合。

根据EPD理论,在太阳周围,EPDs的分布密度存在一定梯度,随着半径增加密度而逐渐下降,光线经过太阳附近时,光线不仅由于EPDs的密度梯度而发生折射,而且由于EPDs的密度梯度而传播速度发生变化。

5.3.7 引力透镜

引力透镜效应是爱因斯坦广义相对论所预言的一种现象,由于时空在大质量天体附近会发生畸变,使光线在大质量天体附近发生弯曲(光线沿弯曲空间的短程线传播)。在有些情况下,起引力透镜作用的天体是一个星系,它对光的弯曲作用能产生类星体或其它星系等更遥远天体的多重像。有些天文学家认为,多达2/3的已知类星体可能由于引力透镜效应而增加了亮度。爱因斯坦广义相对论认为物质决定时空,引力使光线发生弯曲。在宇宙中,前景的大质量天体能够增亮视线上的背景星系或扭曲其图像,其原理非常类似光学透镜的作用,因而称为引力透镜效应。1979年,天文学家观测到类星体Q0597+561发出的光在它前方的一个星系的引力作用下弯曲,形成了一个一模一样的类星体的像。这是第一次观察到引力透镜效应。1993年,天文学家利用微透镜效应观测到银河系中的暗物质(dark matter)。星系和星系团的质量大部分是暗物质提供的,它的引力作用与可见物质是一样的,所以通过分析引力透镜就能探知所有物质的质量分布,并非常准确地测量星系团等的质量。这种测质量的方法的优越性是不必做太多假设就能把所有物质的质量全包括进来。并且这一点对探测非常遥远的天体和事件非常有利,包括高红移的星系,类星体,伽玛射线等。它们发出的光线在穿越时空到达地球之前的漫漫长旅中,可能会在中间遇到星系或星系团,星系或星系团做为透镜使得背景天体成了像。在这种情况下像可以有多个,为研究背景天体和宇宙提供机会。

根据EPD理论,这种透镜本质上就是通过天体时光线发生扭曲。天体周围,EPDs的分布密度存在一定梯度,随着半径增加密度而逐渐下降,光线经过天体近旁时,光线会由于EPDs的密度梯度而发生折射。引力透镜反应了暗物质密度变化规律,而不是暗物质的实际密度。

5.3.8 光电效应

光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。在高于某特定频率的电磁波照射下,某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流,即光生电。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现。科学家们在研究光电效应的过程中,物理学者对光子的量子性质有了更加深入的了解,这对波粒二象性概念的提出有重大影响。

光照射到金属上,引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应(Photoelectric effect)。光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应,又称光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面,又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部,称为内光电效应。按照粒子说,光是由一份一份不连续的光子组成,当某一光子照射到对光灵敏的物质(如硒)上时,它的能量可以被该物质中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量后,动能立刻增加;如果动能增大到足以克服原子核对它的束缚,就能在十亿分之一秒时间内飞逸出金属表面,成为光电子,形成光电流。单位时间内,入射光子的数量愈大,飞逸出的光电子就愈多,光电流也就愈强,这种由光能变成电能自动放电的现象,就叫光电效应。

赫兹于1887年发现光电效应,光波长小于某一临界值时方能发射电子,即极限波长,对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料,而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关,这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾,即光电效应的瞬时性,按波动性理论,如果入射光较弱,照射的时间要长一些,金属中的电子才能积累到足够的能量,飞出金属表面。可事实是,只要光的频率高于金属的极限频率,光的亮度无论强弱,电子的产生都几乎是瞬时的,不超过十的负九次方秒。当时研究赫兹效应的各种实验还伴随着光电疲劳的现象,让研究变得更加复杂。光电疲劳指的是从干净金属表面观察到的光电效应逐渐衰微的现象。根据霍尔伐克士的研究结果,在这现象里,臭氧扮演了很重要的角色。可是,其它因素,例如氧化、湿度、抛光模式等,都必须纳入考量。

18881891年间,史托勒托夫完成了很多关于光电效应的实验与分析。他设计出一套实验装置,特别适合于定量分析光电效应。借助此实验装置,他发现了辐照度与感应光电流的直接比例。另外,史托勒托夫和里吉还共同研究了光电流与气压之间的关系,他们发现气压越低,光电流变越大,直到最优气压为止;低于这最优气压,则气压越低,光电流变越小。

1897430日,约瑟夫·汤姆孙于在大不列颠皇家研究院(Royal Institution of Great Britain)的演讲中表示,通过观察在克鲁克斯管里的阴极射线所造成的萤光辐照度,他发现阴极射线在空气中透射的能力远超一般原子尺寸的粒子。因此,他主张阴极射线是由带负电荷的粒子组成,后来称为电子。此后不久,通过观察阴极射线因电场与磁场作用而产生的偏转,他测得了阴极射线粒子的荷质比。1899年,他用紫外线照射锌金属,又测得发射粒子的荷质比为7.3×10emu/g,与先前实验中测得的阴极射线粒子的数值7.8×10emu/g大致符合。他因此正确推断这两种粒子是同一种粒子,即电子。他还测出这粒子所载有的负电荷。从这两个数据,他成功计算出了电子的质量:大约是氢离子质量的千分之一。电子是当时所知质量最小的粒子。

1900年,菲利普·莱纳德发现紫外线会促使气体发生电离作用。由于这效应广泛发生于好几厘米宽区域的空气,并且制造出很多大颗的正离子与小颗的负离子,这现象很自然地被诠释为光电效应发生于在气体中的固体粒子或液体粒子,汤姆孙就是如此诠释这现象。1902年,莱纳德又发布了几个关于光电效应的重要实验结果。第一,借着变化紫外光源与阴极之间的距离,从阴极发射的光电子数量每单位时间与入射的辐照度成正比。第二,使用不同的物质为阴极材料,每一种物质所发射出的光电子都有其特定的最大动能,光电子的最大动能于光波的光谱组成有关。第三,借着调整阴极与阳极之间的电压差,他观察到,光电子的最大动能与截止电压成正比,与辐照度无关。由于光电子的最大速度与辐照度无关,莱纳德认为,光波并没有给予这些电子任何能量,这些电子本来就已拥有这能量,光波扮演的角色好似触发器,一触即发地选择与释出束缚于原子里的电子,这就是莱纳德著名的触发假说”(triggering hypothesis)。在那时期,学术界广泛接受触发假说为光电效应的机制。可是,这假说遭遇到一些严峻问题,例如,假若电子本来在原子里就已拥有了逃逸束缚与发射之后的动能,那么,将阴极加热应该会给予更大的动能,但是物理学者做实验并没有测量到任何不同结果。

1905年,爱因斯坦对于光电效应给出另外一种解释。他将光束描述为一群离散的量子,现称为光子,而不是连续性波动。组成光束的每一个量子所拥有的能量等于频率乘以普朗克常数。假若光子的频率大于某极限频率,则这光子拥有足够能量来使得一个电子逃逸,造成光电效应。爱因斯坦的论述解释了为什么光电子的能量只与频率有关,而与辐照度无关。虽然光束的辐照度很微弱,只要频率足够高,必会产生一些高能量光子来促使束缚电子逃逸。尽管光束的辐照度很强劲,假若频率低于极限频率,则仍旧无法给出任何高能量光子来促使束缚电子逃逸。

与声波类似,声的高低与频率有关,频率越高,分子(原子)的运动速度就越快,单个分子(原子)具有的能量就越高,因此当频率小于20的声波,无论有多么强,都不会被听到。但是声音的传播速度与分子的运动快慢无关的,无论频率多少,无论声音的强度是多大,声音的传播速度只与传播声音的介质相关。

根据EPD理论,光的传播是通过EPDs震荡传播的,没有连续性,不能累积,一个EPDs激发出一个对应的电子。在光传播的过程中,传播的是能量,不是EPDs本身。EPDs的能量与频率有关。光的频率如果低于红限,一个EPDs的能量无法另一个电子逃脱束缚而成为自由电子,因此无论多强的光也不会产生光电效应。光的强弱是与激发的EPDs多少有关,只有达到一定的频率后,才可以产生光电效应。光的频率高于红限后,激发出来的电子数量与被激发的EPDs数量有关。

5.3.9 光的镜面反射

根据光子理论,光是由于光子运动产生的粒子流,然而,光子直径是多少?光子为什么没有静止质量?单个光子为什么波动?怎样波动的?光子是怎样振动的采使光成为横波而不是纵波。任何平面相对于光子来说均是高山深涧,原子直径的数量级大约是10-10m,原子核的直径一般为10-15m,整个原子空间几乎都是虚无的。光子入射平面就像往地球和月亮之间仍篮球一样,光子理论无法解释镜面反射。

根据EPD理论,EPDs传递的是电磁波,通过震荡感应传递能量。与波长相比较,平面镜就是平的了,因此发生镜面反射。而波长小于平面镜粒子间距的电磁波将无法发生镜面反射,而是发生透射。同样道理,光从玻璃中以一定角度入射到真空中发生全反射,以及光的折射,采用光子理论也无法解释光子如何发生折射且不能入射到真空。

5.3.10 光的相交

光子束交叉时,光子理论无法解释相互碰撞的概率为零?这意味着运动的光子的体积为零,采用光子的相关理论无法解释。

根据EPD理论,EPDs传递的是电磁波,是震荡感应传递能量。而这种能量传递,在不同方向只是不同方向的分量产生变化,因此传播不受影响。

5.3.11 光在不同介质中的速度变化

光子从真空入射到玻璃中,然后又从玻璃入射到真空中,速度先变小后变大。那么光子为什么进入到玻璃中速度降低且匀速;而从玻璃中进入到真空中,速度又变大;为何只有在光子通过不同介质交界的时候光速发生变化,而在相同介质中的速度没有变化。在相同介质中,无法令光子加速或减速。光子是一种粒子,如何使光子加速或减速?采用光子的相关理论无法解释。

根据EPD理论,玻璃中和真空中的EPDs密度具有显著差别,在玻璃的内部,EPDs受到了一定的吸引,密度提高,而相互的约束较大,因此对于光的阻尼也比较大。而在真空中,EPDs不与可见物质相互作用,受到的约束也较小,因此阻尼较小。光在阻尼大的EPDs中传播的速度慢,在阻尼小的EPDs中传播的速度快。另外,光速度发生变化只与EPDs的密度和EPDs之间的作用强度有关,与其它因素没有任何关系。这一点与其它波的传播是一致的,光的传播速度与光的频率和光的强度也是无关的,光的频率高只表示EPDs传播的能量高,光的强度高只表示参与的EPDs数量多,是不会影响光的传播速度的。

迈克尔逊-莫雷实验、斐索实验、钢盘转动实验和恒星光行差合理论证了具有质量的EPD的运动规律是完全自冾的,与电磁波传播机理是完全相符的。光线引力偏折、雷达回波延迟和引力透镜反应了EPD的密度变化规律,而不是EPD的实际密度。EPD的密度变化会引起电磁波偏折与速度变化。光的系列现象反应光子理论的矛盾,而EPD的电磁波传递理论更具合理性。

5.4 引力场理论自冾性验证

5.4.1 钟慢效应

钟慢效应,又称时间膨胀、爱因斯坦延缓,是狭义相对论的一个重要结论。根据狭义相对性原理,惯性系是完全等价的,因此,在同一个惯性系中,存在统一的时间,称为同时性,而相对论证明,在不同的惯性系中,却没有统一的同时性,也就是两个事件(时空点)在一个惯性系内同时,在另一个惯性系内就可能不同时,这就是同时的相对性,在惯性系中,同一物理过程的时间进程是完全相同的,如果用同一物理过程来度量时间,就可在整个惯性系中得到统一的时间。相对论导出了不同惯性系之间时间进度的关系,发现运动的惯性系时间进度慢,这就是所谓的钟慢效应。可以通俗的理解为,运动的钟比静止的钟走得慢,而且,运动速度越快,钟走的越慢,接近光速时,钟就几乎停止了。然而这种钟慢效应完全是主观的想象。

两个惯性系相对于绝对空间的运动状态无法确定,那么只能通过两个惯性系之间的相互运动来进行说明。两个惯性系AB,惯性系A相对于惯性系B以速率v运动,那么惯性系A内的钟比惯性系B内的钟慢了。无法否认,惯性系B也相对于惯性系A以速率v运动,那么惯性系B内的钟比惯性系A内的钟慢了。这样,惯性系A中认为自己的时钟比惯性系B的时钟慢;而同时,惯性系B中认为自己的时钟比惯性系A的时钟慢。这就出现了矛盾,惯性系A和惯性系B均相互认为自己的惯性系在相对另外惯性系运动,也都认为自己的惯性系中的钟慢。这就是所谓的时钟佯谬问题。

时钟佯谬的解释:在解释这种佯谬时候,为了突出问题的实质,可以这样来比较两只钟,一只钟固定在一个惯性系中,另一只钟则相对于这个惯性系作往返航行,如同在孪生子佯谬中乘宇宙飞船的孪生兄弟那样。当往返航行的钟回来时,它所显示时间和固定的钟所显示的时间相比,到底哪一个更长?显然,经历的固有时间间隔小的钟,相当于年龄增长慢的那一个孪生子。可以发现,不能简单地套用前面写出的那个洛伦兹变换,因为往返航行的钟并不是始终静止于同一个惯性系之中,而是先静止在一个惯性系(向远处飞去),后来又经历加速(或减速)转而静止在另一个惯性系(远处归来),而它的孪生兄弟即另外那一只钟则始终静止在一个惯性系中。由此可见,往返航行的钟和静止的钟的地位并不是等价的。其深层原因是两个孪生兄弟在闵可夫斯基时空图中的世界线是不相同的,这就反驳了孪生子佯谬

这种解释是不合理,也是不科学的。既然没有一个惯性系是优越的,惯性系A相对于惯性系B飞远又飞回,在惯性系B里的时钟一直静止在一个惯性系中,它认为惯性系A里的时钟飞远又飞回,惯性系转换了。然而,对于惯性系A中的时钟也同样认为,自己一直静止在一个惯性系中,是惯性系B里的时钟飞远又飞回,惯性系转换了。因为没有任何一个惯性系是优越的,运动均是相对于物质之间的运动,无法度量绝对运动。A相对于B运动的同时,B也相对于A运动。A认为自己比B快,B也同样认为自己比A快;或者A认为自己比B慢,B也同样认为自己比A慢,这种相互之间的主观判断,均是相互的,也是没有意义的主观判断。无论怎样的时钟都是等价的,仅仅是在对方眼里钟慢了。

任何的时间伸缩,都意味着存在时间的中断与不连续。因此,时间无法中断,时间无法伸缩,所谓时间伸缩都是人为设定的,如果存在时间伸缩,那么一定是所有空间、所有物质的时间伸缩,否则就存在时间的中断与不连续。

5.4.2 尺缩与质增

没有任何一个惯性系是优越的,运动均是相对于物质之间的运动,无法度量绝对运动。A相对于B运动的同时,B也相对于A运动。A增重了,那么B也同样增重,这种增重是没有意义的主观判断。

根据相对论,在加速器中,电子加速后质量增加,使速度不能达到光速。但同时,地球(地球由若干粒子构成)也相对粒子以同样的速度运动,地球上所有的粒子都会质增。被加速度的粒子质量增加5倍,地球的质量同时也增加5倍,然而,地球的质量并没有随着粒子的速度增加而增加。另外,地球上对若干粒子加速,被加速的粒子速度各不相同,那么地球的质增以哪个粒子为准,这就出现了矛盾。

如果空间有变形,那么所有的空间的变形必须一致,否则任何空间不同程度的变形,就会造成空间的中断或不连续。但这种所有的空间一致的变形就失去了意义。空间不能中断,也不能变形,空间是不受任何外界事物影响的。

物质绝对运动无法度量;物质的运动只能用物质度量;任何的惯性系、任何的运动都不是优越的。同样道理,任何的尺缩和质增都是相互的,仅仅是主观的观测效应,而并非客观事实。

5.4.3 时空弯曲

广义相对论:是一种关于万有引力本质的理论。爱因斯坦曾经一度试图把万有引力定律纳入相对论的框架,几经失败后,他终于认识到,狭义相对论容纳不了万有引力定律。于是,他将狭义相对性原理推广到广义相对性,又利用在局部惯性系中万有引力与惯性力等效的原理,建立了用弯曲时空的黎曼几何描述引力的广义相对论理论。

19世纪末由于牛顿力学和(苏格兰数学家)麦克斯韦(1831~1879)电磁理论趋于完善,一些物理学家认为物理学的发展实际上已经结束,但当人们运用伽利略变换解释光的传播等问题时,发现一系列尖锐矛盾,对经典时空观产生疑问。爱因斯坦对这些问题,提出物理学中新的时空观,建立了可与光速相比拟的高速运动物体的规律,创立相对论。狭义相对论提出两条基本原理。(1)光速不变原理:即在任何惯性系中,真空中光速c都相同,为299792458m/s,与光源及观察者的运动状况无关。(2)狭义相对性原理:是指物理学的基本定律乃至自然规律,对所有惯性参考系来说都相同。

爱因斯坦的第二种相对性理论(1916)。该理论认为引力是由空间——时间弯曲的几何效应(也就是,不仅考虑空间中的点之间,而是考虑在空间和时间中的点之间距离的几何)的畸变引起的,因而引力场影响时间和距离的测量。

任何时间的伸缩,都意味着时间中断与不连续,任何空间的变形也意味着空间的中断与不连续。因此时空在本质上是不能变形的,只是人为的假设,但这种假设也是会也会致使空间和时间的中断与不连续。

万有引力是EPDs的密度变化产生的,EPDs的分布等密度面为球面,这里并不是时空弯曲,而是EPDs密度变化的弯曲,爱因斯坦认为是时空弯曲物理意义上是不对的,仅仅是数值上的一种巧合。

5.4.4 相对论引力

爱因斯坦的广义相对论认为在任意参考系内,引力引起时空弯曲,因而时空是四维弯曲的非欧空间。时间空间的弯曲结构取决于物质能量密度、动量密度在时间空间中的分布,而时间空间的弯曲结构又反过来决定物体的轨道,它沿着弯曲空间中最接近于直线路径的测地线。然而,相对论引力脱离物质基础,采用时空弯曲作为引力来源值得进一步讨论:时间只能提供事件顺序信息,时间能够施加力仍需严格论证。空间只提供位置信息,空间能够施加力仍需严格论证。运动是相互的,相对的,质增、尺缩和钟慢效应也是相互的,相对的,各种效应在整个体系中是等价的。空间有无数个运动物体,每个物体相对于其它无数个物体具有无数个相对运动状态,致使该物体重量无法唯一确定。时间、空间为何伸缩,如何伸缩,伸缩性质,如何验证。时间、空间伸缩如何保持时间、空间不中断。

笔者认为整个体系中,时间和空间是处处等价的,任何的时间或空间伸缩都会造成时间、空间的中断,迄今,没有证据表明时间、空间能中断。另外,没有施力物体的力不存在,时空不能作为施力物体,因此相对论引力缺乏物质基础。

根据EPD理论,引力场是由EPDs密度变化产生的,引力始终指向EPDs密度梯度增加最大方向,因此EPDs引力不仅具有合理的理论基础,更具有坚实的物质基础。EPDs无处不在地存在使引力这种梯度力能够伸向无穷远。相对论引力缺乏物质基础和系列实验验证,物理意义存在争议,仅仅是数值上的巧合。

5.4.5 引力波

引力波是爱因斯坦在广义相对论中提出的,即物体加速运动时给宇宙时空带来的扰动。双星体系公转、中子星自转、超新星爆发,及理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程,都能辐射较强的引力波。引力波以波动形式和有限速度传播的引力场。引力波被认为是横波,有两个独立的偏振态;且在远源处为平面波,并携带能量。

根据EPD理论,引力场是由EPDs密度变化产生的,而一个正常的天体周围EPDs密度不会发生剧烈变化,只有在超新星爆发或超大天体的碰撞时,才会引起周围的EPDs密度发生剧烈变化,而这种剧烈变化会以波动方式由近及远不断传递,因此强烈的引力波很少见。另外,引力波与电磁波完全不同,引力波是疏密变化传递的波,是纵波,不具有偏振态;另外,引力波是体波,能量衰减较快。因此,引力波的强度很弱,直接探测引力波极为困难。

相对论引力具有缺乏物质基础等多种不自冾,引力场是EPDs密度变化产生的具有坚实物质基础与理论基础,并明确可见物之间只存在引力而不存在斥力的物理原因,并合理解释引力场超距作用的物理原因。分析表明引力波是一种EPDs的疏密波,揭示强烈引力波少见的原因;并明确引力波是不具有偏振态的纵波,且是能量衰减极快的体波,展现了引力波的强度弱,极难直接探测的特点

5.5 小结

(1) 高速运动真空摩擦、高速旋转真空摩擦证明真空不空,充满着不可见的暗物质。加速器中粒子不能超越光速的原因不是由于物质质量随速度而增加,而是由于加速电场的速度为光速,因此被加速粒子最大速度是光速,而不是超光速。超光速只能通过作用力和反作用力方法实现,但目前缺乏相关实用技术。通过被加速粒子的影响参数分析表明暗物质的真空摩擦是影响粒子极限速度差异的直接原因。正负电子对产生和湮灭证明暗物质的EPDs模型具有坚实的物质基础,进一步验证真空摩擦物质为可由正负电子对湮灭生产且可电离为正负电子对的暗物质。在任何时间,任何位置,任何方向都能接收到EPDs波长7.35cm的电磁信号,且只有这个频率的EPDs电磁辐射无法屏蔽,这是EPDs“热运动的直接证据。有暗物质无所不在的存在使星体自转和公转的速度均逐渐降低,是暗物质真空摩擦的另一个有效论证。

(2) 迈克尔逊-莫雷实验、斐索实验、钢盘转动实验和恒星光行差合理论证了具有质量的EPD的运动规律是完全自冾的,与电磁波传播机理是完全相符的。光线引力偏折、雷达回波延迟和引力透镜反应了EPD的密度变化规律,而不是EPD的实际密度。EPD的密度变化会引起电磁波偏折与速度变化。光电效应现象光的粒子性内在机理。光的系列现象反应光子理论的矛盾,而EPD的电磁波传递理论更具合理性。

(3) 相对论引力具有缺乏物质基础等多种不自冾,引力场是EPDs密度变化产生的具有坚实物质基础与理论基础,并明确可见物之间只存在引力而不存在斥力的物理原因,并合理解释引力场超距作用的物理原因。分析表明引力波是一种EPDs的疏密波,揭示强烈引力波少见的原因;并明确引力波是不具有偏振态的纵波,且是能量衰减极快的体波,展现了引力波的强度弱,极难直接探测的特点

 

 


6 基于EPD理论的量子力学理论论证

6.1 引言

量子力学(Quantum Mechanics)是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支,主要研究原子、分子、凝聚态物质,以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论。量子力学不仅是现代物理学的基础理论之一,而且在化学等学科和许多近代技术中得到广泛应用。19世纪末,人们发现旧有的经典理论无法解释微观系统,于是经由物理学家的努力,在20世纪初创立量子力学,解释了这些现象。量子力学从根本上改变人类对物质结构及其相互作用的理解。

量子力学认为,一切都是随机的,而且事实也是这样。然而在量子力学刚刚诞生时,由于量子力学及其随机性的标志,爱因斯坦提出:无论如何,我都确信,上帝不会掷骰子。微观粒子随机性规律被观测到的事实的原因一直没有被找到。随机性已经成为量子力学的代名词,而爱因斯坦认为量子力学本身不是终极真理。甚至一些学者采用意识来解释量子力学的物理现象,然而这给量子力学又增加了神秘感,更引起不同的怀疑。因此,采用EPD理论深入探讨量子力学理论,从更深层次剖析量子力学的内在因果。

6.2 威尔逊云室

威尔逊云室是英国科学家威尔逊(C.T.R.Wilson)1911年发明的一种仪器。水蒸气在尘埃或者离子通过的时候,会以它们为中心凝结成一串水珠,从而在粒子通过之处形成一条清晰可辨的轨迹,就像天空中喷气式飞机身后留下的白雾。利用威尔逊云室,可以研究电子和其它粒子碰撞的情况,结果电子的表现完全符合经典粒子的规律。捕捉电子位置的仪器也早就有了,电子在感应屏上,总是激发出一个小亮点。哪怕是电子组成衍射图案,还是一个一个亮点堆积起来的。波动说还是对光电效应、康普顿效应等等现象束手无策,而微粒说也还是无法解释双缝干涉。电子现在也被拉进有关光本性的这场战争,这使得战争全面地被升级。光到底是粒子还是波是个问题,而电子到底是粒子还是波也是个问题,整个物质世界到底是粒子还是波也成为了问题。

根据EPD理论可以完全调和这一矛盾问题,威尔逊云室表明无论你观测与否,电子都是个粒子,电子的运动轨迹也不是波动的,是完全符合宏观物质的运动规律。而观测到的各种电子干涉等显现,其本质上是运动的电子通过EPDs的规律震荡所发出的光。

6.3 康普顿效应

1923年,美国物理学家康普顿在研究X射线通过实物物质发生散射的实验时,发现散射光中除了有原波长λ0X光外,还产生了波长λ>λ0X光,其波长的增量随散射角的不同而变化。这种现象称为康普顿效应(Compton Effect)。用经典电磁理论来解释康普顿效应时遇到了困难,康普顿借助于爱因斯坦的光子理论进行解释。

根据EPD理论X射线通过EPDs的震荡传递,EPDs的震荡和物质微粒相互作用时,可能使得EPDs的震荡向任何方向传播,形成光的散射。EPDs和电子、质子这样的实物粒子一样,不仅具有能量,也具有动量。短波长电磁辐射射入物质而被散射后,在散射波中,除了原波长的波以外,还出现波长增大的波,散射物的原子序数愈大,散射波中波长增大部分的强度和原波长部分的强度之比就愈小。EPDs的震荡的能量一部分被电子吸收,因此,能量损失,波长变长。

6.4 物质波

物质波也被称为德布罗意波,是量子力学理论的核心内容。量子力学认为微观粒子没有确定的位置,在不测量时,它出现在哪里都有可能,一旦测量,就得到它的其中一个本征值即观测到的位置。

19254月,在美国纽约的贝尔电话实验室,戴维逊(C.J.Davisson)和革末(L. H. Germer)在做一个有关电子的实验。采用用一束电子流轰击一块金属镍。实验要求金属的表面绝对纯净,所以戴维逊和革末把金属放在一个真空的容器中,以确保没有杂志混入其中。然而,这个真空容器因为某种原因发生了爆炸,空气一拥而入,迅速氧化了镍表面。当时,去除氧化层需要对金属进行高热加温。金属由许许多多块小晶体组成的,而在加热之后,整块镍融合成了一块大晶体。虽然在表面看来,两者并没有太大的不同,但是内部发生剧变。当电子通过镍块后,产生了X射线衍射图案。但该过程并没有X射线,只有电子。电子在前进时,总是伴随着一个波。德布罗意把这种波称为相波”(phase wave),这被后人称为德布罗意波

根据EPD理论,电子在运动的过程中,电子本身的运动无异于宏观物质的运动,但运动的电子会引起EPDs产生震荡,产生电磁波。电磁震荡频率与电子的速度成正比,可以产生光的衍射或干涉图案。因此,运动的电子既可以观测到粒子宏观的粒子轨道,也可以观测到电子与EPDs相互诱导而产生的衍射或干涉图案。

6.5 电子双缝干涉

1907年,托马斯.扬实现了光的双缝干涉实验,再次引发了光的本质究竟是粒子还是波的争论,但此时的争论仍局限在经典物理的范畴内。1961年,蒂宾根大学的克劳斯·约恩松采用电子来进行双缝干涉实验。约恩松首先用电子流朝着并列的双缝轰击,按照设想,电子流通过双缝后应该在后面的屏幕上留下两条与双缝对应的亮纹。然而,在屏幕上出现的并不是两条亮纹,而是多条明暗相间的干涉条纹。约恩松很好奇,他设想是否是因为电子在电子流中互相拥挤碰撞,进而造成了多条干涉条纹。于是,他使用发射器将电子一个一个发出,这下就不会有碰撞了,然而在双缝后面的屏幕上仍然留下了一条条明暗相间的干涉条纹。经过争论,人们认为电子也具有波粒二象性,事情似乎是告一段落。

然而,1974年,米兰大学的梅里教授为研究电子到底是怎样通过双缝的,看看干涉条纹到底是如何形成的。他在双缝的入口安装了高精度的监视器,仍然通过发射器将电子一个一个发出。屏幕上的一条条干涉条纹不见了,只剩下了两条亮纹,而且通过监视器可以清晰地看到电子如粒子般一个个通过左缝或右缝,在屏幕上形成两条亮纹。

采用监控试图观察电子通过双缝的行为时,干涉条纹就消失;而监控关闭,屏幕上又出现了干涉条纹。按照量子力学主流的哥本哈根解释,在双缝干涉实验中,电子本身是既是粒子,又是波,即波粒二象性。当人们不对双缝加以观测时,电子呈现出波的特性,在屏幕上形成多条干涉条纹,此时可以认为人的意识中已将电子认定为波;而当人们观察双缝时,其意识中已经默认电子是粒子,因而干涉条纹就消失了,电子真的按照人的意识体现出粒子的特性,仅形成两条亮纹,尽管此时人的目的是想得到干涉条纹。总之,是人观测或不观测的行为,或者说是人将电子当作粒子或波的意识,决定着电子最终呈现为粒子还是波。

根据EPD理论,运动的电子对EPDs进行系列诱导而产生震荡,进而EPDs以电磁波的形式向前传递。无论观测与否,电子都是一个粒子,其运动特征符合宏观物质运动规律,本身并没有波动。而观测到的干涉图案并不是电子本身,而是电子诱导EPDs所产生电磁波的干涉。因此,这是十分容易验证的,无论电子是否通过双缝,都可以观测到干涉图案。只是观测电子时,对电子和EPDs均产生了扰动,致使EPDs的震荡频率发生变化,使光的频率不一,无法产生干涉。

6.6 微观粒子的波粒二象性

大量实验验证了电磁波具有波粒二象性,采用EPDs模型能够较好地解释该物理现象。由于EPDs是一种粒子,具有一定的质量和内部结构,在没有光线的情况下,EPDs处于一个稳定状态。当EPDs受到电磁波源的影响,由于获得大量的能量,e-e+的运动产生震荡,EPDs就形成了一对振荡EPDs。振荡EPDs对周围的EPDs产生作用,使其成为振荡EPDs。振荡EPDs能够与其它物质相互作用,使其它物质的运动状态发生改变。EPDs的能量不断变化,因此与物质作用更加强烈,也表现出强烈的粒子性。尤其当电磁波发射、接收或遇到障碍物时,都会表现出明显的粒子性。电磁波的传播是由于EPDs受到外界影响而形成了一对振荡EPDs,振荡EPDs的振动方向与电磁波的传播方向是相互垂直的,电磁波是一种横波,因此具有横波所具有的特性。

根据EPD理论,所有的波都是由粒子传递,即所有的波都具有粒子性。而所有的粒子均可以相互作用并传递波,即所有的粒子都有波动性。单个粒子的运动轨迹符合宏观物质运动规律,只能表现为粒子性,而观测到单个粒子的波动性往往是单个粒子引起系列EPDs震荡产生的电磁波的干涉效应。采用概率函数描述单个粒子,仅仅反应单个粒子的空间分布符合概率函数分布规律。大量粒子协同振动进行能量传播时主要表现为波动性,但同时也保持着粒子性的所有特质。这就是所谓的波粒二象性。

6.7 暗物质掷骰子

早在广义相对论之前,爱因斯坦就提出了光量子的概念,这直接催生了光的波粒二象性理论。量子力学的基础理论被同时建立起来,只是很长时间里,这一理论都处于被怀疑的状态。随机性成了量子力学的代名词,同时也是被人讨论得最多的一个问题。早在量子力学诞生以前,以牛顿为代表的经典物理学主张世界上不存在偶然,所有的随机事件都是可以通过计算预知的。量子力学的诞生对经典物理无疑是颠覆性的,如今的量子理论体系已经变得庞大起来,也有越来越多的实验结果表明,在这个领域中的一切都是关于概率,而不再是完全确定的状态。

宏观世界中,经典物理学已经可以很好地预测物体的各种状态,但是一旦进入微观物理,就看到了一个充满随机性的世界,这使爱因斯坦感到十分困扰。爱因斯坦和少数非主流派物理学家拒绝接受由薛定谔及其同事创立的理论结果。爱因斯坦认为,量子力学只不过是对原子及亚原子粒子行为的一个合理的描述,是一种唯象理论,它本身不是终极真理,因此爱因斯坦说上帝不会掷骰子。

之后他想到,宏观中的随机现象实则是一种可以预测的结果,就像空气中看似随机飘散的灰尘,其运动一定是复杂的力的作用的结果,类似的,看似随机的投骰子,也是遵循已知的物理规律的,只是我们之前认知有限,才会觉得它是完全随机的。同样,现在看来,量子表现出很强的随机性,那是否有可能这也是我们自身认知的缺陷导致的呢?也就是说:现有的量子理论可能仍然是不完善的,我们不应该认为微观世界的随机现象就是世界的本质,应该试图建立新的理论来解释这些随机性。

根据EPD理论,空间充满EPDs,粒子不断与EPDs相互作用。因此,微观物质的运动比随机飘散的灰尘的运动还要复杂,只能符合概率统计规律。总之,在微观世界里,暗物质不断对微观粒子掷骰子

6.8 量子力学因果论

量子力学认为,一切都是随机的,而且事实也是这样。然而,爱因斯坦深信,物理学规律是关于存在的规律,而不是一些可能性。微观粒子观测到的随机性规律被观测的事实,一直没有找到其随机性原因。随机性已经成为量子力学的代名词,而爱因斯坦认为量子力学本身不是终极真理,因为上帝不会掷骰子

根据EPD理论,微观粒子不断与EPDs相互作用。在微观世界里,EPDs不断对微观粒子掷骰子。微观粒子EPDs的时时刻刻、无处不在地相互作用无法准确计算,因此,描述微观粒子运动状态只能采用概率统计。微观粒子运动比灰尘在空中的随机飘散运动还要复杂,只能符合空间概率分布统计规律,这就是量子力学随机性的原因。

6.9 波函数坍缩

波函数坍缩指的是某些量子力学体系与外界发生某些作用后波函数发生突变,变为其中一个本征态或有限个具有相同本征值的本征态的线性组合的现象。波函数坍缩可以用来解释为何在单次测量中被测定的物理量的值是确定的,尽管多次测量中每次测量值可能都不同。

根据EPD理论,微观粒子EPDs的时时刻刻、无处不在地相互作用无法准确计算,由于微观粒子每一次的轨迹均不相同,只能用空间概率函数表示。但当观测电子时,观测的是已经发生的事情,轨迹是明确的。这与宏观的概率事件没有任何本质区别,比如在每次掷骰子之前只能用概率函数来描述整体的概率事件,通过调查任何影响概率分布因素并进行调整,也仅仅是调整概率分布函数,是无法改变掷骰子是一个整体的概率事件;但骰子掷出并停止后,掷骰子的一个整体概率事件就演化为一个单次的,确定性的骰子点数。同样道理,在没有观测时,微观粒子的运动只能用空间概率函数描述其运动规律,但一旦观测后,就像骰子落地停止一样,微观粒子的空间概率模型就变成单次确定性的事件。总之,不论宏观概率事件,还是微观粒子的空间概率分布,总体上均符合概率函数规律;一旦单次概率事件揭晓,无数次的概率模型坍缩成单次的确定事件,即:某个骰子的点数或某个空间是否出现微观粒子就一定会坍缩成10。波函数坍缩本质上是描述一个整体概率事件发生前的预测及其单次概率发生后的确定状态。

6.10 薛定谔的猫

薛定谔的猫是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的有关猫生死叠加的思想实验,是把微观领域的量子行为扩展到宏观世界的推演。认为微观物质有不同的存在形式,即粒子和波。通常,微观物质以波的叠加混沌态存在;一旦观测后,微观物质立刻选择成为粒子。实验假设在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。之后,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。在量子的世界里,当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的波态,即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后,外部观测者观测时,物质以粒子形式表现后才能确定。这项实验旨在论证量子力学对微观粒子世界超乎常理的认识和理解,可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理,客观规律不以人的意志为转移,猫既活又死违背了逻辑思维。

威尔逊云室表明无论你观测与否,电子都是个粒子,电子的运动轨迹也不是波动的,是完全符合宏观物质的运动规律。而观测到的各种电子干涉等显现,其本质上是运动的电子通过EPDs的规律震荡所发出的光。

微观粒子的粒子性和波动性是相辅相成的,与观测任何宏观物质没有任何本质区别,只是不同的观测手段,观测的注重点不同罢了。宏观物质是由粒子构成的,任何的物质都能传递波,不仅能传递机械波,也能发生各种电磁波,也会观测到粒子和干涉。只是观测宏观粒子的干涉、衍射并不常见。而电子的运动是有规律的,因此往往产生干涉现象。因此,所谓的粒子与波的叠加是:无论多个粒子,还是单个粒子都会表现为粒子性,多个粒子的运动轨迹是杂乱无章的,而单个粒子的运动是有据可循的。只有多个粒子才能表现为波动性,而单个电子的波动性实际上是大量EPDs的规律震荡表现出来的波动性。因此,单个电子只能用概率函数表示,一旦观测就是一个确定的值。无论你观测与否,活猫与死猫的概率在无限多次后均为50%。单次活猫的概率只有10,死猫的概率也是只有10

6.11 隐变量理论

隐变量理论是质疑量子力学完备性而提出的替代理论。历史上随着量子力学的发展,而提出了海森堡不确定原理等限制,一别于经典物理,诸如位置与动量等无法同时精准测出其值;此外关于粒子位置等特性由概率密度描述所取代。一些物理学家例如爱因斯坦,认为量子力学并未完整地描述物理系统的状态,亦即质疑量子力学是不完备的。因此量子力学的背后应该隐藏了一个尚未发现的理论,可以完整解释物理系统所有可观测量的演化行为,而避免掉任何不确定性或随机性。

在微观时间里,没有充分了解暗物质,即EPDs与微观粒子无处不在地相互作用,而EPDs与微观粒子的时时刻刻、无处不在地相互作用,造成了微观粒子运动的不确定性与随机性,这与宏观物质的运动没有本质区别,类似一粒尘埃在空中的运动、一颗悬浮物在水中的运动。而概率函数已经考虑了EPDs与微观粒子的时时刻刻、无处不在地相互作用,只是没有明确说明原因。因此,量子力学是相对比较完备的理论。通过暗物质的研究,将进一步了解微观粒子的运动规律与相互作用规律,会很大程度推动量子力学的发展。

6.13 互补原理

互补原理是玻尔在1928年提出:原子现象不能用经典力学所要求的完备性来描述。在构成完备的经典描述的某些互相补充的元素,在这里实际上是相互排除的,这些互补的元素对描述原子现象的不同面貌都是需要的。波和粒子在同一时刻是互斥的,但它们在更高层次上统一。光和粒子都有波粒二象性,而波动性与粒子性又不会在同一次测量中出现,那么,二者在描述微观粒子时就是互斥的;另一方面,二者不同时出现就说明二者不会在实验中直接冲突。同时二者在描述微观现象,解释实验时又是缺一不可的。因此二者是互补的,或者并协的

根据EPD理论,光是通过EPDs震荡传递能量的,同时具有EPDs的粒子性,同时也具有电磁波的波动性。由于EPDs是暗物质,只能通过其它可见物质的相互作用体现出其粒子性。而电子等为粒子,观测单个粒子轨迹时时,只表现为粒子性,而若干电子的统计时,复合统计函数规律。另外,通过电子与EPDs的相互作用形成光的干涉时,表现为波动性,因此波动性和粒子性是相辅相成的。

6.13 黑体辐射

马克斯普朗克于1900年建立了黑体辐射定律的公式,并于1901年发表。其目的是改进由威廉维恩提出的维恩近似。维恩近似在短波范围内和实验数据相当符合,但在长波范围内偏差较大;而瑞利-金斯公式则正好相反。普朗克得到的公式则在全波段范围内都和实验结果符合得相当好。在推导过程中,普朗克考虑将电磁场的能量按照物质中带电振子的不同振动模式分布。得到普朗克公式的前提假设是这些带电振子的能量只能取某些基本能量单位的整数倍,这些基本能量单位只与电磁波的频率有关,并且和频率成正比。

这即是普朗克的能量量子化假说,这一假说的提出比爱因斯坦为解释光电效应而提出的光子概念还要至少早五年。然而普朗克并没有像爱因斯坦那样假设电磁波本身即是具有分立能量的量子化的波束,他认为这种量子化只不过是对于处在封闭区域所形成的腔(也就是构成物质的原子)内的微小带电振子而言的,而这种束缚态必然导出量子化。普朗克没能为这一量子化假设给出更多的物理解释,他只是相信这是一种数学上的推导手段,从而能够使理论和经验上的实验数据在全波段范围内符合。

带电振子实际上为暗物质粒子,任何物体都具有不断辐射、吸收、反射电磁波的性质。电磁波在各个波段是不同的,也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关。辐射、吸收、反射电磁波均通过EPDs的震荡传递,能量与振荡频率相关。

6.14 热辐射

任何物体都具有不断辐射、吸收电磁波的性质。辐射出去的电磁波在各个波段不同,并具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关,因而被称之为热辐射。

根据EPD理论,任何物体都时时刻刻、无处不在地通过诱导震荡与EPDs相互作用并交换能量。这种诱导震荡的相互作用,本质上是电磁波。这也是任何物质时时刻刻吸收与释放电磁波的物质原因。

6.15 小结

(1) 威尔逊云室明确单个粒子不具有波动性,且完全符合宏观物质的运动规律。

(2) 通过康普顿效应、物质波和电子双缝干涉的系统分析,表明运动的粒子能够与EPDs相互诱导,产生规律的电磁震荡,进而能观察到EPDs传递规律电磁波的干涉与衍射等现象。在电子双缝干涉试验中,即使电子不通过双缝也始终有干涉图案存在。观测到的干涉图案并不是电子本身,而是微观粒子诱导EPDs所产生电磁波的干涉。微观粒子的波动性的本质原因是微观粒子诱导EPDs的电磁震荡。

(3) 在微观世界里,EPDs不断对微观粒子掷骰子。微观粒子EPDs的时时刻刻、无处不在地相互作用无法准确计算,因此,描述微观粒子运动状态只能采用概率统计。微观粒子运动比灰尘在空中的随机飘散运动还要复杂,只能符合空间概率分布统计规律,这就是量子力学随机性的原因。

(4) 微观粒子与宏观的概率事件没有任何本质区别,在没有观测时,微观粒子的运动只能用空间概率函数描述其运动规律,但一旦观测后,就像骰子落地停止一样,微观粒子的空间概率模型就变成单次确定性的事件。不论宏观概率事件,还是微观粒子的空间概率分布,总体上均符合概率函数规律;一旦单次概率事件揭晓,无数次的概率模型坍缩成单次的确定事件。波函数坍缩本质上是描述一个整体概率事件发生前的预测及其单次概率发生后的确定状态。

(5)任何物体都会不断与周围的EPDs时时刻刻、无处不在地相互作用,不断地放出或吸收电磁波,这是任何物体都具有不断辐射、吸收电磁波的根本原因。

7 基于EPD理论的宇宙模型论证

7.1 引言

直到20世纪,出现了两种比较有影响的宇宙模型。一是稳态理论,一是大爆炸理论。20世纪20年代后期,爱德温·哈勃发现了红移现象,认为宇宙正在膨胀。20世纪60年代中期,阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)发现了宇宙微波背景辐射。这两个发现给大爆炸理论以有力的支持。大爆炸宇宙论The Big Bang Theory)是现代宇宙学中最有影响的一种学说。大爆炸宇宙论认为宇宙是由一个致密炽热的奇点于138亿年前一次大爆炸后膨胀形成。宇宙曾有一段从热到冷的演化史,在这个时期里,宇宙体系在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化,如同一次规模巨大的爆炸。然而,大爆炸宇宙模型不断出现新的质疑,矛盾不断产生,使整个体系显得越来越不自冾。因此基于暗物质的电子偶模型对大爆炸理论进行系统论证。

7.2 多普勒效应

多普勒效应(Doppler effect)是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒(Christian Johann Doppler)而命名的,是于1842年首次被提出的理论。主要内容为物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。认为在运动的波源前面,波被压缩,波长变得较短,频率变得较高(蓝移blue shift);在运动的波源后面时,会产生相反的效应。波长变得较长,频率变得较低(红移red shift);波源的速度越高,所产生的效应越大。根据波红()移的程度,可以计算出波源循着观测方向运动的速度。

1842年的一天,多普勒正路过铁路交叉处,恰逢一列火车从他身旁驰过,他发现火车从远而近时汽笛声变响,音调变尖,而火车从近而远时汽笛声变弱,音调变低。他对这个物理现象感到极大兴趣,并进行了研究。发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动,使观察者听到的声音频率不同于振源频率的现象,这就是频移现象。因为,声源相对于观测者在运动时,观测者所听到的声音会发生变化。当声源离观测者而去时,声波的波长增加,音调变得低沉,当声源接近观测者时,声波的波长减小,音调就变高。音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比值有关。这一比值越大,改变就越显著,后人把它称为多普勒效应

匀速运动的火车从远而近时汽笛声变响与音调变尖均是一个逐渐变化过程,而火车从近而远时汽笛声变弱与音调变低,也是一个逐渐变化过程。如果频率与速度相关,车速不变,那么,将只会有两个频率,火车驶向观测者一个频率,而驶离观测者为另一个频率,且由驶向观测者到驶离观测者的瞬间频率变化。但事实上,火车驶向观测者时,频率是一点一点逐渐增大,而火车驶离观测者时,频率是一点一点逐渐减小。这表明声音的频率与距离有关,并非与速度相关。

当观测静止机器的轰鸣声时会发现,离近时声音尖锐,而离远时声音低沉。这也表明声音的频率与距离有关,并非与速度相关。

雷远声沉,雷近声脆也是同样的道理,雷很远的时候声音会很低沉,而在很近的时候声音会响亮而尖锐。这是因为距离较远时,声音频率降低较多。这也表明声音的频率与距离有关,并非与速度相关。

在平静的水面投1颗石子,水波呈圆形向外不断传递,能量会不断地被消耗,越远波动越小,而波长也会随之增长,直至能量被消耗完。也表明水波的频率与距离有关,并非与速度相关。

试验研究表明,平面脉冲声波在多孔介质中传播时,存在频率主值向低频移动。声场中的任意位置,声波的主频偏移与介质的衰减呈线性关系,对同一介质,声波的主频偏移与场点距声源的距离成正比。

20世纪初,哈勃与助手赫马森合作,对遥远星系的距离与红移进行了大量测量工作,发现远方星系的谱线均有红移,而且距离越远的星系,红移越大,红移大小与星系距离的关系经过了大量的测量验证。然而,星系的运动速度并没有得到进一步验证,目前仍有较大争议。这也表明电磁波的频率与距离有关,并非与速度相关。

一切星系都以地球为中心向四面散开,越远的星系间彼此散开的速度越大。飞离的速度与距离成正比,这意味着,地球就是大爆炸的奇点,这不仅不和逻辑,具有主观性,且奇点位置、奇点的形成、奇点密度等问题均无法得到合理有效解释。

另外,运动的波源前面,波被压缩,波长变得较短,这是不合逻辑的,运动速度小于声速时,为什么能压缩。另外,光是横波,振动方向与能量传播方向相互垂直,这种压缩更没有任何理由。

种种自然现象、物理实验与天文观测明确表明多普勒效应为在阻尼相同的条件下红移与传播距离成正比,而非与速度成正比。红移与阻尼相关,传播距离相同,阻尼越大红移越显著。另外,红移与频率相关,传播距离相同,频率越高红移越显著。

预测与验证:

1、进行不同距离的声频测试,采用较高声阻材料,效果明显,材料相同,主频相同,分析传播距离与频移关系。

2、进行不同阻尼的声频测试,距离相同,主频相同,分析传播阻尼与频移关系。

3、进行不同主频的声频测试,距离相同,阻尼相同,分析主频与频移关系。

4、进行水波试验,确定传播距离与波长的关系。

7.3 星系红移

1929年,美国天文学家哈勃发现,在宇宙空间不仅几乎所有的星系都具有谱线红移现象,而且还存在着星系的红移量与该星系的距离成正比的关系,因此认为越远的星系正在以越快的速度飞驰而去,这被称为哈勃定律。

哈勃定律提出,天文学家通过观测星系的谱线红移量,求出星系的视向速度,进而得出它们的距离。例如,一个以1700km/秒的速度远离而去的星系,其距离约1亿光年;一个以17000km/秒的速度远离而去的星系,其距离约10亿光年。目前已观测到的最远星系,正以与光速相差无几的速度远离而去,其距离达100多亿光年。为什么星系都在远离去呢?红移的本质是什么?为什么会存在哈勃定律?这些问题已经争论了半个多世纪了,但一直未能得到圆满的解释,因而成为天文学里的无解问题。在哈勃定律发表前两年,比利时天文学家勒梅特就提出了宇宙膨胀的概念。1930年,英国天文学家爱丁顿把勒梅特的模型和哈勃定律联系起来,称宇宙为膨胀的宇宙。1932年勒梅特进一步提出现在观测到的宇宙是一个巨大的原始火球爆炸而形成的。到了1940年,在发现了太阳的巨大能源来自热核反应后,美国物理学家伽英夫把宇宙膨胀论和基本粒子的运动联系起来,提出了热大爆炸宇宙学。他认为宇宙起源于高温、高密度的,原始火球的一次大爆炸。在热大爆炸模型提出后的一段时间内,很少有人关心它。直到1965年,美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊发现了3K微波背景辐射(也称宇宙背景辐射)后,才使大爆炸学说一跃成为最有影响的学说。随着其他研究者的后继测量,宇宙背景辐射已成为大爆炸模型有效性的有力见证,成为考虑宇宙中大足度流动的有用的绝对框架,还因其表现的各向同性,成为发表星系形成理论的重要约束。

另外一些天文学家不认为星系谱线红移是由它们的退行速度引起的,因此也就不存在宇宙膨胀的问题。然而,要在多普勒效应之外,再找出红移的另一种解释。有一种解释认为:发出光谱的天体因本身的物理状态不同而产生红移。例如由于星系那里引力特别大,因此发出的光谱中红移特别大,这叫做引力红移。引力红移是广义相对论的预言之一。根据广义相对论,当一个观察者从远离引力场的地方,观测处在引力场中的辐射源发射出来的光的时候,谱线会向长波方向移动,移动量与辐射源和观测者两处引力势差的大小成正比。这种效应最初是在白矮星中得到证实的。但根据引力理论计算的结果来看,引力对红移的影响很小,不足以说明观测到的星系红移现象。另一种解释则认为光线与传播途中物质相互作用产生红移。光线由星系发出之后,要经过若干万光年才能到达地球,光在长途传播中要穿透许多星系区域,光和物质发生了某种相互作用,使光谱产生红移。星系越远,途中遇到的物质就越多,因而红移也就越大,但光与物质相遇如何相互作用而产生红移,还没有令人满意的解释。

少数天文学家认为类星体红移不是宇宙学的。对某些类星体和亮星系进行抽样统计研究,发现有些互相成协(即联在一起)的星系或成协的星系和类星体彼此之间的红移量完全不同或相差很大。另外发现有些类星体的光谱中,其吸收线的红移量与发射线的红移量互不相同,而且不同的吸收线还有各不相同的红移量,即多重红移。目前,已提出的除了引力红移、光子老化、物理常数变化等红移机制外,还有一种所谓的横向多普勒效应

哈勃与助手赫马森合作发现远方星系谱线的红移与距离成正比,这是唯一被大量实验数据证实的。然而,星系的运动速度并没有得到进一步验证,目前仍有较大争议。根据EPD理论,电磁波由EPDs传递,频移与传播距离、EPDs密度有关。

预测与验证:

1、采用较高声阻尼物质进行测试,测量声频与距离关系。

2、采用较高频率的光,如γ射线在光的高阻尼介质,如金、银、铂等物质中传播。

3、哈勃发现星系红移量与该星系的距离成正比的关系的事实,只是越远星系正在以越快的速度飞驰而去的推论存在问题。

7.4 引力红移

引力红移,是强引力场中天体发射的电磁波波长变长的现象。广义相对论认为当从远离引力场的地方观测时,处在引力场中的辐射源发射出来的谱线,其波长会变长一些,也就是红移。只有在引力场特别强的情况下,引力造成的红移量才能被检测出来。引力红移现象首先在引力场很强的白矮星(因为白矮星表面的引力较强)上检测出来。

在爱因斯坦完成广义相对论之前,他就已经得出引力将会影响光波频率和波长的结论。由于引力的作用,当向上行进远离地表的时候光波会损失一部分能量,从而波长变长,频率下降。但是由于地球引力不是很强,这个效应并不明显。直到1960年,哈佛大学的庞德、雷布卡和斯奈德采用穆斯堡尔效应的实验方法,测量由地面上高度相差22.6米的两点之间引力势的微小差别所造成的谱线频率的移动,定量地验证了引力红移。结果表明实验值与理论值完全符合。

为了测量这种光波频率的细微改变,物理学家们必须找到一个频率能够被非常精确地测定的电磁波辐射源。直到1959年穆斯堡尔效应被发现,实验的条件才具备。这种效应是由德国海德堡(Heidelberg)普朗克研究所(Max Planck Institute)的穆斯堡尔发现的。穆斯堡尔发现,如果辐射伽马射线的原子核是包含在一块高质量晶体内的大量原子核中的一个,那么每一次辐射出来的伽马射线的能量几乎完全相同。辐射出来的伽马射线可以被另外一个处于基态的同一种原子核吸收,但是这种情况只有在辐射伽马射线的原子核和吸收伽马射线的原子核之间没有相对运动的时候才有可能发生。由于存在多普勒效应,任何相对运动意味着会导致光波的频率改变,从而不能被同一种的另一个原子核吸收。

庞德等人在哈佛大学的杰弗逊物理实验室(Jefferson Physical Laboratory)的塔顶,距离地面74英尺的高度,放置了这样的一个伽马射线辐射源,并在地面设置了探测器。他们将辐射源上下轻轻地晃动,同时记录探测器测得的信号的强度。通过这种办法,他们可以确定为了补偿引力造成的频率改变所需要的相对速度差,确定了相对速度差就可以知道频率改变了多少。

然后,他们将整个实验装置反过来,辐射源放置在地表,而探测器放在塔顶,并测量频率的改变。结合上下两个方向的实验数据,他们可以消除由几个不同因素造成的实验误差。上下两个方向的实验测量结果之间的差别很小,如果把光波原来的频率分成均匀的1015份,频率的改变仅相当于占了其中的几份而已。但是这已经足够了,正是这个微小的差别体现了纯粹由引力造成的差别,这个实验在百分之十的精度内验证了爱因斯坦的理论预言。到1964年的时候,他们又改进了这个实验,使得理论和实验在百分之一的精度之内吻合。

多普勒效应为红移与阻尼相关,阻尼越大红移越显著。因此光在宇宙中传播一般是红移与传播阻尼成正比,而经过比较大的星系或多个星系,暗物质大量堆积。由于暗物质高度密集,使其暗物质振荡受到极大约束,阻尼显著提高,因此星系红移更加显著。

7.5 宇宙微波背景辐射

1934年,托尔曼(Tolman)发现在宇宙中辐射温度的演化里温度会随着时间演化而改变;而光子的频率随时间演化(即宇宙学红移)也会有所不同。但是当两者一起考虑时,也就是讨论光谱时(是频率与温度的函数)两者的变化会抵消掉,也就是黑体辐射的形式会保留下来。

1948年,美国科学家阿尔弗(Ralph Alpher)和赫尔曼(Robert Herman)预言,宇宙大爆炸产生的残系辐射,由于宇宙的膨胀和冷却,它所具有的温度约为绝对零度以上5K

1964年,美国贝尔实验室的工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊架设了一台喇叭形状的天线,用以接受回声卫星的信号。为了检测这台天线的噪音性能,他们将天线对准天空方向进行测量。在波长为7.35cm的地方一直有一个各向同性的讯号存在,这个信号既没有周日的变化,也没有季节的变化,因而可以判定与地球的公转和自转无关。起初他们怀疑这个信号来源于天线系统本身。1965年初,他们对天线进行了彻底检查,发现天线上有一些鸟屎。清理了天线上的鸟屎后,然而噪声仍然存在,于是他们在《天体物理学报》上以《在4080兆赫上额外天线温度的测量》为题发表论文正式宣布了这个发现。不久狄克、皮伯斯、劳尔和威尔金森在同一杂志上以《宇宙黑体辐射》为标题发表了一篇论文,对这个发现给出了解释,即:这个额外的辐射就是宇宙微波背景辐射。他们认为这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K,并在1965年又订正为3K

微波背景辐射的另一特征是具有极高的各向同性。这具有两方面的含义:小尺度上的各向同性:在小到几十弧分的范围内,辐射强度的起伏小于0.2%大尺度上的各向同性:沿天球各个不同方向,辐射强度的涨落小于0.3%

EPDs是电磁场物质,不仅是电磁辐射介质,而且本身也进行着一定的热运动。而这种热运动会产生所谓的宇宙微波背景辐射。只要有EPDs的地方就会有这种宇宙微波背景辐射;而这种热运动的程度与EPDs的密度和温度相关,密度不同则波长不同。另外,如果是来自宇宙的辐射,那么这种辐射是可以进行电磁屏蔽的,而EPDs充满整个宇宙,渗透进任何物质,在任何位置都会进行热运动,因此只有这个频率是无法屏蔽的。

预测与验证:

1、将测试的整个空间进行电磁屏蔽,进行测试,检验是否仍能接收到相同的宇宙微波背景辐射。

2、随着离地高度的变化,EPDs密度会逐渐降低,那么所谓的宇宙微波背景辐射波长将会产生变化。

7.6 暗能量

1917年,爱因斯坦提出广义相对论导出的一组引力方程式,方程式的结果都预示着宇宙是在做永恒的运动,这个结果与爱因斯坦的宇宙是静止的观点相违背,为了使这个结果能预示宇宙是呈静止状态爱因斯坦又给方程式引入了一个项,这个项称之为的宇宙常数

后来人们经过哈勃空间望远镜观测发现,星系红移大小与星系距离呈比例关系。但却由于多普勒相应的误解而误认为河外星系的视向退行速度与距离成正比,即距离越远,视向速度越大。

然而,种种自然现象、物理实验与天文观测明确表明宇宙并没有不断膨胀。暗能量的概念与构思与不断膨胀的宇宙相关的思想就需要调整。另外,宇宙中充满着暗物质,且其总重量是可见物质的6倍左右,暗物质不仅是一种万有引力物质,也是电场、磁场、电磁场和引力场的载体。暗物质不仅因本身的热运动而具有大量热能,而且由于是各种场的载体,蓄积了大量的场势能,在这种意义上,暗物质蓄积大量的能量,影响着整个宇宙的运动与演化。

没有可见物质影响时,暗物质本身不能形成场。当受到外界物质影响时,产生不同的势能,并形成各种场,即各种场是暗物质的不同势能。暗物质因为电荷存在而极化,进而产生电势能,并形成电场。暗物质因为电流或磁性物质存在而轨道偏转,进而产生磁势能,并形成磁场。暗物质因为可见物质密度提高,进而产生引力势能,并形成引力场。

当各种场变化时,存在着动能和势能的转化过程,在变化的过程中会以波的形式传递能量,暗物质密度变化会传递引力波;而电场和磁场的变化会传递电磁波。

暗物质本身也具有内能,暗物质粒子不断地进行热运动,这种热运动会通过一定的电磁波进行能量交换。

7.7 宇宙半径论证

目前,宇宙可观测的最大直径有930亿光年,以地球为中心的可观测宇宙半径有465亿光年。所观测的光线是465亿年前来自于465亿光年处的星系所发出的光。也就是说,在465亿年前,它已经就在距离地球465亿光年的位置上。这里存在大量的矛盾需要考察与严密论证。

首先,在宇宙可观测半径以外是没有空间还是没有物质?这个需要严密的论证。

其次,宇宙的边界的构成需要严密论证。宇宙的边界到底是什么,为什么就成为了边界?

再者,边界处的星体运行规律是怎样的?也需要严密的考察,会跨越边界吗,会与边界发生碰撞吗?

另外,在边界处的星体发光只照向宇宙的内部吗?会跨越宇宙边界吗?

最后,为什么地球位于可观测的宇宙中心,这明显具有主观性。

总之,宇宙的半径、边界的形态与构成,边界的星体运行规律,以及边界星光的传递方向等问题存在大量矛盾,均需要严密的论证。

宇宙的观测一直不断地发展,宇宙可观测半径随着技术的发展也不断扩大。而实际上,宇宙可观测半径是人类观测能力范围的半径,并不是宇宙真正的半径。

7.8 宇宙年龄论证

欧洲航天局2013321日公布了普朗克太空探测器传回的宇宙微波背景辐射全景图,并且把宇宙的精确年龄修正为138.2亿年。然而,宇宙的年龄存在着大量矛盾值得深入讨论和严密论证。

138.2亿年以前,宇宙的状态需要严密论证,这里必须存在宇宙进化经历着生死循环。否则在此次宇宙诞生之前时间为无限长,诞生前的宇宙已经存在了无限长,这种无限长意味着大爆炸发生前为穏恒态宇宙,为什么这种穏恒态宇宙在138.2亿年以前发生了宇宙大爆炸,这里的机理需要严格的论证,另外前一次的大爆炸时间与下一次的大爆炸时间需要严格地论证与周密地计算。但目前还没有任何关于上一次爆炸的时间与下一次大爆炸的时间报道。

7.9 大爆炸触发条件论证

大爆炸之处,体积无限小、密度无限大、温度无限高、时空曲率无限大的奇点。空间和时间诞生于某种超时空——部分宇宙学家称之为量子真空,其充满着与海森堡不确定性原理相符的量子能量扰动。然而,奇点的形成过程至今无法得到合理说明与解释。

首先,物质都同时具有引力和斥力,物质体积不能被无限压缩。这种无限大的压力来自于哪里?即使存在着无限大的压力,物质的斥力增加速度远远大于引力增加速度,随着不断压缩,物质间的斥力会急速增加,物质也无法被无限压缩,体积也不能无限小,密度也不能无限大。物质体积无限小,意味着这种无物质没有体积,即不占有空间,体积为零的物质不存在。

其次,能量只会从能量高物质传向能量低的物质,或从温度高的物质传递给能量低的物质。温度无限高意味着能量无限大,能量来自于什么物质,来自于哪里?这需要系统的讨论和严密的计算。

最后,至于时空曲率无限大,也需要系统的讨论和严密的计算。时间和空间的变化,以及时间与物质的作用力,空间与物质的作用力均缺少严密的论证。实际上,宇宙奇点不会产生,仅仅是一个理论的假设。总之,自然情况下无法达到大爆炸的触发条件。

7.10 大爆炸演化过程论证

爆炸之初,物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀,导致温度和密度逐渐下降。随着温度降低、冷却,逐步形成原子、原子核、分子,并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云,星云进一步形成各种各样的恒星和星系,最终形成如今所看到的宇宙。大爆炸理论需要一个完美的循环机制,然而目前来看,大爆炸是一个无法循环的宇宙模型。

首先,大爆炸整体循环的机制仍不完备,究竟大爆炸循环需要经历哪些阶段仍不明确,因此至今也没有估算出下一次大爆炸的时间与过程。

其次,具体的阶段形成过程与触发机制仍不健全。例如,大爆炸的奇点的形成的有效机制仍缺乏,违背了现有的力学机理、能量传递机理等。

因此,大爆炸需要提出一个完整的循环过程,并对整个过程进行不同步骤的细化,以及对不同步骤的触发条件与发展过程进行严密的论证。

7.11宇宙大爆炸后星系运动轨迹论证

目前,星系均为成团成系分布,个星系均具有各自的中心,且围绕这各种的中心运动,这致使各星系呈现为扁平化。宇宙爆炸后星系运动轨迹无法合理解释。

哈勃与助手赫马森合作发现远方星系谱线的红移与距离成正比,这是唯一被大量实验数据证实的。所有星系均加速远离地球并没有得到进一步验证。

另外,所有星系()均加速远离地球的证据不仅不充分,而且地球是大爆炸的奇点明显具有主观性。为什么地球是大爆炸的奇点,加速离开的速度和加速度是否明确确定,速度与加速度与什么因素有关,这里的力学机理是否完备?这个都需要进行完备而严密的论证。

7.12 奥伯斯佯谬

奥伯斯佯谬由德国天文学家奥伯斯于1823年提出,并于1826年修订。若宇宙是穏恒态而且无限的,则晚上应该是光亮而不是黑暗的。在此之前,类似的想法已由开普勒于1610年及夏西亚科斯于十八世纪提出。奥伯斯佯谬又称夜黑佯谬或光度佯谬。

1781年,哲学家伊曼努尔·康德在他的里程碑式的著作《纯粹理性批判》中深入的辨析了宇宙在时间上有无开端、空间上有无极限的问题,他称这个问题是纯粹的二律背反(即矛盾)。他论证道:如果宇宙没有开端,则任何事件前都必有无限的时间,这是荒谬的;而如果宇宙有一个开端,那么宇宙开端前是什么时间呢?康德认为正反两方面都存在令人信服的论据。事实上他的论证基于了一个隐含的假设,即不管宇宙是否存在了无限久,时间都可以无限地倒溯回去。

1826年,奥伯斯指出,一个静止、均匀、无限的宇宙模型会导致如下结论:黑夜与白天一样亮。但实际上夜空却是黑的。理论同观测的这种矛盾称为奥伯斯佯谬。采用天体之间有吸光物质、天体寿命有限或天体有演化、引力常数随距离而变化等都难以解决奥伯斯佯谬。在现代的膨胀宇宙模型里,奥伯斯佯谬不存在。这个矛盾是从观测和理论相联系的角度考虑宇宙的大尺度性质时提出来的。它标志著科学的宇宙学的萌芽。

假如宇宙是穏恒态而无限,而且有无数平均分布的发光星体,则无论望向天上哪一位置都应该见到一粒星体的表面,星与星之间便不应有黑暗的位置,黑夜时整个天都会是光亮的。更确切的表述是,如果宇宙是稳恒,无限大,时空平直的,其中均匀分布着同样的发光体,由于发光体的照度与距离的平方成反比,而一定距离上球壳内的发光体数目和距离的平方成正比,这样就使得对全部发光体的照度的积分不收敛,黑夜的天空应当是无限亮的。

首先,这种观点是将物质、能量和空间混淆,如果没有可见物质,无论光线多强,都是不可见的,空中大多空间是没有可见物质的,因此一片黑暗。

其次,任何的恒星发射光,无论是空间上还是时间上都是非连续的,即在球面上发的光是不连续的,在同一个点发射的光也不会连续的。即在空间上和时间上都是不连续的,因此,任何一个恒星的发光都不能分布在整个宇宙空间。

再者,由于万有引力作用,恒星等星体均是成团成系存在,整个广袤的宇宙空间,恒星相当于整个空间很小,释放的能量也是有限的。

另外,远处星光会被宇宙间黑暗的星体,尘埃和气体阻隔,能量被星云等物质吸收,而星云等物质温度极低。星云等物质能量也很难积累,温度很难升高,一直以极低的温度存在,只能通过不可见光向外辐射能量,只有部分折射、散射或反射的光线才是可见的,然而这些物质极其稀疏,达到一定距离后很难可见。

最后,恒星所发的光能量经过长距离传递,能量损失,并且被各种不同星体或星际物质吸收,而这些星体或物质温度较低,只能通过不可见光的形式向外辐射能量,因此即使宇宙是穏恒态、无穷大的夜空也会是一片黑暗。

预测与验证:

在无可见物质的空间是否能观察到可见光线。

7.13 小结

(1) 种种自然现象、物理实验与天文观测明确表明多普勒效应为在阻尼相同的条件下红移与传播距离成正比,而非与速度成正比,且阻尼越大红移越大,频率越高红移越大。光经过星体时,由于暗物质大量堆积,使其暗物质振荡受到极大约束,阻尼显著提高,红移更加显著。EPDs是电磁场物质,不仅是电磁辐射介质,而且本身也进行着一定的热运动。而这种热运动会产生所谓的宇宙微波背景辐射。

(2) 多普勒效应、星系红移和宇宙微波背景辐射的分析表明宇宙并没有不断膨胀。暗能量概念及其与不断膨胀宇宙相关的思想需要调整。宇宙中充满着暗物质,暗物质不仅是一种万有引力物质,也是电场、磁场、电磁场和引力场的载体。暗物质不仅本身的热运动而具有大量热能,而且由于是各种场的载体,蓄积了大量的场势能,在这种意义上,暗物质蓄积大量的能量,影响着整个宇宙的运动与演化。

(3) 奥伯斯佯谬是将物质、能量和空间混淆,如果空间没有可见物质,无论光线多强,都是不可见的。而宇宙中大多空间是没有可见物质的,因此一片黑暗。恒星的发光在时间和空间上都是非连续的,任何一个恒星的发光是有限的,不能遍布整个宇宙空间。由于万有引力作用,恒星等星体均是成团成系存在,相对于整个广袤的宇宙空间,恒星空间占比极小,释放能量更有限。另外,恒星光线被宇宙间黑暗星体,尘埃和气体吸收,由于温度较低,只能通过不可见光向外辐射能量,只有部分折射、散射或反射的光线才是可见的,然而这些物质极其稀疏,达到一定距离后,只能通过特殊光学仪器才能发现。因此即使宇宙是穏恒态、无穷大的,夜空也会是一片黑暗。

 


8 有序无限循环时空宇宙模型

8.1 引言

有序无限循环时空宇宙模型是绝对无限的宇宙空间,充满着各式各样的物质,物质的形态各异、体型各异。由于万有引力存在,物质自身质量和相互间距差异而产生不同的相互作用,物质的密度整体与局部均显现为一定的不均匀,且均有序运动。在可见物质和暗物质共同作用下,通过恒星不断演化,氢元素不断聚变成较高原子量元素,又通过一定的再生机制生产氢元素,实现有序有限循环。

8.2 宇宙可观察尺度

目前,对于宇宙具体的形状和大小数据存在分歧,但是至少对于一点可以进行非常精确的计算,那就是可以看多远。事实上所能观察到最遥远的星系的距离达到了465亿光年。地球并非居于宇宙的中心,但是确实居于可观测宇宙的中心,这是一个直径约为930亿光年的球体。

实际上465亿年以前,这些星球就已经位于465亿光年的位置上了。也就是说465亿年以前,可观测到的宇宙就有930亿光年那么大了。

迄今,所能观察到最遥远的星系距离地球465亿光年。探测宇宙能力将不断进行,不远的将来,所探测的宇宙范围能达到千亿光年、万亿光年。然而无论探测距离有多远,还有更远的空间无法探测。宇宙是没有边界的,所谓的边界是所探测能力的边界。

8.3 宇宙起源

这是从2000多年前的古代哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索的问题。经过了哥白尼、赫歇尔、哈勃的从太阳系、银河系、河外星系的探索宇宙三部曲,宇宙学已经不再是幽深玄奥的抽象哲学思辨,而是建立在天文观测和物理实验基础上的一门现代科学。直到20世纪,出现了两种宇宙模型比较有影响。一是稳态理论,一是大爆炸理论。

8.1 大爆炸宇宙学图解

大爆炸宇宙学的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化历程(见图8.1)。在这个时期里,宇宙体系并不是静止的,而是在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。在宇宙的早期,温度极高,在100亿度以上。物质密度也相当大,整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀,结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时,中子开始失去自由存在的条件,它要么发生衰变,要么与质子结合成重氢、氦等元素;化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后,早期形成化学元素的过程结束。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时,辐射减退,宇宙间主要是气态物质,气体逐渐凝聚成气云,再进一步形成各种各样的恒星体系,成为今天所看到的宇宙。

大爆炸理论认为,宇宙起源于一个单独的无维度的点,即一个在空间和时间上都无尺度但却包含了宇宙全部物质的奇点。至少是在120150亿年以前,宇宙及空间本身由这个点爆炸形成。在一次无与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片,形成了今天的宇宙。

德国物理学家克劳修斯指出,能量从非均匀分布到均匀分布的那种变化过程,适用于宇宙间的一切能量形式和一切事件,在任何给定物体中有一个基于其总能量与温度之比的物理量,他把这个物理量取名为,孤立系统中的永远趋于增大。但在宇宙中总会有高和低的区域,不可能出现绝对均匀的状态。那种认为由于水平的不断升高而达到最大值时,宇宙就会进入一片死寂的永恒状态,最终热寂而亡的结局,当宇宙膨胀到一定程度,所有星系行星会疏离,分子分解至夸克,而至更小。整个宇宙继续膨胀,变成死寂状态,这是不合理的。

宇宙至今仍存在,一定存在着自我循环与再生机制。那么大爆炸必须是可循环的,一些科学家认为宇宙将再变成一个高密度、小体积的球体。缩小到一定程度后,将再次发生大爆炸。根据能量守恒定律,宇宙的能量并没有消亡。但是,却没有人能解释,大爆炸每次循环时间、空间、分子结构等。另外,物质汇集到一个奇点上是如何进行的;在宇宙起源之前是什么状态,这些都无法解释。而且,任何物质都是占有空间的,即不占有空间的物质是不存在的,那么就不存在密度无穷大的奇点。

1929年,美国天文学家哈勃根据星系的观测得到了红移量与星系间的距离成正比,哈勃定律的物理宇宙论陈述为来自遥远星系光线的红移与他们的距离成正比,而并非是与所谓的退行速度成正比。种种自然现象、物理实验表明多普勒效应为在阻尼相同的条件下红移与传播距离成正比,而非与速度成正比。

1964年,美国工程师彭齐亚斯和威尔逊探测到波长为7.35厘米的微波噪声,认为是3K的微波背景辐射,然而这种辐射不是来自宇宙,而是无法屏蔽的,到处都存在的EPDs的辐射。

目前大爆炸理论认为宇宙年龄约为138.2亿年,然而,宇宙最大直径竟有930亿光年,以地球为中心的可观测宇宙半径有465亿光年。也就是说,在465亿年前,它已经就在距离地球465亿光年的位置上,用大爆炸理论不能做出合理解释。

因此,大爆炸理论是不合理的,而宇宙没有年龄,没有开始,也将没有尽头。

8.4 宇宙内的星系

这张照片是美国宇航局哈勃空间望远镜获得的最深邃的影像之一

8.2 美国宇航局哈勃空间望远镜获得的最深邃的影像

完整的图像

8.3 美国宇航局哈勃空间望远镜获得的完整图像

8.2是美国宇航局哈勃空间望远镜获得的最深邃的影像之一。哈勃望远镜对准天空中的一小块区域进行长时间的曝光——长达数月,尽可能地捕获每一个暗弱的光点。图8.3为一完整的图像,其中包含有1万个星系。随着对于宇宙尺度的测量精度的不断提高,将很快找到一种绝佳的描述宇宙中遥远天体距离的方法。

在距离地球比较近的空间内,在距离地球约10亿光年的距离内存在一个超星系团的海洋。这些是被引力作用聚集在一起的大量成员星系。银河系本身是室女座超星系团的成员,这个超星系团正位于这张图像中中央位置。在这个巨大的超星系团结构中,银河系毫无特别之处,它只是位于一隅之地的普通成员星系而已。在这一宏伟结构中占据统治地位的是室女座星系团,这是一个由超过1300个成员星系组成的庞大集团,其直径超过5400万光年。另一个超星系团是后发座超星系团,它的位置恰好位于北方巨壁(Northern Great Wall)的中心位置。北方巨壁是一个大到令人难以想象的巨型结构,其直径约有5亿光年,宽度约3亿光年。星系附近最大的超星系团是时钟座超星系团,其直径超过5亿光年。

最遥远的天体

8.4 最遥远的天体

8.4 中间部位那个不太显眼的模糊光点事实上是一个星系,距离地球315亿光年。

星系蝴蝶图

8.5星系蝴蝶图

宇宙中的星系分布并非呈现随机状态,由于引力的作用,星系倾向于相互接近,从而形成规模巨大的聚合体,如星系团,超星系团,大尺度片状结构乃至所谓的巨壁。天文学家们开始着手纪录这些星系在三维空间中的位置,他们很快成功地制作出较近距离范围内星系的三维分布图。大部分此类巡天观察都将注意力集中在距离地球70亿光年之内的范围,但他们在此过程中也发现了许多类星体,这是宇宙中亮度惊人的奇特天体,其距离可能是70亿光年范围的4倍以上。在全部这些努力中,斯隆数字巡天(SDSS)可能算是规模最大的一个。参与这一项目的天文学家们目前已经基本完成对1/3天空的巡天观察,并在此过程中记录下超过5亿个天体的精确位置信息。图8.5来自另一项巡天计划,这是目前规模位居第三的巡天项目。这张图像中之所以会缺失很多地方,是因为银河系的阻挡,很多天区都无法进行观测。

宇宙之网

8.6 宇宙之网

8.6是一份计算机模拟的宇宙所呈现的纤维网状结构,其中分布着节点,纤维带和层。这种复杂结构的起源来自宇宙微波背景辐射中微小的涟漪,这是其中密度微小变化的体现。星系巡天的结果显示宇宙似乎显示一种泡沫网状结构。几乎所有的星系都分布在狭窄的纤维带上,而在它们的中间则是巨大的空洞,天文学上称为巨洞

宇宙中包括可见物质和暗物质,可见物质主要是氢、氦、锂、铍等元素,而暗物质主要是EPDs。宇宙中大量分布着暗物质,暗物质由于可见物质的存在而表现为不均匀性,正是由于这种不均匀性形成了万有引力。在宇宙中不存在没有暗物质的空间,而暗物质粒子具有极小的质量。正是由于暗物质无处不在地存在,才使万有引力的手伸到无穷远。如果地球与地球上的物质之间、地球与月亮之间、地球与太阳之间、太阳与银河系之间、银河系与其它星系之间没有暗物质,万有引力之手是如何伸到亿万光年以外的?

8.5 恒星演变

8.5.1 恒星生成触发条件

随着计算机性能提高、数值计算技术发展,以及数以百万计的恒星观察记录,使在推测恒星形成初始机制方面、恒星形成的物理、化学环境方面以及在宇宙的历史中恒星群的位置及出现时间方面都有了较大的进展。

在最简单的假想环境中,拥有一些可见物质的恒星是独立于其它恒星,而独自形成。这种类型恒星形成过程中最初的两个阶段:首先是在一个主要由氢分子组成的星云中形成一个有边界的引力核,然后该引力核在自身引力作用下发生崩溃。在这一部分里,最有意思的一点是,如何从引力核的崩溃过程中克服气体紊流及磁场作用的影响,形成一个原恒星。还有一些人认为恒星是成群形成的,而不是单个独立形成的。若这种情况成立的话,当讨论一颗恒星的形成环境时,就要考虑到来自其周围其它星体物质的气流以及冲击波的影响。最早的恒星就是在相当紊乱的、相互影响的环境中形成的。不管恒星的年龄及周围环境如何,它们都有着类似的初始质量方程。这种一致性真是出乎意料,它表明所有的恒星有着类似的形成机制。

恒星的形成是天体物理学领域中最为基础性的问题,因为它是解答其它许多问题所必须首先解决的问题。

所有的恒星有着类似的形成机制,且均需要一个触发条件,即具有一定质量和旋转速度的星体,或若干个星体集合。当这个星体在星云内部,由于万有引力作用不断向该星体密集,另外,由于该星体高速旋转,因此,会使周围的星云的各种物质不断向该星体靠拢,并不断塌陷,形成恒星。这一物理过程涉及到了某一包含有不规则磁场的部分离子化媒介的紊乱行为。当前核心的争论主要围绕着紊乱开始消退的时间,以及磁场和紊流所起到的作用的重要程度。诸如毫米波照相机等新的技术进步使可以观察星体的温度及密度分布,并可以让统计分析在自身引力作用下正在崩溃及处于崩溃边缘的天体的寿命。恒星在任何类型及处于任何演化阶段的星系中都是普遍存在的。同时,恒星在非常广泛的环境中形成,从接近巨型的分子星云到存在于处于聚合状态的星系中的超巨型分子星云。在星系中那些有代表性的恒星都是作为恒星群中的一员而形成的,这就表明恒星的形成是发生在恒星群内部的事情,而不是一个个孤立的现象。

恒星依据质量,寿命范围从质量最大的恒星只有几百万年,到质量最小的恒星的寿命达数兆亿年。所有的恒星都从星云或分子云的气体和尘埃坍缩中诞生。在几百万年的过程中,原恒星达到平衡的状态,安顿下来成为主序星。恒星大部分的生命期都在以核聚变产生能量的状态。最初,主序星在核心将氢融合成氦来产生能量,然后,氦原子核在核心中占了优势。像太阳这样的恒星会从核心开始以一层一层的球壳将氢融合成氦。这个过程会使恒星的大小逐渐增加,通过次巨星的阶段,直到红巨星的状态。质量不少于太阳一半的恒星也可以经由将核心的氢融合成氦来产生能量,质量更重的恒星可以依序以同心圆产生质量更重的元素。像太阳这样的恒星用尽了核心的燃料之后,其核心会坍缩成为致密的白矮星,并且外层会被驱离成为行星状星云。质量大约是太阳的10倍或更重的恒星,在它缺乏活力的铁核坍缩成为密度非常高的中子星或黑洞时会爆炸成为超新星。恒星模型认为它们在耗尽核心的氢燃料前会逐渐变亮和变热,然后成为低质量的白矮星。恒星的变化非常缓慢,甚至数个世纪之久也检测不出任何变化,所以单独观察一颗恒星无法研究恒星如何演化。因此,天文物理学家采用其它替代方法,例如观察许多在不同生命阶段的恒星,并且使用电脑模拟来推断恒星结构。

8.5.2 恒星的演变

由于引力的控制,恒星演化的总趋势是密度增大,而质量丢失、碎裂、不稳定或爆炸等现象使其质量减小。恒星的演化必定以三种可能的冷态之一为终结:白矮星,中子星,黑洞。

由于单一恒星之演化通常长达数十亿年,人类不可能完整观测,目前主要以计算机模型模拟恒星的演变。恒星的演化开始于巨分子云。一个星系中大多数虚空的密度是每立方厘米大约0.11个原子,但是巨分子云的密度是每立方厘米数百万个原子。一个巨分子云包含数十万到数千万个太阳质量,直径为50300光年。

坍缩过程中的角动量守恒会造成巨分子云碎片不断分解为更小的片断。质量少于约50倍太阳质量的碎片会形成恒星。在这个过程中,气体被释放的势能所加热,而角动量守恒也会造成星云开始产生自转之后形成原始星。恒星形成的初始阶段几乎完全被密集的星云气体和灰尘所掩盖。通常,正在产生恒星的星源会通过在四周光亮的气体云上造成阴影而被观测到,这被称为博克球状体。

质量非常小(小于0.08太阳质量)的原始星的温度不会到达足够开始核聚变的程度,它们会成为褐矮星,在数亿年的时光中慢慢变凉。大部分的质量更高的原始星的中心温度会达到一千万开氏度,这时,氢会开始聚变成氦,恒星开始自行发光。核心的核聚变会产生足够的能量停止引力坍缩,达到一个静态平衡。恒星从此进入一个相对稳定的阶段。如果恒星附近仍有残留巨分子云碎片,那么这些碎片可能会在一个更小的尺度上继续坍缩,成为行星、小行星和彗星等行星际天体。如果巨分子云碎片形成的恒星足够接近,那么可能形成双星和多星系统。恒星的亮度和颜色依赖于其表面温度,而表面温度则依赖于恒星的质量。大质量的恒星需要比较多的能量来抵抗对外壳的引力,燃烧氢的速度也快得多。

恒星形成之后会落在赫罗图的主星序的特定点上。小而冷的红矮星会缓慢地燃烧氢,可在此序列上停留数千亿年,而大而热的超巨星会在仅仅几百万年之后就离开主星序。像太阳这样的中等恒星会在此序列上停留一百亿年。太阳也位于主星序上,被认为是处于中年期。在恒星燃烧完核心的氢之后,就会离开主星序。

中年期时形成红巨星,超巨星。在形成几百万到几千亿年之后,恒星会消耗完核心的氢。大质量的恒星会比小质量的恒星更快消耗完核心的氢。在消耗完核心的氢之后,核心部分的核反应会停止,而留下一个氦核。失去了抵抗引力的核反应能量后,恒星外壳开始引力坍缩。核心的温度和压力像恒星形成过程中一样升高,但是在一个更高的层次上。一旦核心的温度达到了1亿开氏度,核心就开始进行氦聚变,重新通过核聚变产生能量来抵抗引力。恒星质量不足以产生氦聚变释放热能,逐渐冷却,成为白矮星。

积热的核心会造成恒星大幅膨胀,达到在其主星序阶段的数百倍大小,成为红巨星。红巨星阶段会持续数百万年,但大部分红巨星都是变星,不如主序星稳定。

恒星的下一步演化再一次由恒星的质量决定。晚年到死亡以三种可能的冷态之一为终结:白矮星,中子星,黑洞。

8.5.3 褐矮星

褐矮星(brown dwarf)的构成类似恒星,但质量不够大,不足以在核心点燃聚变反应的气态天体。褐矮星是质量介于最小恒星与最大行星之间的天体,由于这一原因褐矮星非常黯淡,要发现它们十分复杂,因此要确定它们的大小就更加复杂。但是最近天文学家成功地发现了组成双星系统的两颗褐矮星,在确定它们围绕共同重心运行的参数之后,计算出这两颗褐矮星的重量和大小。天文学家花了12年研究才发现这两颗褐矮星,总共观察了300多个夜晚和进行了1600次测量,结果计算出两颗相当年轻褐矮星(还不满100万年)全部必需的参数,它们位于离地球1500光年的猎户星座。双星系统中较大一颗褐矮星质量超过木星50倍,而较小一颗褐矮星质量比木星大30倍,它们的直径分别为太阳直径的70%50%。尽管它们初看起来不算矮小,但是它们的质量分别仅为太阳质量的5.5%3.5%。天文学家还发现较轻褐矮星表面的温度更高些。这两颗褐矮星可能不是同时形成,也不是在同一地点形成,而是由于某种原因而结合在一起,因此它们的表面温度不同,但是这一切暂时仍只是一种假设。美国科学家利用红外线太空望远镜发现了一颗环绕恒星作轨道运行的小型褐矮星,并直接获得了它的图像。这是人类首次发现此种情景,但这种现象并不孤立。

褐矮星也被称为失败的恒星,它由于质量不足而无法成为燃烧的恒星,但其质量仍远大于太阳系最大的行星木星。天文学家在这些古怪的星体上发现了巨大的类似行星的风暴。由于褐矮星会随时间的推移冷却下来,该星体上气态的铁分子就会浓缩成液态的铁云和铁雨。随着进一步的冷却,巨大的风暴就会扫过这些云层,让明亮的红外线逃逸到宇宙中。

由于没有核聚变,褐矮星的表面温度不会超过3000K。褐矮星的温度越低,它的可见光波段的亮度就越小。M型矮星的辐射主要集中在红光波段(大约0.75μm),而温度更低的L型褐矮星(温度为1200-2000K)T型褐矮星(温度为800-1200K)的辐射则主要集中在近红外波段(1-2μm),这使得褐矮星从本质上就会变得很暗弱。另外,褐矮星外层大气中的分子,例如水、一氧化碳、甲烷和氨,会吸收向外的辐射,使得褐矮星进一步变暗。

尽管褐矮星的光谱存在着复杂性,但是化学组成仍然是可以被识别出来的,而且也可以用来对褐矮星进行分类。如今还没有直接观测到比T8型褐矮星质量更小,温度比T8型褐矮星(有效温度大约为800K)更低的天体,来衔接褐矮星和木星(大约125K)

关于褐矮星的形成机制,比较常见的有抛射理论、前恒星核的光致侵蚀理论、不透明度制约的分裂理论、原恒星盘的不稳定性理论等。抛射理论认为,褐矮星是由于低质量的原恒星胚在还没有达到产生氢核聚变所需的质量前,与其它天体发生了碰撞而被抛射出前恒星核所形成的,这一理论部分地得到了双褐矮星系统的证实。前恒星核的光致侵蚀理论基于大质量恒星的辐射对前恒星核的光致侵蚀作用,能够解释处于电离氢区中的褐矮星的形成机制。褐矮星也可能由大质量的原恒星盘在其它恒星的引力作用下发生碎裂而产生。这些理论每个都只能解释部分褐矮星的形成,研究褐矮星周围的恒星盘可以有效地检验上述理论。

褐矮星是可以发生热核反应的,只是由于不激烈所以不会发光。但其红外辐射可以占到太阳的1~2‰左右。据美国航空航天局的报道称,广域红外巡天探测器(WISE)发现了一对距离非常近的恒星,它们将成为迄今发现的距离太阳系第三近的恒星/恒星系统,也是人类自1916年以来发现的距离太阳系最近的恒星系统。这一双星系统中的两颗恒星都是褐矮星。

褐矮星上已经发现了各种不同种类元素,而褐矮星不能进行完整核聚变反应,而上面的不同元素应该为触发其聚变的星体的自身所携带的物质。这进一步验证了,恒星的诞生多数是由于一个具有一定质量和速度的星体所触发。而当质量较小、转动速度较慢、星云密度低或星云范围小等原因致使其成为失败的恒星

主要原因在于,在触发恒星吸积后,当核心质量小,尤其是转动速度小时,周围物质将接近直线或较小的角度落向星体,内层物质具有极高的速度落入后,外层的物质速度无法快速提高,造成了物质吸积过早中断,使其无法形成足够大的恒星,因而成为失败的恒星。

8.5.4 白矮星

中低质量的恒星在渡过生命期的主序星阶段,结束以氢聚变反应之后。将在核心进行氦聚变,将氦燃烧成碳和氧的三氦聚变过程,并膨胀成为一颗红巨星。当红巨星的外部区域迅速膨胀时,氦核受反作用力而强烈向内收缩,被压缩的物质不断变热,最终内核温度将超过一亿度,于是氦开始聚变成碳。经过几百万年,氦核燃烧殆尽,恒星的结构组成已经不那么简单了:外壳仍然是以氢为主的混合物,而在它下面有一个氦层,氦层内部还埋有一个碳球。核反应过程变得更加复杂,中心附近的温度继续上升,最终使碳转变为其它元素。与此同时,红巨星外部开始发生不稳定的脉动振荡。恒星半径时而变大,时而又缩小,稳定的主星序恒星变为极不稳定的巨大火球,火球内部的核反应也越来越趋于不稳定,忽而强烈,忽而微弱。此时的恒星内部核心实际上密度已经增大到每立方厘米十吨左右,此时,在红巨星内部,已经诞生了一颗白矮星。当恒星的不稳定状态达到极限后,红巨星会进行爆发,把核心以外的物质都抛离恒星本体,物质向外扩散成为星云,残留下来的内核就是白矮星。白矮星通常都由碳和氧组成,也有可能核心的温度可以达到燃烧碳却仍不足以燃烧氖的温度,这时就能形成核心由氧、氖和镁组成的白矮星。偶尔有些由氦组成的白矮星,不过这是由联星的质量损失造成的。

白矮星的内部不再有物质进行核聚变反应,因此恒星不再有能量产生。这时它也不再由核聚变的热来抵抗引力崩溃,而是由极端高密度的物质产生的电子简并压力来支撑。对一颗没有自转的白矮星,电子简并压力能够支撑的最大质量是1.4倍太阳质量,也就是钱德拉塞卡极限。许多碳氧白矮星的质量都接近这个极限的质量,有时经由伴星的质量传递,白矮星可能经由碳引爆过程而形成超新星。

白矮星形成时的温度非常高,但因缺乏能量来源,它逐渐释放热量并逐渐变冷,辐射逐渐减小并转变成红色。经过漫长的时间,白矮星将进一步冷却而成为黑矮星。

但是,白矮星往往会成为触发下一个恒星的触发星体,因此在宇宙中很难发现黑矮星。如果白矮星不能成为一个更大恒星的触发星体,那么物质循环将不可逆,宇宙中会充满黑矮星。

8.5.5 中子星

同白矮星一样,中子星是处于演化后期的恒星,它也是在老年恒星的中心形成的。只不过能够形成中子星的恒星,其质量更大罢了。当老年恒星的质量为太阳质量的8~30倍时,它就有可能最后变为一颗中子星,而质量小于8个太阳的恒星往往只能变化为一颗白矮星。但是,中子星与白矮星的区别,不只是生成它们的恒星质量不同,它们的物质存在状态也是完全不同的。

白矮星的密度虽然大,但还在正常物质结构能达到的最大密度范围内,电子还是电子,原子核还是原子核,原子结构完整。而在中子星里,压力是如此之大,白矮星中的电子简并压无法承受。电子被压缩到原子核中,同质子中和为中子,使原子变得仅由中子组成,中子简并压支撑住了中子星,阻止它进一步压缩。而整个中子星就是由中子堆积形成的,中子星的密度就是中子的密度。

中子星周围的暗物质密度极高,且存在着巨大密度梯度,因此致使经过其周边的光线都是呈抛物线。

中子星的形成过程与白矮星类似,当恒星外壳向外膨胀时,核心受反作用力而收缩。核在巨大的压力和由此产生的高温下发生一系列复杂的物理变化,最后形成一颗中子星内核。而整个恒星将以一次极为壮观的爆炸来结束生命,这就是天文学中著名的超新星爆发

中子星是恒星演化到末期,经由引力坍缩发生超新星爆炸之后,可能成为的少数终点之一。恒星在核心的氢、氦、碳等元素于核聚变反应中耗尽,当它们最终转变成铁元素时便无法从核聚变中获得能量。失去热辐射压力支撑的外围物质受引力牵引会急速向核心坠落,有可能导致外壳的动能转化为热能向外爆发产生超新星爆炸,或由于质量的不同,恒星的内部区域被压缩成白矮星、中子星。白矮星被压缩成中子星的过程中恒星遭受剧烈的压缩使其组成物质中的电子并入质子转化成中子,直径大约只有十余公里,且旋转速度极快,而由于其磁轴和自转轴并不重合,磁场旋转时所产生的无线电波等各种辐射可能会以一明一暗的方式传到地球,有如人眨眼,故又称作脉冲星。一颗典型的中子星质量介于太阳质量的1.352.1倍,半径则在1020km之间,也就是太阳半径的3000070000分之一。

由于中子星保留了母恒星大部分的角动量,但半径只是母恒星极微小的量,转动惯量的减少导致了转速迅速增加,产生非常高的自转速率,周期从毫秒脉冲星的700分之一秒到30秒都有。中子星的高密度也使它有强大的表面引力。一颗中子星的逃逸速度大约在10000150000km/秒之间,也就是可以达到光速的一半。换言之,物体落至中子星表面的最大速度将达到150000km/秒。

1932年,中子被查德威克发现之后不久,苏联物理学家朗道就提出有一类星体可以全部由中子构成,朗道因此成为首次提出中子星概念的学者。1934年,巴德和兹威基认为超新星爆发可以将一个普通恒星转变为中子星﹐而且指出这个过程可以加速粒子,产生宇宙线。1939年奥本海默和沃尔科夫通过计算建立了第一个定量的中子星模型,但他们采用的物态方程是理想的简并中子气模型。

虽然早在30年代,中子星就作为假说而被提了出来,但是一直没有得到证实,人们也不曾观测到中子星的存在。由于理论预言的中子星密度大得超出人们想象,该假说在当时招到了普遍的怀疑。直到1967年,由英国科学家休伊什的学生乔丝琳·贝尔首先发现了脉冲星。经过计算,它的脉冲强度和频率只有像中子星那样体积小、密度大、质量大的星体才能达到。这样,中子星才真正由假说成为事实。

2007年天文学家借助欧洲航空局(ESA)的珈马射线天文望远镜(Integral),发现了迄今旋转速度最快的中子星。这颗中子星编号为XTEJ1739-285,每秒钟可沿自己的轴线旋转1122圈。按照地球的概念转一圈一天的话,在这个中子星上度过一秒钟相当于在地球上经历了3年多。这个发现推翻了原来认为的每秒700圈的星体转速极限。这颗中子星的直径约10km,但质量却与太阳相近,其密度高达每立方厘米1亿吨。其巨大引力从临近恒星不断夺取大量炙热气体,并不断诱发热核爆炸。

20101027日英国《每日电讯报》报道,天文学家发现了宇宙中迄今为止最大的中子星,其质量几乎是太阳的两倍。这颗名为PSR J1614-223的中子星的大小与一个小城市差不多,相对而言并不算是一个大的星体,但其密度却是惊人的高。

收缩使中子星成为一块极强的磁铁,当快速自转时,中子星就有规律地不断向地球发射电波。当发射电波的那部分对着地球时,就收到电波;当这部分随着星体的转动而偏转时,就收不到电波。所以,收到的电波是间歇的,这种现象又称为灯塔效应

8.5.6 黑洞

当质量恒星质量较大时,进入恒星的灭亡阶段,核心在自身引力的作用下迅速地收缩,塌陷,发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程停止,被压缩成一个密实的星体。

当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料,由中心产生的能量已经不多了。这样,它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下,核心开始坍缩。黑洞质量大,周围的暗物质异常稠密,且密度梯度也很大,致使其内部的发光产生全反射,而其附近的光线由于暗物质地密度梯度而发生严重的折射而扭曲。黑洞只能不断地吸收周围的能量,且不断蓄积。

8.6 星云再生

宇宙中氢元素约占90%;氦元素约占9%;其它元素约占1%。在历史的长河中,数不尽的恒星,无时不刻地消耗氢元素,然而,氢气的占比仍高达90%。氢元素一定具有良好的生成机制。

星云是尘埃、氢气、氦气、和其它电离气体聚集的星际云,泛指任何天文上的扩散天体。星云通常也是恒星形成的区域,在这个区域形成的气体、尘埃和其它物质聚集在一起。

行星状星云的样子有点像吐的烟圈,中心是空的,而且往往有一颗很亮的恒星。恒星不断向外抛射物质,形成星云。可见,行星状星云是恒星晚年演化的结果。比较著名的有宝瓶座耳轮状星云和天琴座环状星云。

1758828日晚,梅西耶在巡天搜索彗星的观测中,突然发现一个在恒星间没有位置变化的云雾状斑块。梅西耶根据经验判断,这块斑形态类似彗星,但它在恒星之间没有位置变化,显然不是彗星。梅西耶将这类发现(截止到1784年,共有103)详细地记录下来。其中第一次发现的金牛座中云雾状斑块被列为第一号,既M1“M”是梅西耶名字的缩写字母。梅西耶建立的星云天体序列,至今仍然在被使用。在经过长期的观察核实后,赫歇尔将这些云雾状的天体命名为星云。由于早期望远镜分辨率不够高,河外星系及一些星团看起来呈云雾状,因此把它们也称之为星云。哈勃测得仙女座大星云距离后,证实某些星云其实是和银河系相似的恒星系统。由于历史习惯,某河外星系有时仍被称为星云,例如大小麦哲伦星云,仙女座大星云等。

星际物质与天体的演化有着密切的联系。观测证实,星际气体主要由氢和氦两种元素构成,这跟恒星的成分是一样的。星际尘埃是一些很小的固态物质,成分包括碳合物、氧化物等。星际物质在宇宙空间的分布并不均匀。在引力作用下,某些地方的气体和尘埃可能相互吸引而密集起来,形成云雾状。同恒星相比,星云具有质量大、体积大、密度小的特点。一个普通星云的质量至少相当于上千个太阳,半径大约为10光年。

根据理论推算,星云的密度超过一定的限度,就要在引力作用下收缩,体积变小,逐渐聚集成团。恒星形成以后,又可以大量抛射物质到星际空间,成为星云的一部分。所以,恒星与星云在一定条件下是可以互相转化的。

8.6.1 恒星抛离物质

恒星在不同的阶段均会向外抛离物质,不同的阶段和不同的质量的恒星向外抛离不同量的物质。在初始阶段抛离的物质较多,稳定阶段抛离的物质较少,在后期的死亡阶段,抛离的物质较多,尤其在红巨星爆发阶段,会把核心以外的物质都抛离恒星本体,物质向外扩散成为星云,然而这部分只占形成星云物质的极小部分。

8.6.3 中子星碰撞

当两颗中子星发生碰撞的时候,会发生比超新星爆发更猛烈的爆炸,形成高达3000多亿度的高温,这一时刻会有大量的中子星物质抛撒出来,这些基本都是以中子简并态存在的中子物质一旦离开中子星的高温高压环境,中子就会脱离中子简并态,成为自由中子,并衰变成质子和电子而形成一个氢原子,然而这部分只占形成星云物质的极小部分。

8.6.2 超新星爆发

中子星的超新星爆发也能产生一部分的氢元素,其原理和中子星碰撞类似,当能形成中子星的超新星爆发,由于内部巨大的撞击和爆炸,也会有部分中子星物质飞溅出去,这样也有一部分会形成氢元素,但是这种方式形成的氢元素份量就更少了。

8.6.4 黑洞的再生机制

 

8.7 黑洞向外边喷射物质

大质量的恒星则会变成超新星(Super nova),最终会成为中子星或黑洞。黑洞是宇宙中的再生机器,不断吞噬物质与能量,能量和物质不断蓄积。能量蓄积到一定程度,内部物质运动速度不断提高,体积不断增大,进而不断向外边喷射物质(见图8.7)

1998年,X射线源XTEJ1550-564曾进行过一场巨大的爆发。物质被高速地喷射入太空,冲击附近的空气并加热它们,使它们在X射线波段产生炽热光芒。这些X射线波段的热点从爆发至今已移动了3光年以上,现在残留下的喷流则已减弱至不可测。一般认为喷流就是沿着黑洞的自转轴喷射出来的。东京大学和日本国立天文台对离地球十亿光年星系中的黑洞进行了一次全方位的观测,发现黑洞中喷出的喷流根部出现了巨大的弯曲,这一现象是以前从来没有发现过的。2013年,夏威夷和美国西部的5部射电望远镜进行的观测,而目标黑洞是距离地球53亿光年和73亿光年的两个星系中的不同黑洞。喷出的喷流都在根部出现了明显的弯曲现象。

一项对200多个黑洞的调研发现这些喷流比科学家之前预测的还要凶猛。科学家们认为粒子喷流利用了黑洞自身的旋转能。意大利国家天文物理研究所调研来自2008年升空的NASA费米伽马射线太空望远镜的数据。认为吸积盘的亮度和喷流的伽马射线强度之间存在明显线性关系。吸积盘亮度越高,喷流的力量越强。如果算喷射进宇宙的总能量的话,喷流发出的能量是吸积盘的10倍,因此认为喷流肯定有其它能量来源。对于喷流能量来源的解释中,接受度最高的一种解释认为,高速自旋的吸积盘含有大量带电粒子,这些带电粒子在旋转的情况下形成了强大的与黑洞接触的磁场。如果黑洞也在自旋,就会对磁场产生拖拽,在黑洞的旋转极上,磁场被绕成一个紧紧的锥状。也正是因为这个扭曲的磁场,才加速了黑洞中的粒子,让其形成喷流,整个过程的能量来源都是黑洞的旋转能。

8.7有序无限循环时空宇宙模型

当一个星体触发吸积后,如果核心质量较小,尤其是转动速度较小时,周围物质将接近直线或较小的角度落向星体,内层物质以极高的速度落入后,外层的物质速度无法快速提高,造成了物质吸积过早中断,使其无法形成足够大的恒星,成为失败的恒星,并形成了褐矮星。

褐矮星、其它较大的星体或双星等,由于有相对大一些的质量和转速,当进入到大片星云,将触发吸积。由于转速相对大,被吸积的物质不断跟随旋转,经过漫长的环绕而逐渐落入星体。而星云内物质落入星体的速度相对缓慢,使吸积过程相对漫长,外围物质有足够的时间加入旋转,使吸积过程不至于中断。当恒星爆发一定时间后,恒星开始抛离物质后,吸积过程才逐渐停止。而恒星聚变后,相对小质量的会形成白矮星。

由于白矮星往往具有较大的转速,且质量较大,当进入到大片的星云,将触发吸积。由于转速大,被吸积的物质不断旋转,经过漫长的环绕而逐渐落入星体。由于白矮星旋转速度大,星云内物质降落过程极其漫长,外围物质有足够的时间加入旋转,更多的物质被吸积。当恒星爆发一定时间后,恒星开始抛离物质后,吸积过程才逐渐停止,并达到平衡。由于质量较大,恒星聚变后,会形成中子星。

中子星具有较小的体积,极高的转速,极高的质量,容易大量并快速吸积物质,使温度升高,并激发超新星,而超新星快速聚变后,质量和转速再次提高,并不断从周围吸积物质。由于超新星的质量过大,且转速过高,使被吸积的物质也具有极高的转速,而这极高的转速使落入到星体的速度极其缓慢,进而形成了吸积盘,这就形成了所谓的黑洞。由于超高质量和超高转速,黑洞使吸积过程漫长持久。

黑洞的核心部位大量堆积着中子且不断从周围吸积物质和能量。中子既不能聚变,也不能裂变,更没有证据表明中子能够被压碎。由于黑洞的转速高,物质和能量的吸积过程相对缓慢,能量不断被中子吸收,但温度上升极其缓慢,被吸积的物质很难被激发聚变。由于黑洞的超大质量和超高速旋转,使其成为一个薄片化结构,在薄片的吸积盘不断向中心缓慢吸积,在薄片的吸积盘向内有着巨大的压力,而黑洞的极轴方向,压力异常的小,且转动使极轴方向很难有物质堆积。极轴上的中子,受到吸积盘上的极大压力,且不断吸积物质与能量,进而使中子的电子逐渐脱离核心,形成质子和电子。当质子和电子大量堆积后,在极轴部位由于旋转作用,一直处于最薄的状态,外部压力和约束最小,具有较高能量的质子和电子不断蒸发。而这种蒸发使周围的物质不断补充,促使物质和能量更快速地吸积,达到某种临界状态,质子和电子集中强烈喷射,喷射后很快降温并结合成氢原子,并进而形成氢气。

8.8 有序无限循环宇宙模型

8.8为有序无限循环宇宙模型。具有较大质量、转速极快的星体,触发吸积后,由于吸积过程极度漫长,无法点燃聚变,往往形成黑洞,形成巨大的吸积盘。黑洞是宇宙的清道夫,吸收周围的物质和能量,并使他们再生为氢气。

宇宙与地球类似,星球与生命类似,星云与泥土类似。宇宙为星球提供场所,星云为星球提供土壤;星球出生于星云,百转千回还会回归为星云。反反复复有序无限循环。

8.8 小结

(1) 宇宙至今仍存在,一定存在着自我循环与再生机制。而大爆炸每次循环时间、空间、分子结构等无法得到解释。实际上,宇宙没有年龄,没有开始,也没有尽头。宇宙是没有边界,所谓的边界是探测能力的边界。

(2) 宇宙中包括可见物质和暗物质,可见物质主要是氢、氦、锂、铍等元素。宇宙中大量不均匀分布的暗物质形成了万有引力。由于万有引力作用,恒星等星体均是成团成系存在,进而影响着整个宇宙的演化。

(3) 恒星的形成是天体物理学领域中最为基础性的问题,它是解答其它宇宙问题所必须首先解决的问题。所有的恒星有着类似的形成机制,且均需要一个触发条件和持续吸积条件。触发条件为具有一定质量的星体或若干个星体集合;而持续吸积条件为一定的旋转速度。

(4) 当一个星体触发吸积后,根据质量的大小分别形成褐矮星、白矮星和中子星。中子星快速吸积物质,使温度升高并激发超新星,而超新星快速聚变后,质量和转速再次提高,使吸积过程漫长而持久,进而形成黑洞。

(5) 黑洞的核心部位大量堆积着中子且不断从周围吸积物质和能量。由于黑洞的超大质量和超高速旋转,使其成为一个薄片化结构,在薄片的吸积盘向内有着巨大的压力,而黑洞的极轴方向,压力较小,且转动使极轴方向很难有物质堆积。进而使中子的电子逐渐脱离核心,形成质子和电子并不断蒸发;喷射后很快降温并结合成氢原子,并进而形成氢气。黑洞是宇宙的清道夫,吸收周围的物质和能量,并使其再生为氢气。


9 宇宙绝对论

9.1 宇宙三要素

记录和说明宇宙至少且只需要物质、空间和时间这3个物理量,即:物质、空间和时间是宇宙三要素。

9.2 物质绝对论

物质绝对论1:物质性

物质的最重要特征是物质性,即物质不能创生,也不能消失。物质在人们的意识之外独立存在又能为人的意识所反映的客观实在。世界上的一切事物有着各种各样的形态,不断地变化发展。归根到底,物质不能创生,也不能被消灭,只能从一种物质转化为另一种物质,或从一种形态转化为另一种形态,或从一个空间移动到另一个空间。

物质绝对论2:空间性

物质的一个重要特征是空间性,即物质占有空间。空间性是物质存在的体现,或大或小,物质一定占有一定空间。任何物质不能脱离空间而单独存在。另外,空间也是物质运动的广延性的体现。

物质绝对论3:时间性

物质的另一个重要特征是时间性,即物质存在具有连续性。时间性是物质存在连续性的体现,物质的存在不能中断。即任何物质不能脱离时间而单独存在。另外,时间性也是物质运动连续性的体现。

物质绝对论4:唯一性

物质都具有唯一性,即同一物质不能同一时刻在两个位置存在。否则就不是同一物质。

物质绝对论5:粒子性

物质都具有粒子性,即任何物质均由粒子构成,粒子或大或小、或明或暗、或可见或不见、或集中或分散,无论表现出怎样的连续性,均由粒子构成。

物质绝对论6:物质密度不能无限大

这是由物质的空间性决定的。物质都占有一定的空间,或大或小。若物质密度无穷大,意味着物质不占用空间,也就意味着这种物质不存在于空间,即这种物质不存在。

物质绝对论7:物质同时具有吸引力和推斥力

任何物质均有吸引力,而同时具有推斥力。物质稳定状态时,吸引力与推斥力平衡,物质粒子的间距为平衡间距;当粒子间距小于平衡间距时,吸引力与推斥力均提高,而推斥力提高较快,物质进入不稳定状态,通过自身体积扩大或外界施压等才能达到一个新的平衡;当粒子间距大于平衡间距时,吸引力与推斥力均减小,而推斥力降低较快,通过自身体积缩小或外界牵引等才能达到一个新的平衡。因此,粒子间距大于平衡位置时显现为吸引力,间距小于平衡位置显现为推斥力。而这里的平衡态,都是暂时的,一旦边界条件或内部条件变化,都会形成一个新的平衡态。由于物质推斥力的存在,物质不能无限压缩,这样物质才能保持空间性。

物质绝对论8:物质粒子具有振动性

物质粒子间同时存在吸引力和推斥力,无论是否处于一个稳定的状态,都会有一个相对的平衡位置,都能在一定范围内进行不同形式的振动。振幅或大或小,频率或高或低。

物质绝对论9:物质具有波动性

物质粒子都具有一个相对的平衡位置,物质粒子均能够围绕相对的平衡位置振动,而振动的过程中,物质粒子与周围粒子相互作用,通过这种振动的形式传递能量。即任何物质的粒子均能以波动的形式传递能量。总之,电磁波和机械波均是通过物质间相互作用而传递能量,没有任何本质区别。

物质绝对论10:物质状态只有通过物质相互作用才能改变

物质的运动状态与能量状态只有通过物质的相互作用与能量交换才能改变。能量交换本质上也是微观粒子的相互作用。虚空或时空均不能作为施力物体,也不能改变物质的运动状态与能量状态。

物质绝对论11:能动性

物质具有能动性,即任何物质都具有能量,不存在无能量的物质。能量只能从能量高物质传递能量低物质。任何物质不能将所有能量传递给其它物质,即:无能量的物质是不存在。

物质绝对论12:能量本体

物质是能量的本体,没有物质能量无所依。能量是物质的属性,任何能量都不能脱离物质而单独存在,不存在无物质的能量。

物质绝对论13:能量受体

物质是能量的受体,没有物质能量无所传。物质和能量不能相互转化,同时,二者是不可分割的共同体。但能量可以转化与传递,能量的接受者必须是物体。

物质绝对论14:力的本体

力是物质的属性,任何力都不能脱离物质相互作用而单独存在,不存在无物质的力。虚空或时空不能成为施力物体,只有物体才能作为施力物体。

物质绝对论15:力的受体

力一定存在施力物体和受力物体之间。虚空或时空不能成为受力物体,只有物体才能作为受力物体

物质绝对论16:物质的运动只能用物质度量

不存在任何一个独特的空间可以独立地标记,物质运动只能通过另一个物质来度量,即物质运动只能通过参照物来度量,没有参照物,无法确定运动状态。

物质绝对论17:物质绝对空间运动无法度量

空间没有中心和边界,任何的中心和边界不能脱离物质而单独定义。物质的运动是绝对的也是相对的,任何的绝对运动都无法度量,任何物质的运动只能通过另一个物质进行度量。

总之,物质是独立于意识之外且又能被意识所反映的客观实在。物质不能创生,也不能消失,只能从一种形式转变为另一种形式,或从一个空间运动到另一个空间。物质具有质量、占有空间,能够运动并携带能量。

9.3 空间绝对论

空间绝对论1:空间连续性

空间是连续的,不存在突然中断的非连续空间。

空间绝对论2:宇宙无边界

任何的空间边界不能脱离物质而单独定义。宇宙空间无限大,没有边界,所谓的边界是探测能力的边界。或是人为设定的边界,但无论怎样设定边界,如果脱离了物质,边界的位置、边界的形状、边界之外的空间也无法合理确定。

空间绝对论3:宇宙无中心

任何的宇宙中心不能脱离物质而单独定义。宇宙没有中心点,所谓的中心点是人为设定的中心点,但确定宇宙中心位置前需设定宇宙边界。脱离物质的中心和边界没有意义,也无法进行定义。

空间绝对论4:空间无法独立标记

任何的空间位置不能脱离物质而单独标记。空间只能通过与物质间位置关系进行标记,没有参照物,无法进行有效标记。

空间绝对论5:空间无形

空间本身是无形的,所谓的形状,都是人为设定的,空间可以设定为任意形状,任意大小。如果人为设定空间变形,只能是所有空间有相同变形,否则会出现空间的不连续。

空间绝对论6:空间无法移动

空间无需移动,也不能移动。你没有办法移动空间,所谓的移动空间,只能是人为的假定,但无论怎样移动空间,都没有任何变化。如果人为移动空间,只能是所有空间的移动,否则会出现空间的不连续。但整个空间都移动就失去了移动的意义。

空间绝对论7:空间无法变形。

空间是为物质存在与运动提供场所,空间本身无形,也无法变形。空间不能变形,否则会出现空间的中断与不连续。但如果整个空间都变形,人为设定的变形已经失去了意义。

空间绝对论8:空间无法作用于物质

空间无法作用于物质,能作用于物质的只有物质。

总之,空间提供物质位置、体积和形状信息,空间是不受任何外界事物影响的,是连续的、无边界与中心的,不能变形的,绝对空间无法单独标记,只能通过参照物质进行标记和定位。

9.4 时间绝对论

时间绝对论1:时间没有起点。

时间没有起点,所谓的起点是人为设定的起点,任何的起点之前还有时间。

时间绝对论2:时间没有终点。

时间没有终点,所谓的终点是人为设定的终点,任何的终点之后还有时间。

时间绝对论3:时间无法中断。

时间具有连续性,无法中断。

时间绝对论4:时间无法独立标记

时间无法独立标记,只能用物质事件进行标记,没有物质事件参照点,无法进行有效标记。因此只能采用事件进行时间标记。

时间绝对论5:时间可以用事件和事物周期标记

时间没有起点,也没有终点,没有绝对的时间标记,但是可以用不同的事件进行标记。

时间绝对论6:时间不能伸缩。

时间无法伸缩,所谓时间伸缩都是人为设定的,任何的时间伸缩对所有的物质是等价的,否则任何的时间伸缩都意味着物质的存在中断。如果存在时间伸缩,那么务必是所有空间、所有物质的时间伸缩,否则就存在时间的中断与不连续。而所有物质的时间均伸缩,这种假设就失去了意义。

时间绝对论7:时间是同步性

任何地点、任何时间都是同步的,不能某些地点是在过去,某些地点是在现在,某些地点是在将来。测量存在相对时间差,但事件的发生与观测效果无关。观测的时间差是可以度量的。

总之,时间提供事件发生顺序和物质运行周期信息,时间是不受任何外界事物影响的,是绝对的、纯粹的、数学的时间,就其本性来说均匀地流逝,然而时间没有起点,也没有终点,绝对时间无法单独标记,只能通过事件进行标记。




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1 简小庆

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