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关于“距离”的讨论(做个学习标签)  

2013-03-07 01:35:01|  分类: 天文学习 |  标签: |举报 |字号 订阅

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和梅晓春先生讨论之3

在我216日发出‘答梅晓春先生’对梅晓春先生有关光度距离和固有距离的关系提出质疑后,梅晓春先生217日给我发来了一份电子邮件(见附件),对我的质疑给出解释和反驳意见。但信中的大部分篇幅并没有针对我的质疑给出具体的解释和反驳,而是对许多和我的质疑无关的其它宇宙学问题提出他的看法。我希望梅晓春先生能够首先把我提出的质疑,即光度距离和固有距离的关系问题解释清楚。因为这个问题的物理概念是梅晓春先生有关多普勒红移计算公式的物理基础,哈勃定律的多普勒效应解释并不仅仅是个数学公式推导问题,还有对距离的定义问题。来信中提到的许多其它宇宙学问题我们可以以后再讨论。

有关光度距离和固有距离的关系问题我对梅晓春先生的观点的主要质疑是:

1. 光度距离是否等于固有距离。在梅晓春先生24日的信中认为:‘在平直空间中,光度距离等于实际距离(见俞永强先生的物理宇宙学讲义”118页’。但在217日的信中又认为:俞永强先生在“物理宇宙学讲义”118页的说法是错误的。‘光度距离和固有(或实际距离)只不过相差一个因子,用W-R度规,则这个与红移有关’。到底梅晓春先生哪个说法是正确的?相差的一个因子是什么?

2. 光度距离的测量即和t1时刻有关,也和t0时刻有关,为什么梅晓春先生认为星系的光度距离只和t1时刻的固有距离有关而和t0时刻的固有距离没有关系?

我希望梅晓春先生首先能够明确把这两个问题解释清楚,否则‘宇宙学中计算超新星红移——距离关系的公式存在原则性的错误’这篇文章的数学公式推导就没有物理基础。甚至是错误的。

 

附件:梅晓春先生217日来信。

郑怡嘉先生:

    读了你的信后我觉得你混肴了平直空间和弯曲空间的性质,或者说弯曲空间的概念对你的影响太强烈,以至于你把简单的问题看复杂了。有个别地方是我没有说清楚,因此有必要做详细一点的解释。

1. 俞永强先生在“物理宇宙学讲义”118页的说法:“(4.4.2)式中已经定义了R-W度规下的固有距离,它是时间的函数。这样,除非质点用无穷大的速度运动,否则它从0r的运动路程并不等于两点间的固有距离。”是错误的,因为R-W度规中的r是随动坐标,质点是固定在r 上的,从0r的积分不随时间而变。因此不存在质点从0r的运动路程的问题,也不存在质点用无穷大速度运动的问题。只是由于R(t)随时间而变,固有距离随时间而变罢了。

2. 俞永强书的同页还说:“固有距离的微商不代表速度”,这也是错误的。如果你不认可“固有距离的微商等于速度”,请给出你的速度定义!你还能有其他的速度定义吗?如果你说随动坐标中固定的粒子没有速度,请问rdR(t)/dt物理意义是什么?我们又如何定义光的速度呢?还不是通过随动坐标对时间的微分?现在的宇宙学采用随动坐标,如果物理学不能定义速度,也就不能定义加速度,那就什么都不能描述。宇宙学理论还有什么意义?

3. 对于平直空间,均匀膨胀等于光源做匀速运动。由于平直空间中光速不变,光速乘上光的运动时间就是实际距离,这是没有疑问的。我们没有根本必要认为光速无穷大,只要认为光速是与光源运动速度无关的常数,对于定义平直空间的实际距离,这就足够了。

4. 天文学中星体光度L和亮度B的关系是B=L/(4pai DD)D光度距离。L与星体发光的能量辐射功率有关,或者说与光子发射时的频率和单位时间长度有关。亮度B与光子被接收时的频率和单位时间有关。如果存在引力场,空间不平直,光子在传播过程中的频率要变,在不同的空间位置上单位时间也不同。因此光度距离D就与发射地和接受地的光的频率与单位时间有关,结果导致D与红移有关。如果空间平直,没有引力场,空间均匀膨胀,或者说光源做匀速运动,光在传播过程中的频率不变,不同地点的单位时间也一样,光度距离就与发射地和接受地光的频率与单位时间无关,D就等于实际距离。这就是我一直强调的,平直空间均匀膨胀时,光度距离等于实际距离的原因(我忘了均匀膨胀这个条件)。

5. 光度距离和固有(或实际距离)只不过相差一个因子,用W-R度规,则这个与红移有关。从实用的角度,光度距离是测量上用的,固有距离是理论计算上用的。通过测量知道光度L和亮度B后,除以一个因子,就得到固有距离。因此固有距离实际上存在,没有它我们仍然无法定义光度距离。多普勒公式即可以用光度距离表示,也可以用固有距离表示,不存在原则的差别。

6. W-R度规是宇宙学的基本时空框架,但宇宙学的许多问题恰恰出在W-R度规。W-R度规中常数k=0时,空间被认为是平直的。但我严格按黎曼几何曲率公式计算,证明尺度因子Rt)与时间有关时W-R度规没有常数曲率。这个计算是严格的,没有任何余地。因此k=0不代表平直空间,这个结果对宇宙学会产生深刻的影响,暗物质,暗能量,宇宙加速膨胀等基本观点都得重新审视。不论你和我对随动坐标的理解存在什么分歧,都不影响“k=0不代表平直空间”这个基本结论。

7.弗里德曼方程中令k=0,被认为就是平直时空的宇宙学方程。然而按照等价原理,平直时空是没有引力场的。事实上采用一般平直时空的球坐标度规,计算表明爱因斯坦张量Ru,v)一定等于零,我们根本没有办法建立引力场方程。目前的宇宙学认为宇宙是平直的,因此物质密度等于临界密度。这个结果是非常奇怪的,宇宙是平直的,就等于没有引力作用,哪来的宇宙加速膨胀和减速膨胀?事实上只要弗里德曼方程左边不等于零,它描述的宇宙就不可能是平直的。问题的根源在于k=0W-R度规不代表平直空间,现有宇宙学实际上建立在一个错误逻辑的基础上,把问题弄得很纠结。

8. 如果不采用W-R度规,而是采用一般的空间各向同性度规,度规张量就与坐标r有关。即使采用宇宙学原理,认为物质密度与空间坐标无关,从爱因斯坦引力场方程得到宇宙学方程仍然非常复杂,根本无法求解,这才是宇宙学理论遇到的最大问题。在弯曲空间的基础上,这个问题是无法解决的。我将引力场方程球对称的施瓦西解变换到平直空间,得到相对论修正的牛顿引力公式,并用它来计算宇宙学问题,就是为了破解这个问题。可惜你至今没有看到这一点,对我文章的评论是捡了芝麻丢了西瓜。事实上你的博客文章中也曾多次对宇宙学的假设等基本原则提出疑问,我觉得你的许多想法很好,你看到了宇宙学中的比较深层的问题。但你没有提出具体的解决方案,只是议论议论而已。因此我建议你在天文台找几个数学物理能力强一点的人合作,把你的一些想法数学化,写成正式的科学论文发表,这才是正道。

9. 宇宙学中计算红移采用W-R度规红移公式,我的论文已经证明存在一个约束条件dR(t)/dt=常数。这也是一个纯数学证明,没有任何含糊的地方。因此W-R度规红移公式无法描述有引力作用的,存在加速度的宇宙膨胀过程,宇宙学红移只能用多普勒红移公式来计算。事实上如我论文所言,W-R度规只是一个数学上的东西,不是一种独立的物理规律。而多普勒红移和引力红移是物理上的东西。如果从W-R度规可以导出红移,就必须与多普勒红移和引力红移一致,否则是没有现实意义的。我的文章证明W-R度规红移和多普勒红移本质上不一样,宇宙学用度规红移公式是不可取的。

10. 至于红移用光度距离还是固有距离表示,这是非本质的,它们只相差一个因子,是无所谓的。我的计算用固有距离,这不影响问题的实质。事实上我的计算中只考虑平直空间中,光源在引力场的作用下运动产生的多普勒红移,没有考虑引力红移。真正严格的计算需要同时考虑多普勒红移和引力红移,但这是后话。

请将此信发给你博客文章的群发对象。谢谢讨论。

梅晓春

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