|
光波红移与量子统一场论初步研究
陈宝群
（陕西师范大学旅游与环境学院，西安 710062）
摘 要：针对宇宙状态判定目前问题，以同时进行的两种运动创造性合成方式定量计算并科学推导出地球自转与公转的叠加效应可以产生0.45的光波红移效应，初步确定宇宙星体光波红移由太阳的引力红移导致；根据量子统一场论研究进展及存在问题，以宇宙背景辐射作为引力存在与表现形式进一步完善了量子统一场论，推断弥漫于宇宙空间具有波粒二象性特点的万有引力产生于宇宙大爆炸最初；在前人研究基础上，得出宇宙奇点处必然发生大爆炸认识结论。
关键词：红移；量子统一场论；引力
爱因斯坦的广义相对论引入宇宙常数给出了稳定宇宙模型[1]，由于引力红移实验结果与理论值完全符合[2]，引力红移是广义相对论重要结论[3，4]。天文学家哈勃系统研究了光波红移，并认为宇宙中所有星系都在彼此远离退行[5]，科学家们也一再通过各种观测和计算证实暗能量推动宇宙加速膨胀[1]，宇宙唯一性决定了驱动宇宙加速膨胀的暗能量假设缺乏合理来源，注定了暗能量假设必错无疑，由于膨胀宇宙模型基于光波红移的多普勒效应认识得出[6]，并且受到质疑[7]，有效解决光波红移问题成为取消“暗能量”假设恢复稳定宇宙模型的必然要求。另一方面，统一场论是包括爱因斯坦、海森堡在内众多物理学家的共同追求，“引力子”介绍[8]表明了统一场论的解决前景，可以结合解决光波红移问题以及前人对统一场论的研究[9-11]，完善量子统一场论。
1 宇宙光波红移的太阳引力效应
当代天文学起源于波兰天文学家哥白尼1543年发表的《天体运行论》，牛顿等提出的万有引力定律对天体运行做出了详尽解释。随着天文学的研究进展，人们认识到宇宙天体的光波红移现象。根据光波红移的多普勒效应解释，在银河系的恒星中有离我们远去的，也有向我们而来的，所以有的恒星光谱线红移，有的恒星紫移。河外星系则完全不同，哈勃发现所有星系都离我们远去，其退行速度和距离成正比，越远的星系退行速度越大，并据此推断宇宙在膨胀[12]。目前人们认为，卫星附属于行星，行星附属于恒星；众多恒星组成星系，星系组成星系群，星系群组成宇宙的总星系。由于恒星是宇宙的基本组成，判断宇宙所处状态应该依据恒星的相对位置进行。银河系内既有红移也有紫移，必须考虑光波的多普勒效应，但是对于河外星系的一致性红移现象以及类星体的巨大红移[12，13]而言，应该充分考虑到观察者位居行星地球这一事实，将宇宙星体的光波红移全部归结到多普勒效应并不妥当。
地球自转的角速度是每日360°，赤道上的线速度最大，达到465m/s；地球公转的角速度每日约59′，线速度29.3km/s[14]。天文观测者在观察遥远星系时，地球同时进行着绕地轴的自传与围绕太阳的公转，同时进行的地球自转与公转的叠加效应遵循乘法运算，运动合成相对远离星系速度达1.36×108m/s。根据小于光速的光谱线红移量计算方法：z=v/c[12]，1.36×108m/s的远离星系运动可以产生0.45的光波红移效应。类星体红移量较大，至今观测到红移最大的类星体，红移量达4.43，而一般河外星系最大红移量不超过0.5[13]，从而可以确定，到达地球的宇宙星体光线，受到太阳的万有引力作用，光波红移主要由太阳的引力红移导致。国家天文台文中略等利用国际光学巡天数据(SDSS)发现了邻近宇宙中约4万个星系团，在z＜0.45的邻近宇宙中，找出了90%的质量特别大的星系团[15]，至少就z＜0.45的邻近宇宙而言，本文的认识是合理的。从太阳中心到边缘各点发出的同一种谱线，在扣除了各种已知的运动效应后，越靠近边缘的地方红移量越大，在太阳半径90％左右的地方，红移量急剧增加[16]。虽然没有确切的红移值数据，但可以作为太阳自身质量引力红移效应的最好证据，而类星体的巨大红移量需要进一步深入研究。
2 量子统一场论及存在问题
1913年，物理学家爱因斯坦针对统一场论对于万有引力的适用问题提出了万有引力场论，认为任何物体周围都存在引力场，而引力场存在于弯曲时空，引力场通过引力波传播，而引力波通过引力子使物体相互吸引，大量重力异常事实[17-19]证实了万有引力场论。量子物理学的建立和基本粒子的发现把统一场论的探索带进了科学研究的历史舞台，1929年海森堡和泡利建立了量子场论的普遍形式，并在国际会议上作了正式报告。目前，量子场论可以解释弱核力和强核力，量子化学解释了分子间作用，量子电动力学解释了电磁场，量子论成为统一场论的最佳范式。爱因斯坦不仅提出了统一场论，也是试图整合广义相对论以及电磁学成为一个单一场论的学者，但未能成功，完善统一场论的最大难点在于引力场，相关针对性研究表明[9-11]，以标量方式可以构建电磁—引力的统一场论[9]，四种作用力的大统一场论[11]表明了以电磁场方式构建统一场论的光明前景，而引力子的自作用在大尺度下可以有斥力项[10]，寻找引力子成为完善量子统一场论的关键。
3 完善量子统一场论
为了寻找引力子，科学家们做出了不懈努力，有一些科学家在宇宙中寻找能产生引力子的源泉，从1974年到1978年底，他们在波多黎各用天文望远镜，对 15 000光年远的射电脉冲双星进行了观测，间接证实了引力子的存在[8]。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，发现波长为7.35 cm的地方一直有一个各向同性的讯号存在；1965年初，他们对天线进行了彻底检查，清除了天线上的鸽子窝和鸟粪后噪声仍然存在，第一次发现了宇宙微波背景辐射，并因此获得1978年诺贝尔物理学奖[12]；1989年，美国宇航局宇宙背景探索卫星（COBE）观测到的微波背景辐射与温度为2.726K的黑体辐射符合[12]；2001年，WMAP卫星观测结果表明宇宙微波背景辐射是一种充满整个宇宙的电磁辐射，特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同，频率属于微波范围[20]，宇宙微波背景辐射进一步得到确认。
地球电场与地球磁场相互作用研究[21]表明，地球具有自身的电场，地球电场与地球磁场同时产生、同时变化，且都源自于地球的自转和地球上正负电荷的非对等分布，表明了地球电场与磁场的统一。太阳风等离子体与地球磁场相互作用，把地磁场限制在一个有限的区域之内，形成地球磁层。在向阳一侧，地磁场受到太阳风的压缩，终止在10 Re附近（Re为地球半径6371 km) ；太阳风携带着“冻结”在其中的太阳磁场从地球周围流过，压缩地磁场形成磁层顶；夜晚一侧，地磁场磁力线被太阳风拖曳成很长的彗尾形状，至少延伸到几百个地球半径处，是地球磁场与太阳电场的相互统一。太阳风冲击地球，引发磁暴、亚暴等一系列磁层扰动。据估计[22]，流向磁层的太阳风动能约为10 000 GW，并约有 2～8 %进入磁层。太阳风对地球磁场的扰动以及地球磁场对太阳风的抵御，提供了日地之间的引力子“斥力作用”[10]的实际证据，可以据四种作用力的大统一场论方式[11]推断宇宙微波背景辐射是引力子的实际存在形式。宇宙微波背景辐射是最远古的辐射，那时宇宙年龄只有0.4Ma[13]，是宇宙微波背景辐射可以作为引力存在形式的重要依据，这样弥漫于宇宙空间的万有引力具有了波粒二象性特点。
爱因斯坦曾经说过，没有离开物质的能量也没有离开能量的物质，行星地球的构造运动本质上是一个能量维持系统[23]。在解决了“力是运动的原因”这一错误的运动解释之后，人们正确认识到“力是产生加速度的原因”，可以说，力是能量的瞬间释放，这方面以宇宙最初的大爆炸和现今的地震活动表现得最为明显。由于任何时候的宇宙都离不开万有引力作用，如果把宇宙微波背景辐射作为引力存在形式，必然意味着宇宙微波背景辐射产生于宇宙大爆炸最初。
4 无中生有大爆炸
哈勃用多普勒效应解释光波红移，应该属于一种错误解释，但这种错误解释导致了俄国学者乔治•伽莫夫提出了大爆炸宇宙学说，由于获得了越来越多的证据支持，发展成为了现代宇宙学，人们基本正确地描绘了大爆炸以来的宇宙历程，宇宙演化的追踪必然归结到奇点时刻的无中生有，但宇宙科学仍然面临宇宙为什么会发生大爆炸这样一个根本问题。在距离趋近于零时，势能同样趋近于零，但是相互作用力却趋于一个正数。因此在这一模型下，引力子是不能聚集的，或者说，单独的引力子体系是不会发生引力坍缩的[10]。宇宙学奇点恰好满足距离接近于零的条件，单独的引力子体系不仅不会发生引力塌缩，而是在奇点处的大爆炸。
Preliminary study on cosmic redshift and unified field theory of quantum
Chen Bao-qun
(College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University, Xi'an 710062)
Abstract：Aim to solve determining problem of cosmic state，by creative synthesis of the two way movement at same time，the paper calculated superposition of the Earth's rotation and revolution which could produce redshift effect reaches to 0.45, redshift of much cosmic light waves should be caused by gravitational redshift effect of the sun, not caused by Doppler effect，and the paper perfected unified field theory of quantum by using cosmic background radiation as graviton evidence. Conclusion believed，gravitation has characteristics both of wave and particle，which should be birthed in diffuse space from beginning of the universe. Based on previous studies，the paper draw conclusion that the universe must comes to big bang in singularity of Cosmology .
Key words：redshift；unified field theory of quantum；Gravitation
参考文献（References）
[1]奚定平,何晓微,曾丽萍.爱因斯坦宇宙常数和宇宙中暗能量[J].大学物理,2005,24（10）：35-38（43）.
[2]周宙安,熊文元,陈泽顺.测不准关系与光频的引力红移[J].西华师范大学学报（自然科学版）,2005,26（3）：240-243.
[3]马光文,刘宇飞.关于引力红移专著论述的注评[J].郑州大学学报(理学版),2005,37(2):48-51.
[4]百度百科.引力红移[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/51995.htm.
[5]周岚,封俊生.关于宇宙膨胀的密度时间曲线的经典理论计算[J].扬州大学学报(自然科学版),2006,9(1)：
[6]张晓宇.论光波的多普勒效应和红移[J].现代商贸工业,2009,（10）：269-270.
[7]许梅.质疑暴涨宇宙模型[J].现代物理知识,2004,（5）：68.
[8]百度百科.引力子[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/121372.htm.
[9]王永久,唐智明,沈有根.一种标量—电磁—引力的统一场论[J].科学通报,1991,(19)：1460-1462.
[10]郝斌政,陈相松.引力子自作用的研究[J].四川大学学报(自然科学版),2006,43（6）：1305-1309.
[11]金日光.四种作用力的大统一场论已近在眼前[J].科学中国人,2006,（12）：96-106.
[12]吴鑫基,温学诗.现代天文学十五讲[M].北京：北京大学出版社,2005：221-243.
[13]金祖孟,陈自悟.地球概论[M].北京：高等教育出版社,1997：35-36.
[14]刘南威.自然地理学[M].北京：科学出版社,2000：37-57.
[15]马伟宏.国家天文台发现邻近宇宙中大量星系团[EB-OL]. http://chro.cpst.net.cn/xxkd/2009_12/260414210.html.
[16]蕉岭科协.宇宙在膨胀吗？[EB-OL]. http://jk.jiaoling.gov.cn/news_view.asp?newsid=200.
[17]方剑.利用卫星重力资料反演地壳及岩石圈厚度[J].地壳变形与地震,1999,19（1）：26-31.
[18]王伟,宁津生,汪海洪,等.俯冲带重力异常的地形影响分析[J].大地测量与地球动力学,2009,29（3）：66-69.
[19]陈超,陈波,平劲松,等.月球亚平宁山脉重力异常解释[J].中国科学（G辑）,2009,39（10）：1371-1378.
[20]维基百科.宇宙微波背景辐射[EB/OL].
http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%87%E5%AE%99%E5%BE%AE%E6%B3%A2%E8%83%8C%E6%99%AF%E8%BE%90%E5%B0%84
[21]邹润莉.地球电场与地球磁场的形成机理[J].地球物理学进展,2008,23（4）：1071-1084.
[22]徐文耀,杜爱民,白春华.地球磁层的磁场模型[J].地球物理学进展,2008,23（1）：14-24.
[23]陈宝群.差异性地幔侵蚀与构造运动[EB-OL]. http://www.kjlw.cn/more1.asp?id=107.
作者简介：陈宝群（1969-）,男（汉族），江苏南通人，博士，地理学与物理学相关领域研究。E-mail：chenbaoqun@sina.com。
地址：陕西西安市长安南路，陕西师范大学旅游与环境学院，邮编710061
|
