|
[摘要] 在宇宙的能量-动量张量中不能忽略全体物质 |
|
[摘要] 在宇宙的能量-动量张量中不能忽略全体物质 |
|
关键词 宇宙，宇观，星系团，星系，分子云，恒星，太阳，演化
1 引言 科学不仅是静态的逻辑体系，更是动态的求索进程，在这一进程中，人们通过越来越广泛的活动发现越来越复杂的现象，经过越来越系统的争论达到越来越简洁的共识． 大多数人都曾观测到并深信“重物比轻物落得快”，包括亚里斯多德在内．伽利略不轻信观测，他用最简单而又最伟大的逻辑使人相信重物与轻物同速下落． Hubble及其后继者都观测到 “宇宙（其实是宇观）是动态的”，就像我们日常观测到“重物比轻物落得快”一样．但是，动态宇宙模型引入了太多不“经济”的工作假设，所以本文尝试讨论这样一种可能—— 宇宙是静态的均匀的，其局域的涨落引发了宇观的结构演化和化学演化． |
|
2 零和原理与零和假设
2.1 爱因斯坦场方程的Schwarzschild局限 Schwarzschild时空和Robertson-Walker时空的度规分别为 －dτ2＝－（1+2φ）dt2+（1+2φ）－1dr2+r2dθ2+r2sinθ2dφ2 、 （1） —dτ2＝－dt2+R2(t)[dr2/(1－kr2)+r2dθ2+r2sinθ2dφ2] ， （2） 在Schwarzschild时空中只有球心这一个点是球对称的，而Robertson-Walker时空的每一个点都是球对称的．那么，诞生于Schwarzschild时空的爱因斯坦场方程适用于Robertson-Walker宇宙吗？先回顾爱因斯坦场方程的“推导”过程[1]． 非相对论物质ρ所产生的“弱的定态场”的度规的时时分量近似为 g00＝－(1+2φ) ， (3) 其中牛顿势φ决定于Poisson方程▽2φ＝4πGρ，而非相对论性物质的能量密度ρ～T00，于是得到 ▽2 g00＝－8πGρ ＝－8πG T00 ， (4) 这启发人们猜测对于一般的能动张量Tαβ ，弱场方程取如下形式 Gαβ＝－8πGTαβ ， (5) Gαβ是度规和它的一阶及二阶导数的线性组合，于是由等效原理推得，支配任意强度的引力场的方程即爱因斯坦场方程为 Gμν＝－8πGTμν ， (6) 其中： Gμν＝Rμν－ gμνR/2 ， R＝gλνgμκRλμνκ ． Gμν有五个性质：1、Gμν是一个张量；2、Gμν由总阶数为2的度规的导数组成，这样引力场方程才是均匀的；3、Tμν是对称的Gμν也是对称的；4、Tμν是守恒的Gμν也是守恒的；5、对非相对论物质产生的弱的定态场，G00≈▽2g00.——引进λ后条件2和5就难以严格满足了，λ破坏了场方程的简谐． 在Robertson-Walker度规中g00＝1、φ＝０，所以有 ▽2 g00≡－2▽2φ≡0 ． (7) 这就是“宇宙（在理论上）是动态的”的根源．在Robertson-Walker宇宙近似有 G00＝（∂2gii/∂t2+▽2g00）＝－8πGρ ， (8) 若不考虑式（7）所表述的Robertson-Walker度规的特征，而是在形式上认为根据式（4）可将式(8)的中式的▽2g00与右式的－8πGρ相抵消，则自然得到 ∂2gii/∂t2＝0 ， (9) 即宇宙是静态的．▽2g00＝－8πGρ是在“推导”爱因斯坦场方程时不分时空强行要求的，从这一点来看，并不是由爱因斯坦场方程推导出Robertson-Walker宇宙是动态的，而是在导出爱因斯坦场方程之前就已先验“假设”的． Schwarzschild时空是二维最大对称的，Robertson-Walker时空是三维最大对称的，爱因斯坦宇宙是四维最大对称的．根据定理456 [2]，四维最大对称宇宙的能动张量必取四维最大对称形式——常数•gμν ．爱因斯坦引入宇宙常数λ之后人们才提出Schwarzschild、Robertson-Walker度规形式，所以不能不顾历史条件苛求爱因斯坦考虑 爱因斯坦场方程的Schwarzschild局限 问题 2.2 对爱因斯坦场方程的修正 上世纪中叶人们就试图对爱因斯坦场方程进行修正．Brans和Dicke认为标量场和引力场同样起作用，正确的引力场方程应当是 Rμν－gμνR/2＝－8π（Tμμν+Tφμν）/φ ， （10） φ～1/G是同宇宙的质量密度相联系的标量场，Tφμν是包含φ场的能动张量．另一种简洁的方式是把爱因斯坦方程等价地写成 R（1）μν－ημνR（1）λλ/2＝－8πG（Tμν+tμν） ， （11） tμν≡（Rμν－gμνRλλ/2－R（1）μν+ημνR（1）λλ/2） gμν＝ημν+hμν R（1）是Ricci张量中与hμν成线性的部分，上式说明场hμν是由总的能量和动量的密度和流产生的，tμν只是引力场本身的能动张量． 以上修正未考虑不同时空形式下的修正．我们曾试图寻找爱因斯坦场方程的一般形式，它普适于Schwarzschild时空、Robertson-Walker时空和四维最大对称时空，但后来发现，爱因斯坦场方程可能是普适的，问题在于ρ． 2.3 “干水”和没有势能的宇宙 在流体力学里，理想流体被定义为完全不可压缩的无粘滞流体，但流体不可能是无粘滞的，所以John von Newmann谑之为“干水”． 宇宙学认为宇宙是理想流体，其能动张量Tαβ可取球对称形式 Tαβ＝（ρ+p）UαUβ + pηαβ ， （12） ρ－nm≈p/（γ－1）， 对于今天的可以认为p＝0的宇宙来说，这就意味着ρ＝nm．热胀模型声称ρ为固有能量密度，但实质上是把ρ看作静止能量密度，比如，若宇宙的能量密度是由压强可以忽略的非相对论物质所决定，则有 ρ∝R－3（t） ， （13） 这是静止质量守恒的形式，它同星系数守恒关系 nGR3（t）＝常数 （14） 类似，nG是单位固有体积的星系数，nGR3（t）在共动坐标系中保持不变．采用共动坐标系是很方便的，可以在形式上把膨胀的宇宙看作是一种理想流体，但这种形式上的方便却在物理上却漏掉了极重要的一项——势能． 点点球对称的宇宙的能动张量应表达为[3] Tμν＝(μ+p)UμUν+pgμν （15） μ＝ρ（1+ε） μ为固有能量密度，ε为比内能即内能与质能之比．真正的固有能量密度μ不一定满足式(13)，比如对均匀的物质球来说，由其自身引力势能构成的比内能可平均近似为 ε≈－4πGρR2/5 （16） 因此平均近似有 μR3＝ρR3－4πGρR5/5≠常数． （17） 在1917年，当爱因斯坦开始推导广义相对论时，银河系就是宇宙的观点相当流行，像银河系这样大的“宇宙”其势能与质能相比当然可以忽略不计，所以不妨假设宇宙的势能部分的比内能ε＝0，宇宙学的诸多问题都源于这一局限于历史条件做出的隐含假设． 2.4 引力势能与布满负物质的Minkowski时空 有正确的宇宙的内能与质能比ε才会有正确的宇宙能动张量式（15）、才会有正确的宇宙动力学方程．为简洁起见，本文认为宇宙的势能就是引力势能，不考虑电势能、核势能等，那么，能否观测到引力势能的ε？ 在由对称的两半对接成的刚性真空球壳内，有两个相对于球壳静止的细菌A和B，细菌A位于球心，细菌B不位于球心，球壳离其它物质足够远，由Birkhoff定理知球壳内的时空是Minkowski的．细菌看不见球壁，认为除下它俩以外没有物质也没有引力．设球壳开始球对称地吸积物质，球壳外的引力场越来越强，但球壳内的时空仍然是Minkowski的．某时用16匹神马将球壳对称拉开，细菌B感觉到了引力，向球壁加速坠落，它知道这意味着空间具有势能．在原球心处各方向的引力仍然相互抵消，所以细菌A保持静止，它疑惑细菌B怎会远离自己．神马的能量不够大，被拉开的球壳又被引力对称地吸合到一起，球壳内的时空又变成Minkowski的，细菌B又感受不到引力的存在，它疑惑，刚才的势能去哪了，……终于明白，势能其实遍布于自己的四周，只不过在球对称的情况下，引力相互抵消，引力势能可以以Minkowski时空的形式存在，所以它不能感觉到势能的存在更不能直接测量出势能的绝对强度． 2.5 零和原理与零和假设 彗星向太阳运动时动能增长、势能等量减少．彗星和太阳携带动能，那么谁携带势能？不是太阳也不是彗星而是其间的引力场，本文称之为场子，也就是说彗星和太阳每增加一定的动能必相应地在某空间感生出携带等量负能量的场子．彗星关于太阳的ε极小，但彗星关于宇宙的ε呢？ 先抽象出零和论断：宇宙中每产生一定的零和量必同时产生等量的与其相反的零和量．在本文中零和量局限于电荷和能量．例如，每生成一个正电荷粒子必定同时生成一个负电荷粒子，正、负电荷值精确相等． 零和论断适用于现在也适用于过去，可把它归纳成零和原理：宇宙是零和性的，宇宙中每产生一定的零和量必同时产生等量的与其相反的零和量．例如，关于电荷的零和性是指宇宙是电中性的．下面根据零和原理提出零和假设： 宇宙曾处于这样一种状态，宇宙是由场子、质子、电子组成的绝对零度的等离子体，宇宙的比内能ε、静止质量密度ρy及相应的氢原子数密度ny分别为 ε＝－1、 ρy＝10－26 kg/m3 、 ny＝ρy/mH＝6 /m3 ． （18） mH为氢原子质量． |
|
3 静态宇宙和动态宇观
宇观，我们可观测到的部分宇宙． 3.1 非虚空爱因斯坦静态宇宙的矛盾 为了得到宇宙的静态解，爱因斯坦引入宇宙常数λ，将其场方程修改为 Gμν＝－8πGTμν+λgμν≡－8πGT(λ) μν ， （19） T(λ)μν≡Tμν－λgμν/（8πG）≡[ρ(λ) + p(λ) ]UμUν+p(λ)gμν ρ(λ) ≡ρ+λ/（8πG） ， p(λ) ≡p－λ/（8πG） ， 于是宇宙是静止的条件就转变为 ρ(λ)＝－3p(λ) ≡－3p+λ/（4πG）． （20） Edington发现爱因斯坦宇宙不稳定，无穷小的涨落就可使其膨胀或收缩．实际上，非虚空的爱因斯坦宇宙不可能存在：爱因斯坦宇宙是四维最大对称的，那么式（19）的Gμν就是四维最大对称的，由定理456[2]知，式(19)的T(λ)μν也应是四维最大对称的，能表达成T(λ)μν＝常数•gμν的形式，显然这只有在ρ＝p＝λ＝0时才能实现． 3.2 零和原理下的静态宇宙 根据零和假设，宇宙的比内能ε＝－1，p＝0，式(15)的宇宙能动张量为 Tμν＝0 ， （21） 代入爱因斯坦场方程易知宇宙空间的膨胀速度、加速度及k 都为0： •R( t )＝‥R( t ) ＝k＝0 , （22） 即宇宙总体是静止的，其空间是欧几里德空间，其时空是四维最大对称的Minkowski时空——这就不要求宇宙有过极高温的早期，不要求正反物质曾经达到平衡． 上述修正只是认真考虑了势能的影响，并未改变爱因斯坦场方程的本质。在式（10）（11）中分别令Tμμν＝－Tφμν、Tμν＝－tμν就可得到式（21）． 3.3 零和原理下的动态宇观 式(21)(22)仅在点点球对称时空中成立，对宇宙整体及dr足够大来说这显然成立，宇宙局域将以它们为零阶近似开始动态演化． 宇宙局域与宇宙整体的关系类似统计物理中的巨正则系综．设宇宙某局域的质量密度为ρj相应的氢原子数密度为nj ，ρj、nj会因涨落而偏离式(18)的宇宙的ρy、ny ，在该局域内场子所携带的势能密度ρy•εj也会涨落，但ρy•εj是由宇宙整体物质分布所产生的，所以ρy•εj的涨落幅度远小于局域的ρj的涨落幅度，在微扰时可简略认为该局域仍为理想流体，其势能密度仍为ρy•εj＝－ρy ，于是根据式（15）可将微扰时局宇的能动张量近似表达为 Tμν＝(μ+p) UμUν+pgμν ＝(ρj+ρy•εj+p) UμUν+pgμν ＝(ρj－ρy)UμUν≡ΔρjUμUν . （23） 为简洁起见，上式及以后的讨论都假设在半径为R的球域内的微扰是均匀的且p＝0．根据统计物理，局域原子数的最几涨落ΔN与其平均应有的氢原子数N的关系为 ΔN～±N1/2 ， N＝nj•4πR3/3 ． （24） 所以此半径为R的球域内的密度涨落的最几值为 Δρj＝±ΔN • mH/(4πR3/3)＝ ±(ny •4πR3/3)1/2 •mH/(4πR3/3) ＝±(3ny/4π)1/2 •mH/ R3/2＝±2×10－27 R－1.5 ． （25） 当ρj＞ρy时Δρj＞0，与其对应的式(23)就成了单点球对称零压尘埃球的能动张量[4]，其度规可近似地表达为Robertson-Walker形式，且有 H2 ( t )＝－k/R2 ( t )+8πGΔρj/3 ，H ( t ) ≡R ( t )/ •R ( t ) ， （26） k/R2 ( t )＝(2q－1)H2(t) ， q≡－‥R ( t )R ( t )/•R2 ( t ) ． （27） 根据Jeans引力不稳定性理论，星系、恒星等天体都由星云中的引力不稳定性形成．现在一般采用下式作判据[5]： MJeans＝（πR/Gμ）3/2T3/2ρ－1/2 ． （28） 当扰动区内的质量大于MJeans时，扰动密度Δρj随时间呈指数增长．根据零和假设，早期宇宙中T＝0，所以MJeans＝0，即任何扰动都可增长．密度扰动Δρj可为正值也可为负值，所以任一局域既可因扰动变密而越来越密即坍缩，也可因扰动变疏而越来越疏即膨胀． 无论坍缩还是膨胀，它们都可看作零压尘埃球，因而其度规都可近似看作Robertson-Walker度规，其早期行为都可由式（26）（27）描述．这就是说，由于涨落，使得宇宙整体的Minkowski时空在局域蜕变为Robertson-Walker时空，此局域是膨胀还是坍缩则决定于其内Δρj的正负，若Δρj＞0则H 2 ( t )＞0即坍缩， 若Δρj＜0则H 2 ( t )＜0，H ( t )为虚数，这显然是指该局域膨胀． 若球域A因Δρj＞0而坍缩成聚集结构，则与其紧邻的尺度相当的球域B中就极可能因Δρj＜0而膨胀成空洞结构．早期宇宙中任一球域变密、变疏的几率各为1/2，各球域既包含了很多更小的疏密相间的小球域又都是更大一级的球域的疏密相间的组成部分，所以宇宙将演化成疏密相间的泡沫结构． 至少在1亿光年的尺度内物质呈分形分布，其维数介于1和2之间， 式（25）中的幂指数－1.5与所谓的分维是有一定的联系的，但这里尚不能仔细分析． 对星系尺度磁场的起源的标准解释是发电机理论，这种理论要求有一个最初的微弱种子磁场．根据零和假设，早期宇宙是绝对零度的等离子体，因而可以产生微弱的但是不可忽略的自发磁化，这就是大尺度种子磁场的起源． 3.4 Δρj是描述各种尺度的膨胀、坍缩和静态现象的内在变量 在星系乃至星系群尺度，ρj＞＞ρy ，式（26）(27)中Δρj≈ρj，H 2 ( t )＞0，呈现聚集趋势，数值与传统理论的差别可以忽略不计． 随着半径增大，ρj越来越小，约在10 Mpc的尺度上由ρj＞ρy逐渐转变为ρj＜ρy，于是有Δρj＜0和H 2 ( t )＜0，即呈现膨胀趋势． 至少在1亿光年的尺度上物质呈分形分布，在此范围内H（t）不仅是尺度的函数，而且还会随角度改变，本星系群向巨吸引体方向的坠落就是一种体现． “大尺度结构是普遍特征，而所能发现的最大结构总是与巡天区域的尺度相当” [6]，已经观测到了30亿光年的大尺度结构，而且没有迹象表明人类巡天的能力会仅限于30亿光年．不妨浪漫一下，假设我们的宇观是半径很大比如为300亿光年的涨落变疏的球域的一部分，则由式（26）（27）知宇观将像Robertson-Walker时空一样膨胀，在膨胀初期有k～0、q～0.5，而且现在观测表明宇观的k～0，并且H2 ( t )＜0，由这两项观测结果及式(26)(27)可推知 ‥R ( t )＞0 ， （29） 即宇观将加速膨胀．这与近年对远方超新星的观测结果相符合． 星系团动力学研究表明，宇观的普通物质密度约为0.2×10－26kg/m3，将此值及k～0代入式（26）中得， H2 ( t )～8πG（0.2×10－26 －10－26 ）/3 ． （30） 上式中H ( t )是虚数，即宇观将膨胀，H ( t )的绝对值即所谓的Hubble常数为 H0～[（8πG（10－26 －0.2×10－26 ）/3）]1/2 ＝2.1×10－18 /s＝65km/s/Mpc ． （31） 上式“导出”了H0的值——当然实际上是根据H0的观测值假设了式（18）． 在更大的比如15000亿光年的尺度上，Δρj大大减小，该尺度的局域又趋近平静．在无穷大的尺度上，Δρj为无穷小，那么该尺度的局域——宇宙就是静态的． |
|
4 结构演化
设不同尺度的结构同时开始引力演化，由式（25）知尺度越小则Δρj越大，结构演化速度越快，这就决定了宇宙在时间上呈现逐级演化的表象． 4.1 坍缩时标 由式（23）、（26）知由局域涨落Δρj所导致的坍缩时标应为 τ＝（GΔρj）－1/2 ， （32） 将式（25）的正项代入式（32）得 τ＝（G×2×10－27 R-1.5）－1/2 ＝ 2.74×1018R3/4 ． （33） 质量为Mj的聚集结构在密度为ρy 的早期宇宙中所占据的球域的半径为 Rj ＝（3Mj/4πρy) 1/3 ， （34） 由式（32）（33）(34)知从早期宇宙中形成质量为Mj的聚集结构所需的时间为 τ＝2.74×1018（3 Mj /4πρy）1/3×3/4 ＝6.06×1024Mj1/4 ． （35） 从远方观测者的角度来看，球域A坍缩的形成和与其相邻的与其尺度相当的球域B的空洞的形成是同一过程的两个方面，二者所需的时间应该相当，所以可把上式看作宇宙早期大尺度结构形成的粗略的近似，无论它是聚集结构还是坍缩结构． 4．2 第一代恒星与微波背景 由式（33）知，早期宇宙中形成质量为0.08 M⊙、1 M⊙、106 M⊙的聚集结构所需的时间分别为 τ0.08＝6.06×1024（0.08 M⊙）1/4 ＝1.21×1032 s ＝3.8×1024 年 ， （36） τ1＝6.06×1024（1 M⊙）1/4 ＝2.27×1032 s ＝7.2×1024 年 ， （37） τE6＝6.06×1024（106 M⊙）1/4 ＝7.19×1033 s ＝2.3×1026 年 。 （38） 不必为如此长的时间惊讶，在热胀模型盛行之前，一种公认的世界观是认为宇宙存在了无穷长时间，与无穷长时间相比，100100年也可忽略不计． 上述3式说明在引力演化开始的1032 s内，宇宙中主要形成了些质量小于0.08 M⊙的由纯氢组成的小质量天体，它们不能靠自身引力点燃氢．在1032 s后会有个别局域形成质量大于0.08M⊙天体，这就是第一代恒星． 与7×1024年相比，在短短的100 Gyr（Gyr =109年）内，第一代恒星完成核演化走向死亡．为简洁起见，假设早期宇宙中出现的主要是些质量为0.01M⊙的天体，其平均密度为1000kg/m3，它们的平均半径为1.7×108米，我们可以把这些星体看作是尘埃，这些天体在宇宙中的数密度为15000/kpc3，那么光子在这样的宇宙中的自由程约为1021光年，也就是说，过了远远长于1021年时间后，第一代恒星发出的光子才能与物质发生充分多的碰撞，形成黑体辐射，由于质量为1 M⊙的天体需要7×1024年才能形成，所以在这些天体形成之前第一代恒星的光能可以在宇宙中形成黑体辐射． 2.73K的微波背景辐射的平均能量密度为 u（2.73）＝aT4＝7.56×10－16×2.734＝4.2×10－14 J/m3 ， （39） 由4个氢核嬗变为1个氦核可以释放4.283×10－12J的能量，按宇宙中的平均的质子数的密度来算，上式的能量密度相当于在每m3的体积中有 4×(4.2×10－14/4.283×10－12)＝0.039 （40） 个氢核嬗变成了氦核．宇宙的氢核数密度为6/m3，这就是说，应当有0.039/6＝0.65%的氢核嬗变为氦核．如果早期宇宙中有6.5%的质量形成了第一代恒星，第一代恒星有10%的质量嬗变，这就足以形成现在的宇宙微波背景辐射——当然，微波背景的能量不一定完全由第一代恒星提供． 4.3 空洞与片状结构的形成 在引力演化开始后的1024年内，质量大于1 M⊙的恒星还未形成，宇宙的温度已上升为约2.73K，式(28)中的MJeans增大为105 M⊙．105M⊙的气体云可等温坍缩，碎裂成星团[5]；更大尺度的结构仍然可以形成，但其基本构成单位不再是粒子，而主要是小质量天体．没有足够强的机制使小质量天体快速释放能量，所以更大尺度的聚集结构就不能实现维里化，因而也就不能形成． 空洞不需要维里化，空洞的形成引发了片状结构的形成． 空洞不同壳层的膨胀速度不同[6]，导致相邻壳层交叉而使交叉部密度增大．若交叉部足够密，在交叉部天体就能并合形成质量更大的天体．交叉部的质量足够大则可形成片状束缚结构．所谓的星系长城等大尺度片状结构及宇宙的泡沫结构应是由这种机制形成的．单个空洞是球对称的，多个空洞挤在一起其结合部会变成片状的，——就像玻璃瓶中的泡沫一样． 4.4 片状结构的碎裂与星系的演化 片状结构会进一步碎裂，形成星系、星系团等的胚，这就是说星系、星系团等的形成机制不是等级成团和原始涡度模型，而是类似薄饼模型[7]． 片状结构碎裂到一定程度以后，星系胚得到足够的本动速度，与其它星系胚发生作用 [8]而并合，从而激发质量大于0.08M⊙的天体大量出现． 于是第一代星团级的星系形成了． 第一代星系的氦丰度和金属丰度极低，它们演化一定时间后再与其它星系并合，再次激发恒星的形成和星系的活动．就这样逐级并合，星系的质量越来越大，氦丰度和金属丰度也越来越高，构成了矮星系的演化序列[9]：dIs→SBs→BCDGs→BCGs→dEs．矮星系又进一步并合成星系和巨星系，现在星系的尺度由矮星系的3000pc到cD星系的2Mpc，这从空间上展示了星系形成的历史． |
|
５ 化学演化
排斥产生熵，导致扩散，吸引吸收熵，趋向聚集，二者交织，在各种尺度和范畴形成均匀、梯度、分维等交织的结构，包括生命、意识、精神…… 5.1 “小型大爆炸”对星系团化学演化的影响 喷流在行星、恒星、星系的尺度都可能发生[10，11]，它们影响的质量和尺度常远大于产生它们的母体的质量和尺度． 等离子体反应堆是星系激烈活动的典型机制[12]：强大的辐射压使星系的吸积盘变成几何厚的湍动的等离子体反应堆，热和磁灾变过程导致相对论喷流．喷流把这些经过“小型大爆炸”的物质送到星系乃至星系际空间． 活动星系核都能产生喷流，喷流能否向外延伸则取决于其周围介质的渗入，若介质渗入过多，喷流就会减速，以至消失［13］．如，类星体3C286的VLBI图像显示一个多节点的弯曲的喷流浸嵌于一个宽广的蚕茧状结构中［14］． 有些喷流远远超过星系范围，如，头尾型射电星系的两条尾巴能延伸１Mpc，这说明该星系在星系团内高速运动，其喷出的物质与星系际物质相互作用而减速，形成尾巴．许多喷流存在角进动，这就更扩大了喷流扫过的范围．星系际物质与相对论喷流的相互作用会伴随核反应，这样，喷流不仅扩散了“小型大爆炸”的产物，而且还在星系直到星系团范围内点燃了核反应． 星系中还常爆发新星、超新星，产生大量相对论性粒子，其中有相当一部分逃逸到星系际空间，广泛而持久地改变着星系团的化学结构． 在一些类星体的莱曼α森林吸收线中发现了氦线，有人认为这就是“原始氦”，其实这是以上某种喷流的杰作，在这些所谓的原始氢云中会有多种元素，这些元素如氘的丰度会有一定的弥散[15]．——这是喷流随机作用的结果． 总之，从早期到现在，星系团内出现了无数个大小不等的巨能“加速器”，在空间上随机地在时间上持续地改造着星系团的物质分布和化学结构． 5.2 并合决定银河系的化学演化和运动结构 由4.4小节的观点推知，亿万个星系胚并合成小星系后又逐渐并合成银河系，这一过程决定了现在的银河系可历史地分解为五大部分：核球、暗晕、星晕、厚盘、薄盘．不同阶段不同区域的银河系有不同的氦丰度Y和金属丰度Z，越晚形成的部分质量越小而Y和Z越高，有多种明显的梯度[16，17]． 核球 Z介于0.1～10Z⊙，质量为109 M⊙；星系自转太快，其中心黑洞不可能在星系达到稳定后才形成［18］，核球内可能存在黑洞，核球恒星都是年老的，这些说明，银河系最早定形的是核球，它是107个银河系原胚并合的核心． 暗晕 Z极小，质量为1012 M⊙，主要是早期形成的小质量天体和死星． 星晕 Z介于0.0～0.4 Z⊙，质量为1011 M⊙，年龄为15Gyr． 厚盘 Z介于0.4～0.6 Z⊙，质量为109 M⊙；10Gyr前一个大小像大麦哲伦云的星系并入银河系形成了厚盘，同时还显著改变了银河系的自转． 薄盘 Z介于0.6～1.1 Z⊙；年老薄盘的年龄介于1～10Gyr，太阳是年老薄盘恒星；大约10%的薄盘恒星属于年轻薄盘，年龄小于1Gyr，它包括所有亮的蓝色O型、B型星、大多数红超巨星以及很多亮的白色A型星． O型星有较强的HeⅡ、HeⅠ线，B5～B9星的HeⅠ线就已经很弱，它们大都位于薄盘．——当宇宙学家说宇宙的氦丰度是多少时，他们往往指的是不久前形成的薄盘恒星和已经经过喷流或恒星演化的物质的氦丰度． ５.３ 云环的氦丰度和金属丰度增加的比例 现在分子云大都集中于银河系中半径R～5.5kpc、宽度ΔR～3kpc、厚度约为60pc的所谓云环之内，是恒星形成的主要场所．云环在银河薄盘内进行着循环演化［19］， 1、旋臂上的分子气体由于Parker不稳定性形成分子云；2、由于引力不稳定性形成分子云复合体；3、云-云碰撞形成大分子云，激发恒星产生，残留分子云被吹到星际介质中去．云环的光质比约为4 L⊙/ M⊙[20]，假若它们以此光质比存在了10Gyr，那么就约有26%的氢转变成了氦和其它更重的元素． 棒旋星系NGC7582 [20]的气体氢质量为1.6×109 M⊙，红外光度LIR＝4.32×1010 L⊙，LIR/M(H2)＝28 L⊙/ M⊙，气体转化为恒星的速率为9 M⊙/yr，这意味着它的星系介质进入大质量恒星的循环时间近似为0.2Gyr，比通常对银河系估计的时间2Gyr要短得多．这说明，银河云环在早期的光质比可能更大． 推测当云环的Y大约增加14个百分点时Z增加1个百分点，这样云环的化学结构才能由早期的X：Y：Z=100：0：0演化为现在的70：28：2，即ΔY/ΔZ=14；对热胀模型来说，云环的化学结构是由早期的X：Y：Z=77：23：0演化为现在的70：28：2，即ΔY/ΔZ=2.5．由恒星演化对星际介质的影响使我们认为ΔY/ΔZ＞2.5。 ５.4 恒星对星际介质的氦丰度的影响 大质量[5]恒星内部不同层次的物质混合会使中心核产生的氦混合到外壳中，在演化过程中大质量星不断将通过核反应产生的重元素抛到宇宙空间，是产生星际介质的重要来源．SN1987A的前身星是一颗红巨星，它的外壳的He/H的比值比较大，一些超新星如SN1993J的包层的He丰度可约与H的相等． 中等质量星由主序进入氦燃烧阶段后，外部对流层不断向内部延伸，到一定的阶段，几乎整个恒星都处于对流状态．到AGB阶段后， 10－5～10－4 M⊙/a量级的超星风会把大量的恒星外壳物质吹散到星际介质中去． 总之，氦的相当大的部分是由恒星产生的，与“大爆炸”无关． ５.5 太阳活动对太阳表层氦丰度的影响 太阳是年老薄盘恒星，46亿年来的平均光质比约为1L⊙/ M⊙，与此同时，根据5.3节，银河云环以明显大于1L⊙/ M⊙的光质比经历了两次以上的恒星循环，其氦丰度Y和金属丰度Z提高的速度和幅度就会明显大于整个太阳的相应的平均值，那么，年龄小于1 Gyr的年轻薄盘恒星的Y和Z就应明显大于太阳的平均值．所以，虽然现在太阳表层的Y和Z大致与银河云环的相当，但太阳内部平均的Y和Z一定明显低于其表层的值，这正是太阳中微子失踪之谜的谜底，——这还需要这样一种机制，使太阳表层的Y和Z提高的速度和幅度明显高于其内部的平均值．太阳活动就是这种机制之一：宁静期太阳风的氦丰度约为0.24，而在日珥爆发期氦丰度成倍增长． 磁场像引力一样产生负熵，太阳磁场使太阳表层存在相对论性能量积聚和释放过程，并引发核反应。耀斑的产生是典型例子[21]，在太阳大气中漂浮着许多磁环，能把质子加速到相对论性能量，这些相对论性粒子沿磁环向下倾注到色球层就能像加速器一样爆发核反应。在地球轨道上可直接观测到能量达100MeV的电子、质子和重子，以及质子-中子反应创造的氘通过去激发所产生的2.2MeV发射及其他谱线发射．需要强调，耀斑环中的磁压远大于等离子体气压，因此高能质子受到捕获不易逃逸到行星际空间中去。不清楚现在的观测资料是否能定量判断太阳表层的核反应速度。 总之，在星系团中密布着“加速器”，改变着星系团的化学成份，类似地，在太阳的表层也密布着许多“加速器”， 快速提高着太阳表层的Y和Z．当然，太阳对星际介质的吸积等也在不断地改变着太阳表层的化学成份． |
|
6 结语
曾有一段时间，宇宙的主要成份是均布的场子、质子和电子，由此涨落出了今天的宇观，那么，是谁给宇宙设计了造物工艺？宇宙用什么原料制造了场子、用什么仪器制造了电荷精确相等的电子和质子？……组成本文和本人的物质都曾游荡在银河星云中—— 银河星云梦飞蝶 百亿年后得我心 致谢 从1990年至今，本文的写作先后得到刘辽、李立新、周树荣、沈惠川、尤峻汉、章世伟、周又元、张衡、高衡、王绶绾、王永久、汪显坤、李竞、朱翠莲、林元章、许梅、黄超光、熊大闰等老师的批评鼓励，在此深表感谢． 参 考 文 献 1 温伯格 S．．引力论与宇宙论．邹振隆等译．北京：科学出版社，1980．649-652 2 温伯格 S．．引力论与宇宙论．邹振隆等译．北京：科学出版社，1980．456 3 是长春．相对论流体力学．北京：科学出版社，1992.10 4 温伯格 S．．引力论与宇宙论．邹振隆等译．北京：科学出版社，1980．399 5 黄润乾．恒星物理．北京：科学出版社，1998．254-265 6 马马耳．天体物理学报，1994，14(2)：101-108 7 吴国祥，胡佛兴，苏洪钧等．天体物理学报，1997，17（4）：345-354 8 卞毓麟，刘健，邹振隆．天体物理学报，1995，15（4）：304-311 9 孔旭，程福臻，周旭等．天体物理学报，1999，19（4）：380-392 10 赵君亮，钱伯辰，汤源等．天体物理学报，1997，17（4）：435-436 11 郑兴武．天体物理学报，1997，17（3）：291-296 12 王建民，许竣，钱钢铃等．天体物理学报，1999，19（2）：134-138 13 卢炬甫，方陶陶．天文学报，1994，35（2）：143-148 14 张福俊．天体物理学报，1996，16（3）：124-128 15 俞允强，姚权力．天体物理学报，1998，18（4）：345-351 16 李天超，赵刚，罗绍光．天体物理学报，2000，20（3）：288 17 克罗斯韦尔．银河系．黄磷译．海口：海南出版社，1999 18 徐璺，俞允强．天体物理学报，1994，14（1）：1-10 19 张同杰，宋国玄．天体物理学报，2000，20（1）：17-24 20 苏步美，李永生，高亦菲．天体物理学报，1999，19（4）：353-358 21 周树荣．天文学报，1999，40（2）：149-155 |
|
这个贴子是误撞到这里来了
‘挑战相对论’并非本贴的主题 :) |
|
银河传说，你好
1、我先从精神上支持你的研究。 2、一定要到处宣传自己合理的科学思想，不过你在这里这么贴论文好象效果不好，一来现在没有几个懂广义相对论的人，二来WORD文件这么贴看起来很乱，你应该做成图片贴上来，或者说在这里只做科普宣传，而让别人向你索取或下载论文。 3、你的QQ总是不与别人在线交流，你担心什么呢？我想把你加到QQ群中，不知你愿意不愿意？ 黄鹏辉 http://blog.ifeng.com/1292308.html |
|
对【10楼】说： 谢谢提醒： 1、我争取今天做出图片格式的发上来 2、如果我的观点还不被认可的话就不宜把它当作科普来宣传了，否则是误人啊 3、我很少上QQ，事比较多，我们还是在QQ信箱或这里交流吧 |
|
对【11楼】说： 近年来，任何挑战大爆炸宇宙学的理论几乎都是被封杀的。你能够坚持研究20年，而且很有学术水平，令人钦佩。我认为，哥白尼的日心说在人类历史上是一次革命性的进步。可是，大爆炸宇宙学却是人类历史上一次荒唐的退步。 我现在正在提倡：局爆宇宙学。虽然有些学术观点与你的不相同，可是我们可以互相借鉴，共同为促进形成宇宙学的中国学派而努力。更多信息，请看： http://blog.ifeng.com/2421080.html>张操 |
|
黄鹏辉对【11楼】说：
银河传说先生，你好 1、我争取今天做出图片格式的发上来 ----我忘记提醒你了，WORD文件先存为PDF文件，然后在ACROBAT中另存为图片就全部自动转为图片了。 2、如果我的观点还不被认可的话就不宜把它当作科普来宣传了，否则是误人啊 ----如果你等到你的观点被认可的时候再宣传你的观点，那很有可能你的观点永远不会被认可，这是极有可能的。主动在任何时候都是重要的。 你作科普宣传利益采用一些技巧，比如我那些问题中的两个广义相对论课题，那确实是科普宣传的紧迫课题啊，并不是我个人的事，你看我是物理专业毕业的，尚且这么艰难，你想想，一般的工科生哪里能够明白？这种有价值的科普宣传是中国的事，那就确实也是你的责任。我希望你的思路开阔一些，也许全中国广义相对论就你或者张操先生最厉害，那你们不做基础工作，让我这个有那么多课题的“暂时外行”来做，我觉得是你们的工作不到位，请反省！你通过科普宣传，把你的博客和观点巧妙地溶入进去，那就一箭双雕或多雕。科学研究和宣传也是要技巧的，不是靠死研究就行的。 你不要以为别人都是智力低下，好象你一宣传别人就会接受，就会误人。一个理论能不能被认可，那有可能是要几十上百年的，那很可能不是你我决定得了的，而是历史决定的。我们能够做的，就是作好自己的事--努力宣传自己认为合理的思想。至于能不能被认可，由历史来裁定。所谓上帝的归上帝、恺撒的归恺撒，你做好你的，历史自然会作好她的事情。 3、我很少上QQ，事比较多，我们还是在QQ信箱或这里交流吧 ----那就在这里交流吧。 黄鹏辉 |
|
黄鹏辉对【12楼】说：
张操先生，你好 1、我已经把你加为了博客好友。先从精神上支持你的研究，因为我广义相对论还没有完全溶入进去。 2、我记得与你在北京相对论联宜会上见过一次面，当时你说在美国做计算机工作。一直没有机会深入交流，得等我学完广义相对论才能够提问题。 3、大家首先努力培养一种合理的物理学术交流氛围，比如论文交流、大家相互审核论文、相互找错、有错就直接指出，而不是首先顾及面子，经常在博客或论坛上提一些深入和有价值的问题，对政府研究机构进行严格监督和经常性地提出合理批评，大家至少要保证彼此能够以邮件找得到，等等。如此，我就不相信中国的物理研究搞不上去。 http://blog.ifeng.com/1292308.html黄鹏辉 |
|
黄鹏辉对【11楼】说：
张操先生，你好 1、我已经把你加为了博客好友。先从精神上支持你的研究，因为我广义相对论还没有完全溶入进去。 2、我记得与你在北京相对论联宜会上见过一次面，当时你说在美国做计算机工作。一直没有机会深入交流，得等我学完广义相对论才能够提问题。 3、大家首先努力培养一种合理的物理学术交流氛围，比如论文交流、大家相互审核论文、相互找错、有错就直接指出，而不是首先顾及面子，经常在博客或论坛上提一些深入和有价值的问题，对政府研究机构进行严格监督和经常性地提出合理批评，大家至少要保证彼此能够以邮件找得到，等等。如此，我就不相信中国的物理研究搞不上去。 http://blog.ifeng.com/1292308.html黄鹏辉 |
|
对【15楼】说： 黄鹏辉先生：1、很高兴你把我加为凤凰博客的好友。我也已经把你加为博客好友。我现在提倡的局爆宇宙学，不需要广义相对论，也不需要R-W度规，因为我不认为宇宙是由一次性大爆炸形成的。2、2002年时，我在北京参加学术会议。当时，吴水清和宋振海先生邀请我作一个学术报告，后来吴水清先生宣布成立北京相对论联谊会。其实，我没有参加北京相对论联谊会，虽然很多会员都是我的朋友。很高兴知道当时我们见过面。3、现在有互联网，大家学术交流方便多了。可是要有理性，要有耐心。让我们为促进形成物理学的中国学派而共同努力。张操 |
| 如果不利用广义相对论的话，很难对宇宙有深刻的理解－－－虽然广义相对论本身也问题重重 |