宇宙学计算超新星红移-距离关系的 公式存在原则性的错误 ---- 暗能量和宇宙加速膨胀被彻底证伪 福州原创物理研究所 我所梅晓春先生和俞平先生今年以来在美国《International Journal of Astronomy and Astrophysics》上连续发表了三篇论文,指出现有宇宙学计算超新星红移-距离关系的公式存在原则性的错误,彻底证伪暗能量和宇宙加速膨胀理论。文中提出修正的宇宙学运动方程,能很好地解释Ia超新星的高红移问题,为宇宙学的未来发展奠定了更好的基础。长期困扰宇宙学的宇宙年龄问题和宇宙大爆炸奇点问题也一并被彻底解决。
暗能量是当前宇宙学最大的问题,今年6月世界著名的美国《科学》杂志评选出八大宇宙未解之谜,暗能量名列榜首,暗物质被排在第二位。暗能量、暗物质和宇宙加速膨胀问题都起源于宇宙学观察发现的,Ia超新星的高红移对哈勃定律的偏离。上世纪20年代,哈勃通过观察发现河外星系普遍存在光谱红移现象,提出红移与距离成正比的变换定律。将这种红移理解为运动速度引起的多普勒效应,就得出宇宙膨胀的结论。1998年宇宙学观察发现Ia型超新星的高红移偏离哈勃定律,通过与标准宇宙学理论的拟合,得出宇宙中暗能量约占物质总量70%左右,非重子物质约占26%,正常物质只占4%的结论。宇宙被认为不仅仅是在膨胀,而且是在做加速膨胀!
需要强调的是,宇宙加速膨胀不是直接的观察结果,而是建立在超新星高红移观察结果与标准宇宙学理论拟合基础上的推测。暗能量则更是一个纯粹的假设,物理学家至今没有发现任何暗能量的蛛丝马迹,甚至不知道暗能量到底是何方神圣。因此如果标准宇宙学有问题,暗能量和宇宙加速膨胀理论就会立马被证伪。
既然将宇宙学红移理解为运动速度引起的多普勒效应,就应当用多普勒公式做计算。然而令人感到奇怪的是,现有宇宙学中计算Ia超新星红移-距离关系时,采用的基本公式不是多普勒红移公式,而是Z+1=R(0)/R(t)。按这个公式,在当前时刻R(t)= R(0)就有Z=0,意味着当前宇宙中所有的天体没有红移!采用随动坐标r(t)=R(t)r', 则有Z+1= r(0)/r(t),意味着红移Z与距离r(t)成反比而不是正比,从根本上违背哈勃定律!这个结果荒唐至极,奇怪的是几十年来宇宙学家们都没有看出来。可能是由于该公式最终被转化成积分的表达形式,使错误被掩盖。
梅晓春和俞平还从数学上严格证明,考虑到高阶近似后,我们只能得到R(t)= R(0),因此公式Z+1=R(0)/R(t)根本不能用。这个错误是数学错误,无可救药。暗能量和宇宙加速膨胀的推论就成了宇宙学的皇帝新衣,是根本不存在的!
除了计算红移-距离关系的基本公式有错外,梅晓春和俞平还指出,标准宇宙学理论本身存在严重缺陷。标准宇宙学基本运动方程--弗里德曼方程建立在爱因斯坦引力场方程基础上,但采用了两个简化条件,一是罗伯逊-沃克度规,而是静态能量动量张量,结果导致以下四个问题: 1. 英国物理学家阿瑟米恩1943年指出,利用牛顿引力理论可以很简单地导出相同的弗里德曼方程方程,其中不含任何相对论修正因子。因此弗里德曼方程实际上与牛顿引力的运动方程等价,不是相对论意义上的运动方程。只能用于低速条件下的宇宙过程,不能用于高红移超新星等涉及高速膨胀的宇宙过程。 2. 按目前的理解,罗伯逊-沃克度规具有常数曲率k,宇宙的空间被认为是平坦的具有k = 0。然而严格按黎曼几何曲率公式计算,尺度因子R(t)与时间有关时罗伯逊-沃克度规没有常数曲率。也就是说按照爱因斯坦引力理论,膨胀的宇宙空间就不可能是平坦的。计算表明只要存在非常小的曲率(数量级为10的负36次方),就可以解释超新星的高红移,从而不需要暗能量的假设。 3. 按照罗伯逊-沃克型度规,天体在膨胀宇宙中发出的光满足的是牛顿力学的伽利略速度相加规则,而不是相对论的爱因斯坦速度相加规则! 这违背狭义相对论的光速不变原理,与所有现代物理实验和天文观察相矛盾的。 4. 现有宇宙学采用随动坐标和静态能量动量张量张量构造运动方程,这也是不合理的。由于观察者与膨胀宇宙物质之间实际上存在运动速度,宇宙运动方程中应当采用动态的能量动量张量。如果考虑宇宙物质实际存在的运动速度,也可能解释超星系的高红移。我们实际上有很多方法解释超星系的高红移,完全不需要暗能量和宇宙就加速膨胀的假设。
所有这些问题的每一个对暗能量和宇宙加速膨胀都是釜底抽薪,可以置之于死地。暗能量和宇宙加速膨胀真可谓上天无路,入地无门,只能被送进了历史博物馆。现有宇宙学必须进行彻底改造,宇宙家根本不可能再按现有的方式继续做下去了!
通过将爱因斯坦引力场方程的施瓦西解变换到平直时空中描述,梅晓春和俞平提出相对论修正的牛顿引力公式和宇宙学方程。在此基础上直接利用多普勒红移公式,通过计算机数值计算,能很好地解释了Ia超新星的高红移现象,从而不需要暗能量和宇宙加速膨胀的假设。宇宙只有减速膨胀,没有加速膨胀。宇宙学也不需要宇宙中非重子暗物质占76%的假设,如果它们确实存在的话。同时还解决了长期困扰宇宙学的,宇宙年龄太小的问题和宇宙大爆炸奇点问题,可谓一举五得。
梅晓春和俞平先生的这项研究对宇宙学的未来发展具有重大意义,是国内学者基础科学研究走向世界舞台的重要标志。他们提出的建立在平直时空中的相对论修正牛顿引力理论和宇宙学方程有可能成为未来天体物理学和宇宙学的基本方程。希望国内相关学者们注意这个新进展,不要在错误的老路上继续浪费时间精力做无谓的研究,尽快将自己的研究转到正确的道路上来。
梅晓春和俞平文章英文版链接: 1. http://www.scirp.org/journal/PaperInformation.aspx?paperID=23272#abstract> 2. http://www.scirp.org/journal/PaperInformation.aspx?paperID=18173#abstract> 3. http://www.scirp.org/journal/PaperInformation.aspx?paperID=16374#abstract> 中文版链接: 1. 宇宙学中计算Ia超新星红移-距离关系的公式存在原则性的错误--宇宙学应当直接用多普勒公式计算红移。 http://www.mxcphy.cn/pdf/cm/cm1.pdf> 2. 将爱因斯坦引力场方程施瓦西解变换到平直时空描述得到的牛顿引力修正公式和修正的宇宙学方程。 http://www.mxcphy.cn/pdf/cm/cm1.pdf> 3. 宇宙膨胀尺度因子R(t)与时间有关时罗伯逊-沃克度规没有常数曲率-- 结果对暗物质和暗能量密度的影响。http://www.mxcphy.cn/pdf/cm/cm1.pdf>
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