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谱线位移*本原 作者：崔木培 内容提要：本文从“谱线位移”（红移或紫移）的定义出发，用“运动光学”规律，得出可作成“算图”使用的谱线位移直线方程系。根据方程系可以解释诸如： 光源与接收器无相对位移时，谱线位移为零；“紫移”的最大值为1（即Z= -1）；能够解释“大红移”现象。文章还对“大红移”的出现有无止境？为何“大红移”只在河外天体上出现？都作了合理的解答。通过对“谱线位移”本原的分析，得出了支持等级式宇宙模型的结论。对哈勃现象作了切实的说明，并指出哈勃定律、哈勃常数的片面性，以及多普勒原理有美中不足之处。 一、引言 谱线位移（红移包括紫移）的定义，可用下式来表示：
式中λ0是实验室光源的某谱线的波长，λ是天体的同谱线的波长。Z>0是红移，波长变大；Z<0 是紫移，波长变小。 传统的由Z值，计算视向运动速度的办法是：根据多普勒源理，天体相对于观测者的视向运动速度为 v时，其光源的谱线便有位移Δλ，而v=c·Δλ/λ0..由此可知，传统的方法只计算天体与观测者的相对速度。是没有计及两者各自的绝对视向速度对谱线位移的影响的。 但是，在实际观测中，有许多事实“向传统的红移解释提出了严重的挑战”，“以广义相对论为基础的宇宙膨胀假说，不仅可以解释哈勃定律，还能说明一系列观测到的现象，但不能解释不相符红移”（本段引号中的内容，摘自《中国大百科全书·天文学》152页），. 在拙著《迈克尔逊干涉装置光信号传播时间差的观测与计算问题》中推导出运动光学规律，并曾提到应用运动光学所揭示的规律，对天体视向速度引起的“红移”、“紫移”现象进行分析，将得到新颖而恰当的解释。 下文将叙述以运动光学为基础的谱线位移本原。 二、符合运动光学规律的谱线位移。 在谱线位移定义中，λ0 是实验室光源的某谱线的波长，λ是天体同谱线的波长。据此按运动光学规律计算, 得： 式中： C－－－光在真空介质中的传播速度。 V1－－－光源的绝对视向运动速度。 V2－－－接收器（或观测者）的绝对视向运动速度。
* 谱线位移－－泛指谱线偏离正常频率位置的现象。例如：当光源沿视线方向运动时它发出的谱线频率 会发生变化。这就是多普勒效应。 以（2）代入（1），可得
V1和V2均指视向绝对速度，在其运动方向与光的传播方向相反时，V1或V2为正；与光的传播方向相同时，V1或V2为负。 在实际问题中，光源和接收器的视向速度，一般不能立刻确知，但我们可以先作如下演算。并可作出谱线位移的算图。 令：
将X , Y代入（3）式，便得： 或 X -- (Z+1)Y – Z = 0 (5 ) (5)就是以点（-1，-1）为交点的直线系方程，它也就是“谱线位移算图的直线系方程”，Z为正时是“红移”，Z为负时是“紫移”。 根据物理界普遍承认的事实：客观物体的绝对运动速度，未有超过光速者，设V1 ，V2 之区间为（-c，+c），则方程（5）之定义域是： -1＜X＜+1 及 -1＜Y＜+1 在方程（5）的定义域范围内，Z的区间为： （-1，+ ∞ ）即，“紫移”的极限是 -1，“红移”的极限是 +∞。图1，是谱线位移“算图”直线系方程的直角坐标图。 三、谱线位移直线系的意义与分析 按X-(Z+1)Y-Z=0方程系，可作出如图1之直线系图形。组成直线系的每一条直线代表一群数值为Z的谱线位移。 对照公认的观测实际，与（5）式,所代表的直线系，有许多地方是明显吻合的。具体情形如下。 1、 数值为零的谱线位移（即Z=0时），由（5）式可知是X-Y=0的一条对角线， 其含义是：光源与接收器具有相同的绝对视向速度（即V1=V2 ，相对视向速度为零）测得的谱位移Z=0。例如，在地球上的实验室中，固定的光源和接收器，虽然两者都随地球运动着，但两者的相对视向速度是零，所以其谱线位移Z=0。 2、 由（5）式表明，谱线位移的大小，不仅与光源的绝对视向速度有关，而且与 接收器的绝对视向速度有关。 如果接收器绝对静止V2 =0（即Y=V2/c=0），则在定义域（V1不超过光速，X在 –1 ，+1之间）内，紫移不可能有（绝对值）大于-1的Z值出现。 假如接收器有顺于光波传播方向的绝对视向速度存在，即V2＜0时，情况就不同了即使光源绝对静止（V1=0），而接收器的绝对视向速度达到V2 /c= -0.67时，也会得到谱线位移Z=2的大红移值。比如，现今发现的大红移为3.5左右，那末，在V1 =+0.64c，V2 = -0.64c时，就是一个Z= 3.5的谱线位移直线上一个点。这样大的红移也不必光源 有超光速的退行。其实，即便有更大的红移值出现，也不需光源或接收器有超过光速的绝对视向运动速度。 所以，按（5）式分析，接收器的绝对视向速度对Z值的影响是不可忽视的，而多普勒效应没有分别计及光源和接收器各自绝对视向速度对谱线位移的影响，是多普勒原理的美中之不足。 3、根据（5）式我们知道红移的出现，是以光源与接收器的相对远离为必要条件的。有视向相对远离，则有红移，无相对远离，则无红移；有相对接近，则有紫移，这是谱线位移的“总体判定”。在这一总体判定面前，（5）式与传统概念的不同之处，在于传统的红移解释停留在“总体判定”阶段，没有发展，而（5）式表现出的优势在于，不仅在“总体判定”上符合事实，而且，对于两者（指光源和接收器）各自的绝对视向速度对谱线位移的影响，也准确的考虑了进去。` 4、根据（5）式，由光源或接收器两者各自的绝对视向速度所引起的谱线位移的变化范围是不相同的。 先说光源（具体如恒星、星系等天体）的绝对视向速度，所产生的影响。假如V2 =0，即接收器绝对静止，光源的绝对视向速度由-c到+c变化时，则红移值Z由-1到+1变化。 再看接收器（具体如地球上的观测者）的绝对视向速度所能产生的影响，假如光源绝对静止（即V1 =0）时，接收器的绝对视向速度由+c到-c变化时，则红移值Z由-0.5到+∞变化。 通过上面的比较，可以看出接收器的绝对视向速度对谱线位移的影响，远大于光源 的绝对视向速度对谱线位移的影响。而传统的由Z值计算视向速度的办法，恰恰忽视了这一点。 四、怎样正确认识目前在观测中实际出现的“大红移”？ 在实际观测中不断出现“大红移”现象，是当前需要正确认识的问题。因此，本文亦应阐明其机理。下面先提出两个有关的问题。 (一)、“大红移”的出现有无止境？ (二)、为何“大红移”在河外天体上出现？ 对于第一个问题，从理论上来说，其止境是无限大。即“大红移”的出现是无止境的。但在实际的出现方面，由接收器的绝对视向速度以及光源与接收器的相对远离情况，具体决定之。例如：地球的绝对视向速度V2 = - 0.8C，那未，Z=5的可能性就出现了；假如地球的绝对视向速度V2 = - 0.9C，那未，出现Z=10的情况也就不奇怪了。 对于第二个问题，为什么大红移在河外天体上出现？这是一个不容易理解的事情， 但是，我们用下面分析的方法，还是能够阐明的。为了能够用具体数字，尽可能直观的说明问题。我们看下面一个假设的测量“红移”的例子。 知道光源（即各天体）的绝对视向速度，以及地球的最大绝对运动速度是多少？也就是 在从地球上测量谱线位移时接收器的绝对视向速度最大会是多少？我们首先应给地球假设一个合理的速度。我们知道在类星体上测得的红移值中有过Z=3.53者，按（5）式计算当V1 =0时，则地球的绝对视向速度应为V2 = - 0.779c；若V1 = + c时，则地球的绝对视向速度就为V2 = - 0.507 c。因此，我们假设地球的绝对视向速度最大为V2 = 0.8 c，并不为过分。虽是假设的，但还是有红移现象为其根据的。现在设定了地球的绝对运动 速度是0.8 c =240000km/s。我们这个例子就可以继续向下进行。 由于地球绕太阳旋转的相对速率为30㎞/s，则0.8c-30㎞/s=239970㎞/s，就是太阳的绝对运动速度。 第4页 又由于已知太阳绕银心（O0）旋转的相对速率为300㎞/s,则（39970-300）㎞/s=239670㎞/s,这就是我们估算的银心的绝对运动速度。 再设银河系与众多的星系也有一个中心，故设银心绕O1 的相对速率为2500㎞/s；更设O1 绕O2 的相对速率为20000㎞/s,……则可画出图2那样的假想的测量天体红移的示意图。 在图2中，有类星体A和B，星系A和B，除太阳外，还有两颗恒星A和B，天体A都画在上方，B都画在下方。标号A的运动方向都是逆于光波传播方向的，所以他们 的绝对视向速度V1 都是正的；标号B的天体的运动方向都是顺于光波传播方向的所以， 他们的绝对视向速度V1 都是负的。“地球”的绝对视向速度V2 是：对图中横线以上的天体为正；对图中横线以下的天体为负。 我们根据V1 和V2 的具体数据，可按（3）式计算出各天体红移值Z，在图中各天体下面标出。为便于查看，现将图2中所示，列于表1中，并在表1中增添“总体判定”V总 = V1 –V2 的数值。 表1
从这个假设的测量红移的例子中，可以比较直观的看出，按照（3）或（5）式计算，为什么大红移出现在河外天体？因为银河系内的天体，大家都有一个跟随银心的共同运动，它们的绝对运动速度相差不多，也就是显不出地球绝对运动速度的特殊作用。只有对河外星系，对类星体，才能将地球本身的绝对运动的巨大影响表现出来。 从图2或表1中，如果我们比较一下红移和紫移出现的情况。仅看光源的运动方向， 可以发现，在光源的绝对视向速度为负时出现了红移，如恒星B的红移值Z= +0.158 ， 此时该恒星的绝对视向速度不是以0.158c的速度向宇宙深处飞去，却是以0.7684c的 高速度向地球方向移动；星系B的红移值Z= +0.75，它不是以0.75 c的高速远去，而是 以0.65c 的速度向地球方向飞来；类星体B有更大的红移值，Z=3.53 ，如果按传统的红移理论计算，类星体B将以3.53c的速度向宇宙深处飞驰，而在上例中类星体B却是以V1 = - 0.094c 的绝对视向速度向地球方向飞来。上述现象的出现，都是因为接收器的绝对视向速度是V2 = - 0.8c 而造成的。例如，类星体B与我们地球相对远离速度仅为 V总 =（0.8 – 0.094）c= + 0.706 c。它还没有达到光速，更不会有3.53 c的超光速。 总起来说，通过这一个假设的带有绝对视向速度的测量红移的例子。说明了哈勃现象（即：“大红移”出现在河外星系的现象）的原因，并且也由用（3）式计算红移，说明哈勃定律及哈勃常数的规定是片面的，也是错误的。 从这个假设的测量红移的例子中，可以看到采用了等级式宇宙模型。这是因为它首先在可观察到的宇宙范围内是无可争辩的，并且，从本文所阐明的谱线位移本原的观点看，至少在红移问题上，是符合宇宙学原理的。即：红移的规律在宇宙各处都是相同的。 在不同的类星体、星系、恒星、行星上，前面所讲的公式（3）或（5）都是一样可行的。或者说，在地球上观`察到的红移图景，也可在其他天体上在不同程度上看到。这说明，本文所揭示的红移本原，不仅表明哈勃常数以及膨胀宇宙模型的错误，而且能证明等级式宇宙模型在宇宙大尺度上与观测结果的一致性。从而在新的基础上增强了等级式宇宙模型的可信性。 五、在本文结束时的三言两语 笔者在《迈克尔逊干涉装置光信号传播时间差的观测与计算问题》中所推导出的，当光源或接收器在真空介质中运动（即光源或接收器在绝对运动）时的一些关于波长、周期、光速等的变化规律，对于这些规律，我为了简便计，权且称作“运动光学”规律。本文就是“运动光学”规律在谱线位移问题上的应用。即在理论上进行了一些推导、分析、计算并进一步对众所周知的观测实际中存在的一些疑点、难点如：光源与接收器无相对视向运动时无谱线位移；“红移的总体判定”；为何在河外星系出现“大红移”；“特大红移”例如Z=3.53应如何解释等。本文都做了圆满的解答。由本文所阐明的谱线位移本原，不存在“不相符红移”，本文的完成是对“运动光学”理论的合理性的一个证明。“运动光学”的出发点是：光波在真空介质中的传播原理。该原理有三条内容，第1条是对光的初始扰动的定义；第2、3条说明光的初始扰动的出现位置与光源运动的关系，其中突出了光的初始扰动的两重性。即光的初始扰动既是受光源运动影响的结束，又是光波开始自己独立传播（不再受光源运动的影响）的起点。正是光波的初始扰动的两重性，形成了光波在真空介质中传播时所具有的各种特性，其中也包括着谱线位移的特性！ 我曾在《怎样才能测得地球的绝对运动速度？》一文中提出利用两颗（相距离180*的）人造地球卫星，在一定条件下，同时测量一颗恒星的两个具有微小差异的红移值，用来计算出恒星及地球在该视向的绝对运动速度。其计算公式就是由（3）式解出的，具体结果可看该文。 参考文献 1、《中国大百科全书·天文学》卷，1980年第一版。 2、《迈克尔逊干涉装置光信号传播时间差的观测与计算问题》，拙作(1993)。 3、《怎样才能测得地球的绝对运动速度？》。拙作（1993）。 | ||||||||||||||||||||||||||
