宇宙微波背景辐射的来源——宇宙状态

志勰

本文证明2.7k的宇宙微波背景辐射恰恰是宇宙大爆炸理论的否决性的客观事实。它说明宇宙大爆炸的假设是错误的假设。


    1964年,彭齐亚斯(Armo Alian Penzias)和威尔逊(Robett Woodrow Wilson)研究人造卫星电波通信时,发现宇宙各个方向均匀的3k微波背景辐射,(关于发现时间略有出入,《物理学简明词典》中为1964,《宇宙物理学》中的发现时间为1965年,)为宇宙大爆炸理论提供了进一步的证据,那么宇宙微波背景辐射真的可以提供宇宙大爆炸的证据么?下面我们来讨论这个问题。

一、微波背景辐射和宇宙膨胀的关系

  1、经典对3k微波背景辐射和宇宙膨胀关系的解释

  在广义相对论中,完全流体的运动用爱因斯坦方程描述:

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  其中,ρ和P为流体固有密度和固有压力,也就是对流体个部分,在静止的局部惯性系中测定的密度和压力,ui为流体速度,现在使用的宫东坐标系中,i=1,2,3的分量为0,而u4=1。

  特别在均匀、各向同性的宇宙的情况,上面的方程可以归结为惯于取利半径a(t)的两个独立方程

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  其中,·表示对时间的导数,从这两个方程可以导出

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  即热力学第一定律。    ——选自《宇宙物理学》p75

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    如前所述,可以认为至少离我们30亿光年以内的宇宙是均匀、各向同性的。因此,按照热力学第一定律,可以追溯过去时期的温度和密度的变化。在均匀各项同性宇宙中,一般认为代替此式中a3的是不变的微量物质所占有的体积(与a3成正比),所以,如将以来膨胀速度的过程(例如,以后将叙述的原子核反应过程)另行考虑,那么可以不用广义相对论的关系来进行讨论。…………如果到104k以下时,则质子和电子结合形成氢原子,这时,由于带电粒子发射和吸收光子的过程进行得非常快,所以物质温度和辐射温度相等。也就是说,它们呈现同一温度的的麦克斯韦分布和普朗克分布。但是,如果仅是中性中性原子,那么物质和辐射的耦合便分解了,于是光子在宇宙空间自由传播,这种自由辐射,最初大约为104k的黑体辐射,绝热膨胀的结果,逐渐地变成了低温黑体辐射,也就是说,光子数密度a-3成正比减小,每个光子的能量因红移而与a-1成正比减小,所以普朗克分布不变,…………    ——选自《宇宙物理学》p85-86

2、绝热膨胀

  从上面我们可以看到,经典对3k微波背景辐射和宇宙膨胀关系的解释途径来自于绝热膨胀。我们要讨论宇宙微波背景辐射和宇宙膨胀的关系,绝热膨胀则成为关键的结点。虽然根据热力学第一定律以及热力学的绝热膨胀的规律可以得到宇宙膨胀是宇宙演化的一种可能性,但是这仅仅是一种可能性,导致20世纪科学家产生这种宇宙膨胀可能的判断原因除了绝热膨胀之外,还有就是宇宙的谱线红移。这个问题我在谱线频移效应所导致的宇宙观念和物理观念 曾讨论过,也是存在几种可能性,并不能作为确定性的结论。可参见本栏目中该文章。

(1)绝热膨胀和绝热收缩所引起的温度变化的物理机制

  在机械运动的能量体系中,针对热机的运动过程和燃气的温度变化,曾讨论过绝热膨胀的物理机制。绝热膨胀来自于燃气分子弹性碰撞过程中的速度变化。

在热机做功的过程中,气体分子的内能如下变化。

    1.气缸和活塞相对速度为零时,气缸中的气体分子和气缸,活塞仅进行动量传递。其中包括存在温度差时的热量传递,没有能量转化。

    2.活塞压缩气缸中的气体时,如果气体分子相对于气缸的速度为v,活塞 相对于气缸的速度为v ,则气体分子相对于活塞的速度为v+Δv ,气体分子和活塞每碰撞一次速度增加2Δv,同时提供给阻碍活塞压缩的冲量相当于m(2v+2Δv)的动量。m为气体分子的质量。如上处理将活塞因碰撞速度的变化略而不计.气体分子速度的增加和活塞碰撞原子振动速度的增加使温度升高,增加的动量来源于气缸和活塞的相对速度。来源于活塞提供的冲量。

    3.气缸中的气体推动活塞运动时,活塞的运动速度为变速运动。活塞相对于气缸的瞬时速度仍用Δv表示。气体分子与活塞的相对而言速度为v-Δv。气体分子和活塞 每碰撞一次速度减少2Δv。同时提供给使活塞运动的冲量为相当于m(2v-2Δv)的动量。气体分子速度的减少和活塞 碰撞原子核振动速度为的减少使相互碰撞的分子和原子的温度降低。温度的降低减少的动量的来源于气缸和活塞 的相对速度,来源于活塞冲量的增加。活塞增加的动量大于气体分子减少的动量。

从气体分子和活塞碰撞的实际情况来看,热机能量的转化途径是气体分子和活塞运动存在的相对速度。

如上的处理方法将活塞分子当作静止的分子处理,此是近似的处理方法,没有将碰撞分子间的相对温度考虑进去。

《机械运动的能量体系》  卡诺定理

  可参见机械运动的能量体系,在机械运动栏目中的机械运动的能量体系

(2)在绝热膨胀过程中引起温度变化的条件

  在绝热膨胀过程中,引起膨胀气体温度变化的原因是气体分子碰撞状态的变化,在热机工作过程中,来自于燃气分子和活塞碰撞过程中的动量交换的速度状态差异(辐射排除在外)。如果我们推广到一个绝热膨胀气体系统中,那么气体分子的碰撞统计状态则成为一个主要的碰撞标准。对于一个绝热系统在绝热碰撞过程中所引起的温度变化可以表述为:

mvmv

  其中mvmv为碰撞前后统计动量平均值。如果mv=mv,那么,气体的温度不变。如果mv>mv,那么,气体的温度降低。如果mv<mv,那么气体的温度升高。

  如果是在一个容器中所进行的绝热膨胀和绝热压缩的过程,比如气球,活塞等,膨胀或者压缩所引起的温度变化差异来自于容器和气体分子的动量交换过程。遵守上面我们谈到的三种情况。

(3)温度的判定依据

  在涉及到温度相关的判定上,温度的定义对于我们所讨论对象很重要,这里不能不做点温度定义的讨论。

  通常我们所指的物质的温度都是相对于一个物体、一定体积的气体等物体的实体而言,从来自于温度概念的经验感觉上来说,温度是指一个物体或者一定的物质区域在能量交换过程中所反映出的物质的一种属性状态,通常和分子的紊乱状态联系在一起。在现在的科学上,采用分子运动论来定义的温度是温度同分子的内能成正比。也同样是上面所谈到的经验反映。

  单独的一个电子或者一个原子是没有温度而言的,因为只有一个运动方向。同样的,对于一束电子数而言,同样也没有温度而言,或者我们可以把它们当作绝对温度为0度。因为电子间很少有动量碰撞的交换。完全是一个矢量方向的运动

  对于一个运动系统,或者一个参照系统,温度的这种能量交换过程的紊乱程度定义,也是相对这个系统而言。我个人认为,温度的这种定义采用分子的动量来描述是合理的。(可参见机械运动的能量体系或者温度的概念。后面这篇写的很差,但内容上是比较全面的。在机械运动的栏目中)

(4)大爆炸宇宙膨胀和宇宙温度的分布

  我们假设宇宙是膨胀的,就像现在人们对宇宙学的观念,认为宇宙是在膨胀的。那么宇宙膨胀所引起的状态变化是什么样的呢,会不会是现在人们所谈到的宇宙膨胀所引起的温度降低呢,比如现在的传统观点,随着宇宙的膨胀,宇宙的温度会降低呢?

  首先我们先检查在宇宙膨胀过程中是不是存在在宇宙膨胀过程中所引起的气体分子在膨胀过程中的碰撞过程存在气体分子碰撞的速度变化。

  由于宇宙是没有边界的,在膨胀过程中不能引起碰撞类似于活塞或者气球等容器壁体积扩大所引起的动量交换。而各个天体和它们周边的气体的状态相对不变,可以认为气体和天体间的关系不能引起温度状态变化。天体间的相互远离和天体间的气体所进行的动量交换所引起的气体分子速度的变化几乎等于零。没有温度变化的影响。

  其次,在宇宙膨胀外层的边界,气体分子一直在向外运动,那么气体分子的运动方向一直是一种矢量状态,最外界的气体分子一直在向宇宙外围扩展空间,气体分子间的碰撞几乎接近为零。可以认为宇宙边界地区的气体的温度接近绝对零度。考虑到气体分子在运动过程中的动量交换所引起的温度传递。如果宇宙一直膨胀,那么一个必然的结论就会产生,宇宙的状态是——

  宇宙的膨胀处于一种温度梯度分布状态,就像电荷的电场分布、天体的引力分布一样,在宇宙的中心温度最高,在宇宙的边界温度最低,从宇宙的中心到宇宙的边界,温度成过渡状态。

(5)微波背景辐射的客观事实和绝热膨胀对宇宙观念的影响

  宇宙微波背景辐射是各向同性的,这是客观事实。

  从绝热膨胀的物质作用规律中,我们只能得到宇宙的状态是:宇宙的膨胀处于一种温度梯度分布状态,就像电荷的电场分布、天体的引力分布一样,在宇宙的中心温度最高,在宇宙的边界温度最低,从宇宙的中心到宇宙的边界,温度成过渡状态。

  如果我们还坚持宇宙大爆炸或者宇宙膨胀的结论,那么我们必须假设我们所存在的宇宙中的中心位置,或者说我们就是宇宙的中心,对于各向同性的微波背景辐射还勉强的划上点关系,但却不能解释2.7k的微波背景。因为在这种假设下,从我们到宇宙的边缘,我们所接受到的辐射是从2.7k到零k的过渡,我们都可以接受到这些辐射。这和2.7k的微波背景辐射不符。

  实际上,我们只要假设宇宙膨胀并且是绝热膨胀的结果,那么2.7k的微波背景辐射就会给与这种假设否决性的结论。

二、宇宙的环境

  宇宙中存在2.7k的微波背景辐射,这是毫无疑问的。这说明星际物质所存在的自由状态关系是2.7k的宇宙环境。这就是宇宙星际物质的状态。

  宇宙星际物质的2.7k的微波背景辐射,一方面说明星际物质2.7k的温度之外,还给了我们一个很大的难题。我们知道宇宙中存在很多的恒星,它们都在发光发热,并且发射大量的高能粒子,恒星占据宇宙绝大部分质量。那么宇宙恒星所发出的这些光和热为什么只能使星际物质维持在2.7k的温度呢?

  这可是一个很大的难题!

 

2004.1.26


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