诛仙激活码怎么用:宇宙的膨胀速度和膨胀率－周坚－广西柳州市周坚的量天博客－强国博客－人民网

周 坚

（广西柳州  545012 E-mail：zhzhjjjj@163.com）

摘要  基于周坚红移定律作相对论多普勒效应解释发现相对观测者而言可观测宇宙的宇宙膨胀速度函数和宇宙膨胀率函数，通过这些函数的分析从理论上认证了宇宙加速膨胀现象，通过依据宇宙膨胀率函数绘制的宇宙膨胀率-距离曲线图进行图形分析进一步认证了宇宙膨胀率的理论变动范围，该理论变动范围与实际观测判定的变动范围在误差范围内吻合。综合上述分析，有理由初步判定理解宇宙或许不需要假设暗物质和暗能量的存在。 

关键词  周坚红移定律  宇宙膨胀速度  宇宙膨胀率  认证 

宇宙膨胀现象是哈勃定律作多普勒效应解释的一种观测天象，长期以来的研究表明，这种宇宙膨胀的观测天象是均匀膨胀的^[1]，但天体观测结果表明，哈勃定律中的哈勃常数H₀始终是一个不确定的常数，这个常数始终落在50-100km/s/Mpc这个范围内^[2]。

1998年，宇宙学研究的重要里程碑，美国劳伦斯柏克莱国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）进行的超新星宇宙学计划（Supernova Cosmology Project）与澳大利亚 Mount Stromlo 天文台的高红移超新星搜寻团队（High-Z Supernova Search Team）利用不同的分析技术和不同的高红移超新星观测样本，却都获得“宇宙正在加速膨胀而非减速”的结论^[3，4]，从而开创了Ia超新星宇宙学研究的热潮。

时隔10年之后的2009年，宇宙学理论研究的重要里程碑，广西柳州市市民周坚仔细观察发现宇宙正在加速膨胀的高红移Ia超新星哈勃图，最终发现与观测结果最佳符合的模型参数Ω_M＝0.3、Ω_Λ＝0.7的宇宙模型对应着一个非常简单的函数，基于这个简单函数的分析发现了新红移定律，目前被称之为周坚红移定律^[5，6]，从而开创了宇宙学理论研究大讨论。

本文将周坚红移定律作相对论多普勒效应解释，从而给出宇宙加速膨胀观测现象的一个比较完整的解释。

1  周坚红移定律

周坚红移定律是在宇宙学尺度上的新定律^[7]，它描述的是光传播的特殊行为，即光（电磁辐射）的传播距离r与宇宙学红移z成正比，与宇宙学红移加1的和成反比，其中有一个为α的比例常数，称之为宇宙学红移常数。

周坚红移定律的数学表达式是：

      （1）

式中，r是单位为Mpc的距离，z是与宇宙大尺度有关的红移，称之为宇宙学红移，α是比例常数，称之为宇宙学红移常数，即α=0.00023683 Mpc^-1。

由（1）式可见，该数学表达式是光（电磁辐射）在传播一定距离后的谱线红移变化规律关系式，为应用方便，将（1）式整理为如下形式：

       （2）

2  相对论多普勒效应

在式（2）中，由于宇宙学红移常数α近似等于哈勃常数（H0=71km/s/Mpc）除以光速（c=299792.458km/s），因此，当距离r很小很小的时候，式（2）可近似为：

     （3）

式中，c是光速，z是宇宙学红移，H₀是哈勃常数，r是单位为Mpc的距离。很明显，式（3）就是哈勃定律作多普勒效应解释的再现。

1929年，哈勃根据24个已知距离和谱线红移的星系资料，确定了河外星系视向速度与距离的线性关系：

       （4）

式中，υ是单位为km/s的退行速度，c是光速，z是观测红移，H₀是哈勃常数，r是单位为Mpc的距离。这就是著名的哈勃定律。

按照哈勃定律，越是距离遥远的星系，退行速度越大。当速度大到接近光速的时候，简单将哈勃定律作多普勒效应解释就不再适用，必须改为按照相对论推导出来的严格公式^[8]：

      （5）

计算，该式就是著名的相对论多普勒效应关系式。

3   宇宙膨胀速度

将周坚红移定律（2）代入相对论多普勒效应（5）削去红移z，由此获得周坚红移定律作相对论多普勒效应解释时的宇宙膨胀速度关系式：

    （6）

式中，υ是周坚红移定律作相对论多普勒效应解释时的宇宙膨胀速度，单位是km/s， c是光速，即c＝2.99792458×10⁵ Km/s，α是宇宙学红移常数，即α＝0.00023683 Mpc^-1，r是天体到观测者的距离，单位是Mpc。将该式进行整理得：

    （7）
由于宇宙学红移常数α＝H₀/c,因此有：

       （8）

由于式（8）中的分式项是个随距离的变化而变化的变量，它说明宇宙膨胀速度是一个随距离的变化而变化的量，反映了宇宙膨胀的变速膨胀特征属性，为此就定义它为宇宙膨胀变速因子，并用“Z_υr”表示，则有：

                     （9）

于是式（8）就可简化为：

                      （10）
式中，υ是宇宙膨胀速度，单位是km.s^-1，H₀是哈勃常数，即H₀=71 Km/s/Mpc，Z_υr是宇宙膨胀变速因子，它是距离的函数，α是宇宙学红移常数，即α＝0.00023683 Mpc^-1，r是天体的距离，单位是Mpc。该式就是周坚红移定律作相对论多普勒效应解释推导出来的宇宙膨胀速度函数。 

从周坚红移定律作相对论多普勒效应解释推导出来的宇宙膨胀速度函数（10）中不难发现宇宙膨胀速度与观测距离具有如下主要特征：

（1） 函数中的分式项（宇宙膨胀变速因子Z_υr）在距离小于等于1/α=4222.4289859159 Mpc （137.7198亿光年）的可观测宇宙内始终是个正值，说明宇宙膨胀速度的增量随距离的增大在增加，它反映出宇宙膨胀的特征为加速膨胀特征。

（2） 由于宇宙膨胀变速因子Z_υr是随观测距离r变化而变化的量，因此使观测到的宇宙膨胀现象呈现出变速膨胀现象；

（3） 当观测距离r等于0的时候，宇宙膨胀速度υ也等于0，这完全符合观测事实；

（4） 当观测距离r趋向可观测宇宙的极限半径1/α＝4222.4289859159 Mpc（137.7198亿光年）的时候，宇宙膨胀速度υ却趋向于光速c，这完全合情合理；

（5） 当观测距离r很小的时候，由于式中宇宙学红移常数α值很小，式中的宇宙膨胀变速因子项Z_υr近似等于0，此时天体的退行速度υ与观测距离r有如下近似线性关系：

       （11）

这一结果与哈勃定律（4）完全一致。

4   宇宙膨胀率

将周坚红移定律作相对论多普勒效应解释推导出来的宇宙膨胀速度函数（10）两边同除以距离r，则有：

     （12）

式中，υ/r很明显是单位距离的退行速度，通常称之为宇宙膨胀率，为区别于哈勃常数H₀，将宇宙膨胀率用“H_z”表示，并用H_z代替上式中的υ/r，则有：

        （13）
其中：

     （14）
式中，H_z是宇宙膨胀率,单位是km/s/Mpc，H₀是哈勃常数，取H₀=71 km/s/Mpc，Z_υr是随距离r变化的宇宙膨胀变速因子，α是宇宙学红移常数，即α＝H₀/c＝0.00023683 Mpc^-1，r是天体与它们离地球的距离，单位是Mpc。该式就是周坚红移定律作相对论多普勒效应解释推导出来的宇宙膨胀率函数，从中可清晰地看到如下特征：  

(1) 存在宇宙膨胀变速因子Z_υr项，揭示在可观测的整个宇宙膨胀过程中是一个变速膨胀过程，按时间的追朔，宇宙的过去既存在加速膨胀过程，也存在减速膨胀过程，这一结论与现今人们发现的宇宙膨胀过程完全一致。

(2)当距离r＝0时，宇宙膨胀率H_z等于哈勃常数H₀，这与哈勃定律中的哈勃常数作为宇宙膨胀率的代名词的含意是一致的。

(3) 当距离r趋向1/α＝4222.4289859159 Mpc（137.7198亿光年）时，宇宙膨胀率H_z也同样趋向哈勃常数H₀，这与哈勃定律中的哈勃常数作为宇宙膨胀率的代名词的含意同样也是一致的。

(4)当距离r很小很小或很大很大时，由于式中的宇宙学红移常数α很小，致使式中的宇宙膨胀变速因子Z_υr项都近似等于0，此时宇宙膨胀率H_z与哈勃常数H₀就有如下近似关系：

      （15）

这完全符合哈勃定律中的哈勃常数被看作宇宙膨胀率的客观事实。这也就是人们只看到哈勃定律所描述的均匀膨胀的宇宙膨胀现象而忽略了宇宙变速膨胀本质的真正原因。

4   宇宙膨胀率-距离曲线图

为直观反映宇宙膨胀率与距离的变化规律，以宇宙膨胀率H为纵坐标，以距离r为横坐标，按照周坚红移定律作相对论多普勒效应解释推导出来的宇宙膨胀率函数（13）进行计算，将计算结果绘制在坐标图上由此就形成图1所示的宇宙膨胀率－距离曲线图。

图1.  宇宙膨胀率－距离曲线图。实线是周坚红移定律作相对论多普勒效应解释推导出来的宇宙膨胀率函数（13）给出的宇宙膨胀率-距离曲线，虚线是哈勃常数H₀曲线。

图1显示，由周坚红移定律作相对论多普勒效应解释推导出来的宇宙膨胀率函数（13）给出的宇宙膨胀率-距离曲线（图中实线所示）是一条类似抛物线状的曲线，而由哈勃定律给出的哈勃常数H₀曲线（图中虚线所示）是一条水平直线，由此揭示出如下宇宙信息：

(1) 宇宙膨胀率-距离曲线（图中实线所示）始终处在哈勃常数H₀曲线（图中虚线所示）的上方，暗示宇宙膨胀率H_z与哈勃常数H₀（目前认为哈勃常数就是宇宙膨胀率的代名词）并非是一回事，但它们有着密切的关系。

(2) 宇宙膨胀率-距离曲线（图中实线所示）与哈勃常数H₀曲线（图中虚线所示）头尾相连组成一个闭合系统，这个闭合系统揭示了相对观测者而言所能观测到的可观测宇宙的一切宇宙膨胀率信息，因此称之为宇宙膨胀率闭合系统。

(3) 宇宙膨胀率闭合系统的两个闭合点用坐标点分别标示为（0，H₀）和（1/α，H₀），其中α是宇宙学红移常数，即α＝H₀/c＝0.00023683Mpc^-1，H₀是哈勃常数，即H₀=71 km/s^/Mpc。在0距离上的（0，H₀）闭合点上，观测距离为0，宇宙膨胀率H_z为哈勃常数H₀；在可观测宇宙极限半径位置上的（1/α，H₀）闭合点上，观测距离为1/α，宇宙膨胀率H_z同样也为哈勃常数H₀。

(4) 宇宙膨胀率-距离曲线呈现抛物线状，因此在相对观测者而言的可观测宇宙范围内一定存在一个极大值，这个极大值大约出现在观测距离大约为2500Mpc（约81.5406亿光年）左右，极大值大约为86 km/s^/Mpc。

(5) 宇宙膨胀率-距离曲线存在的极大值是一个拐点，在距离小于这个拐点对应的距离时，宇宙膨胀率H_z随距离的增加而增大，在距离大于这个拐点对应的距离时，宇宙膨胀率H_z随距离的增加而减小。这充分说明宇宙在膨胀的过程中即存在加速膨胀过程，也存在减速膨胀过程，它的分水岭就是这个拐点。

为直观反映宇宙小尺度的宇宙膨胀率随距离的细节变化规律，将图1中的距离坐标取对数坐标,由此就形成了距离取对数坐标的宇宙膨胀率－距离曲线图2。

图2.  距离取对数坐标的宇宙膨胀率－距离曲线图。实线是周坚红移定律作相对论多普勒效应解释推导出来的宇宙膨胀率函数（13）给出的宇宙膨胀率-距离曲线，虚线是哈勃常数H₀曲线。

由图2可清晰的观察到如下精细宇宙膨胀信息：

(1)在距离大约小于20Mpc的时候，宇宙膨胀率－距离曲线与哈勃常数H₀曲线重合，并呈水平线状分布，说明宇宙膨胀在大约小于20Mpc的距离范围内宇宙膨胀率确实可以用哈勃常数来取代。

(2)在距离大约大于20Mpc至大约小于100Mpc的时候，宇宙膨胀率－距离曲线与哈勃常数H₀曲线出现偏离，但偏离很小，不会超过1 km/s/Mpc，说明宇宙膨胀在小于100Mpc的距离范围内的宇宙膨胀率H_z确实还是可以用哈勃常数H₀来近似取代。

(3)在距离大约大于100Mpc的时候，宇宙膨胀率－距离曲线明显脱离哈勃常数H₀曲线，说明宇宙膨胀在距离大约大于100Mpc之后的宇宙膨胀率H_z确实不能再用哈勃常数H₀来取代，这两个概念已不是一回事。

5  结论

作为宇宙大尺度上所遵循的基本物理规律——周坚红移定律，如果将它作相对论多普勒效应解释，由此获得相对观测者所观测到的可观测宇宙的如下结论：

（1）可观测宇宙的宇宙膨胀速度和宇宙膨胀率中存在宇宙膨胀变速因子项Z_υr，致使人们观测到的可观测宇宙呈现出变幻莫测的变速膨胀观测现象。

（2）宇宙膨胀变速因子项Z_υr在可观测宇宙范围内始终是一个正值，致使人们观测到的可观测宇宙呈现出加速膨胀的观测现象，这与1998年的两个研究小组发现宇宙正在加速膨胀的观测结果完全吻合。

（3）当距离很近很近的时候，由于宇宙膨胀变速因子项Z_υr中的分子项αr（1-αr）近似等于0，因此宇宙膨胀变速因子项Z_υr也就近似等于0，这就致使宇宙膨胀速度满足了哈勃定律，宇宙膨胀率与哈勃常数由此可以互为替换，这就是人们为什么观测近距离天体时发现符合哈勃定律的原因。

（4）当距离很远很远的时候，由于宇宙膨胀变速因子项Z_υr中的分子项αr（1-αr）同样近似等于0，因此宇宙膨胀变速因子项Z_υr也就同样近似等于0，这同样致使宇宙膨胀速度满足了哈勃定律，宇宙膨胀率与哈勃常数由此可以互为替换，这就是人们为什么在观测非常非常遥远天体时发现它们仍然符合哈勃定律的原因。

（5）从宇宙膨胀率-距离曲线图（1）和（2）中仔细观察发现，宇宙膨胀率的理论变动范围大约是71-86km/s/Mpc，它的中值大约是78.5km/s/Mpc，正负误差值是7.5km/s/Mpc，这与由空间望远镜找到的造父变星定出的速度-距离关系得出的哈勃常数^[9]H₀=75±8km/s/Mpc仅偏差了3.5km/s/Mpc。由此可见，将周坚红移定律作相对论多普勒效应解释推导出来的宇宙膨胀率的理论范围与观测结果在误差范围内是吻合的。

（6）从宇宙膨胀率-距离曲线图（1）和（2）中进一步仔细观察发现，宇宙膨胀率对应的极大值是宇宙从过去的减速膨胀到今天的加速膨胀的一个拐点，这个拐点的理论值相对观测者而言大概是81亿光年远，而依据目前观测结果判定的宇宙膨胀由过去（暗物质主导）的减速膨胀变为今天（暗能量主导）的加速膨胀的拐点是距今70亿年^[10],这是70亿光年的距离。由此可见，宇宙膨胀从过去的减速膨胀到今天的加速膨胀的拐点理论值（81亿光年）与观测结果判定值（70亿光年）仅误差了11亿光年，误差率在13.6%以内。

（7）爱因斯坦说：“宇宙中最难以理解的事情，是宇宙是可以被理解的”。综合上述分析，有理由相信这个可以被理解的宇宙或许不需要假设暗物质和暗能量的存在。

                                参  考  文  献

[1]

胡中为，普通天文学。南京，南京大学出版社，2003，421。

[2]

[美]M. L.Kutner 著，萧耐园，胡方浩译，天文学物理新视野。湖南科学技术出版社，2005，324:327。

[3]

Perlmutter S，Aldering G，Goldhaber G，et al.Measurements of Omega and Lambda from 42 High-Redshift Supernovae. ApJ.，1999，517:565.

[4]

Riess A G，Filippenko A V ，Challis P，et al.Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant. AJ.，1998，116:1009.

[5]

赵伟翔，一尺在手 可以量天，柳州晚报，2009年3月18日。

[6]

赵伟翔，周坚：他们是杞人忧天，柳州晚报，2009年3月26日。

[7]

周坚，描述宇宙加速膨胀的简单函数，人民网﹥科技频道﹥强国博客﹥科技﹥最新文章，2009年7月24日。

[8]

[9]

[10]

苏宜，天文学新概念。武昌，华中科技大学出版社，2002.2：200:201。

何香涛，观测宇宙学。北京，北京师范大学出版社，2007，2：33。

秦波，精确宇宙学时代的暗物质问题。http://cosmo.bao.ac.cn/comments/qb.htm