星系红移的理论分析.pdf

http://www.paper.edu.cn

星系红移的理论分析
方杰
湖南师范大学物理系，长沙(410081)
E-mail：[e-mail]
摘要：从理论上分析了宇宙学红移和引力红移的疑难，包括膨胀方式疑难以及质量分布疑
难，研究发现，光子衰老假说与理论分析一致。
关键词:哈勃定理，宇宙学红移，引力红移，疑难
中图分类号：0412.1

1引言
众所周知，哈勃的伟大发现为人类认识宇宙跨越了重要的一步，这个发现标志现代宇宙
学的开端，成为建立在广义相对论基础上的大爆炸宇宙学说最可靠的观测事实。然而天文观
测的日益进展，尤其是类星体的发现，这类星体所显示出来的巨大的红移似乎提示人们：理
论与观测结果之间的吻合并非如想象般完美，它们之间存在着一些令人不愉快的矛盾。天文
学家可能比物理学家对这些矛盾有更深的体会：红移量大的星系距离非常遥远，这些星系不
但以高速在互相远离，而且其如此大的光度(辐射功率)又集中在如此小的辐射区域——诸如
此类令人惊诧不已的观测事实如果我们用现有的理论来作其解释总显得有些牵强附会，并且
由此而产生的问题可能要比能够解决的问题不但在数量上更多，而且在难度上更棘手。因而，
当众多的物理学家在为大爆炸学说倾注更多的心血时，天文学家却以似乎显得更冷静的心态
为这些观测事实寻找更合理的解释。于是，延续至今的红移大争论形成以下几种代表性观点。
1宇宙学红移这是一种目前占正统地位的解释，即认为星系的红移是由于宇宙的整

体膨胀而引起的，其表达式采用以下形式：

V=H0D(1)

式中V为固有速度，D为固有距离，H0为当今哈勃常数。这种解释其本质是基于对宏观世
界多普勒频移效应的认识，红移值依赖于星系运动的速度，属于一种动态的红移。
2引力红移引力引起的红移虽然已得到实验的严格验证，然而巨大的红移如果用引
力来解释的话必然涉及无法想象的物态结构乃至黑洞问题。
3光子衰老光子衰老假设存在许多表述，其基本思想却如出一辙，这就是：红移并
不是由于星系的膨胀而引起的。星系静止不动，星系的光谱线在到达观测者的行进路程中由

于损失了部分能量光谱线向低端频移从而产生可观测的红移效应，其表达式采用如下形式：

Z=H0D(2)

式中Z为红移值，H0为哈勃常数，D为固有距离。与宇宙学红移相比，这是一种静态的红
移。
4在大尺度的空间和时间中物理常数和物理定理可能改变，星系红移可能是某种未知
物理规律造成的[1]。
迄今为止红移的第一种解释成为主流观点。在人们心中，宇宙的膨胀是一个深入人心
不可更改的事实，而日后宇宙背景微波辐射的发现以及氦元素丰度的测量使得这一观点变得
更加坚不可摧，似乎很难想象可以用任何别的理论来替换。诚然如此，理论解释自身内部所
显示出来的矛盾性仍然使我们觉得很有必要对其作出修改，甚至是放弃，虽然这样做的结果
会使许多人辛辛苦苦建立起来并且使之不断完善的大爆炸学说框架面临毁于一旦的危险。付

-1-
http://www.paper.edu.cn

出这种巨大的代价需要极强的心理承受能力，能够使我们的心灵感觉不受责备并且还获得一
些些安慰的是我们有一个充分的理由，这个理由就是一直以来我们很谨慎地遵守的这样一种
理念：我们需要真实的描述，我们需要我们描述客观世界的理论首先必须其内部结构在逻辑
上自相融洽，其次是与观测事实的符合。如果其中任何一点不能满足的话，那么这种修改或
者放弃就是一种很必然，虽然随之而来我们将会面临更艰辛更棘手的问题。
2宇宙学红移的疑难——膨胀方式疑难

目前观测表明哈勃公式(1)中的哈勃常数H0>0，如果我们取消地球具有观测特殊性的
话，意味着哈勃公式普遍成立：任一星系观测另一星系时都会发现它离自己退行而去。我们
把满足任两星系都在互相远离，且退行速度正比于两星系之间的固有距离这一要求称为哈勃
条件。这个条件使得宇宙的膨胀方式无法进行描述。设想一个巨大的局部区域分布着一些星
系(如图1)，这是一种满足宇宙学原理要求的随机分布。在每个星系我们安置一个观测者，
作这样的处理后选择一个确定星系来对它进行观测。譬如A星系，B星系观测A星系会发
现A星系沿BA方向运动，C星系观测A星系会发现A星系沿CA方向运动，D星系观测
A星系会发现A星系沿DA方向运动，E星系观测A星系会发现A星系沿EA方向运动，F
星系观测A星系会发现A星系沿FA方向运动，星系越多A星系的运动方向越不确定，表
现出一种多样性状态。如果非要作出一个选择的话，唯一合理的解释是：A星系静止不动，
其他星系相对于它向四周退行而去。然而如此一来，G星系必然要以大于H星系的运动速
度向HG方向运动,K星系更要以大于G星系的运动速度向GK方向运动，否则便与哈勃条
件相违背。我们看到宇宙中星系的运动速度