物理科学探疑-网友天空-物质原理-论相对论红移机制
论相对红移机制
韦幸召
摘要：本文简单阐述了引力红移、哈勃定律、多普勒红移，并分别指出它们的缺陷及矛盾，文中提出了一种全新的相对论红移，并根据相对论力学公式直接推导了相对论红移的数学表达公式，成功地解释了类星体的“多重红移”现象。
关键词：类星体 红移机制 引力红移 哈勃定律 多普勒红移 相对论红移
类星体的红移机制问题，一直是宇宙学中未能阐明的奥秘。研究它的重大意义在于：
如果类星体确实是宇宙中离我们最远的天体，那么揭开它的产能机制将是物理学有划时代的重大突破；而如果类星体并不再那么遥远的宇宙尺度，那么它的红移就不主要是由多普勒效应产生的，这不但需要寻找新的红移机制，而且将从根本上动摇我们对宇宙认识的基础下面我们将要研究这个天体物理中极其重要的问题。
当前的科学界对类星体红移机制有几种不同的物理解释。其中一种观点认为，类星体
红移是宇宙膨胀的多普勒效应，称为宇宙红移。而其他观点如局域对普勒效应、引力红移和内
禀红移则称为非宇宙红移。我们用
Z=（L-L0）/L0
来表示红移量的大小，式中的L0为表示试验是静止光源谱线波长，L为河外星系（类星体）
的同一谱线在地球上拍摄到的波长。下面我们简单介绍三种具有代表性的解释。
1911年，爱因斯坦提出了引力红移的概念。他根据相对论推知，引力场中时钟变慢，光源
发出的谱线有红移现象。并且预言太阳光谱线存在引力红移，红移量的大小与广源所在处的引
力势减去观测者所在处的引力势所得之差成正比。当观测者在无穷处拍摄时，则有
Z=GM/C*CR
式中的G为引力恒量，M为太阳质量，R为太阳半径，C为本征光速。有人研究了天狼星伴星的引力红移，发现理论值与观测值基本一致。但是引力红移理论连星系红移都无法成功地说明，用它来解释类星体红移就就更无能为力了。
1929年，哈勃将斯莱弗红移写成距离与哈勃常数的函数，即
Z=Hr/C
式中的r为星系的距离，H为哈勃常数，C为本征光速。这就是哈勃定律。但速度V较小时，哈勃定律可简化为
V=Hr
当哈勃宣布“速度与距离之间大致成线性关系之后，人们普遍相信，斯莱弗红移并非距离效应，而是宇宙膨胀的多普勒效应，在宇宙大尺度范围内，所有的星系都在远离。而且离我们越远的星系，离开我们的速度越大，整个宇宙呈现出一副膨胀运动的图像，斯莱弗红移也改称为哈勃红移，“红移”这一词几乎成了宇宙膨胀的同义语。
虽然哈勃定律只是经验公式而非理论结果，也能外推勉强的解释河外星系的谱线红移。但是，在发现类星体之后，哈勃定律能否适用于类星体已成问题。例如，有的类星体和某些星系的距离大致相等，而它们的红移量却相差极大。在距离地球仅六亿光年的“天鹅A”星系内，就观测到类星体的频谱特征。显然，这是哈勃定律所无法解释的。指导今天，作为宇宙膨胀论基础的哈勃定律，在理论上或观测上从未得到过完全证实，这个问题实在值得我们深思。
根据“标准宇宙模型”（内含宇宙大爆炸学说），“我们的宇宙”中一直存在着一个临界密度其数值是4.7*10^(-30)克每立方厘米，宇宙中物质的密度值大于它还是小于它，将决定宇宙今后演化的方向和结局。如果微子中有静止质量，宇宙中物质的密度大于临界密度，那么宇宙中物质的引力就比较大，宇宙的膨胀速度将减少很快，最终将停止膨胀并转而收缩，在减速膨胀的闭合宇宙中，星系的退行速度也越来越小，由退行速度决定的红移量也越来越小，而星系的距离却越来越大，这明显地违反了哈勃定律。如果中微子没有静止质量，宇宙中物质的密度小于临界密度，只有目前观测到的10*^(-30)克每立方厘米，那么宇宙中物质的引力就不够大，宇宙的膨胀速度将减少得很慢，宇宙实际上将无限趋向于匀速膨胀。在匀速膨胀的开放宇宙中，星系的退行速度保持不变，星系的红移量也保持不变，而星系的距离却越来越大，这也是与哈勃定律根本不相容的。总而言之，在我们目前观测所及的宇宙范围之内，无论宇宙是闭合的还是开放的，哈勃定律都不能成立。
1938年，艾夫思和史迪威用实验室光源，证实了运动光源的谱线红移，符合相对论性多普
勒频移公式
Z=（C+V/C-V）^(1/2)-1
式中的V为光源离开观测者的速度，C为本征速度。这个公式是相对论产生之后从理论上推导出来的,虽然它与经典的红移公式不同，但是它却能得到实验的验证。若有一个类星体以一定的速度远离我们而去，则它确实会产生相应的红移。然而，一个产生红移的类星体就一定远离我们而去吗？我们还不能证明这个逆命题也成立。在人们发现类星体的“多重红移”现象之后，这个问题就更加复杂了，因为这种“反常”现象是完全不能用多普勒效应（宇观多普勒效应和距与多普勒效应）来解释的。我们务必要寻找一种新的红移机制，才能揭示“多重红移”的奥秘，这就是相对论红移机制。
根据相对论原理，一个参考系相对于另一个参考系运动时，运动的“时钟”要比静止的“时钟”慢。同一种原子振动，在运动时的振动周期要比静止时的振荡周期长。时钟变慢的程度与周期变长的程度相等，都与参考系之间的相对速度有关。于是，我们根据相对力学公式
t=t0/(1-V^2/C^2)^(1/2)，可得下列公式
t0/t=T0/T=(1-V^2/C^2)^(1/2)
式中的t0,T0分别表示静止参考系的时间和周期，t、 T分别表示运动参考系的时间和周期，V为两个参考系之间的相对速度，C为本征速度。我们由光速，波长和周期的关系
C=L0/T0=L/T，可得
T0/T=L0/L=1-（1-V^2/C^2）^(1/2)
式中的L0、L分别表示静止光源和运动光源上光子的波长。由此可知，当光源相对于观测者运动时，运动光源上原子的振荡周期 变长，光子的频率变低，波长变长。我们将L=L0/（1-V^2/C^2）(1/2)代入红移值计算公式 ，得
Z=(L-L0)/L0
=[L0/(1-v^2/c^2)^(1/2)-L0]/L0
={C/[(C+V)(C+V)]^(1/2)}-1
这就使我们根据相对论直接推导得出的相对论红移数学表达公式。这个公式表明，相对论效应产生的红移仅与两个参考系之间的速度有关，而与光源的运动方向无关。光源与观测者之间的相对速度越大，红移量就越大。由此可见，相对论红移与多普勒红移有着本质的区别。我们将相对论红移公式与相对论性多普勒红移公式加以比较，研究它们之间的联系。当光源离开观测者运动时，相对论红移Z1与多普勒红移Z2相互叠加，红移值Z为正，光源谱线产生红移。即
Z=Z1+Z2
={C/[（C+V）（C-V）]^(1/2)}-1+{V/[(C+V)(C-V) ]^(1/2)}
=(C+V/C-V)^(1/2)-1
当光源向着观测者运动时，相对论红移Z1与多普勒红移Z2相互消减，红移值为负，光源谱线产生紫移。即
Z=Z1-Z2
={C/[(C+V)(C-V)]^(1/2)}-1-{V/[(C+V)(C-V)]^(1/2)}
=(C-V/C+V)^(1/2)-1
从上面的分析中我们不难看出，相对论红移值与光源运动的速度有关，而与光源是否离开观测者运动无关，这或许正是我们揭开类星体神秘面纱的不二法门，从此就可能发现它的真正规律。
天文观测表明，类星体的本质是活动星系的核，类星体的晕是由恒星组成的。因此，类星体的共同特征，应是谱线红移量相差显著的多重红移。如果我们认为类星体以亚光速离开观测者（多普勒效应），或者认为类星体与观测者之间的相对速度接近光速（相对论效应），都是不可能的，否则类星体必将自行解体。相反地，如果我们认为，类星体与观测者之间的相对速度不大（像普通星系一样），这个严重的困难就不存在了。实际上，类星体并不再那么遥远的宇宙尺度，也没有以亚光速远离我们而去，产生类星体红移的根本原因在于它本身所固有的内部特性，这就是内禀红移。原来，虽然类星体（宏观光源）本身与观测者之间的相对速度很小，但是，类星体却是一个由温度极高的等离子体组成的活动星系核，在其内部的发光原子，（微观光源）普遍以接近光速的巨大速度在运动。由于微观光源的相对论效应非常明显，是类星体的谱线产生巨大的红移。并且因为类星体上微观光源的运动速度各不相同，所以类星体产生的红移必将是多重红移。观测发现，从活动的星系核中喷出的高能带电粒子流在被引力减速之后其速度仍然达到光速的三分之二，而在宇宙射线中观测到的能量高达10^eV的超高能粒子，它的速度实际上与光速相差甚微。由此可见，在温度极高的活动星系核中，等离子体的运动速度完全有可能达到相对论速度。因此，相对论红移公式对类星体红移看来是适用的。在上面的概述中，我们已经粗略分析了几种不同的红移机制，其中三种具有代表性的传统解释，都是在类星体发现之前提出的，观测事实已经证明它们不是用于类星体这样特殊的光源。因为类星体红移既不是宇观尺度的哈勃红移，也不是宏观尺度的多普勒红移，而是微观尺度的相对论红移。我们初步确定类星体红移为内禀红移，并且阐明了内禀红移的具体机制。产生类星体红移的根本原因是它的内部温度极高，在等离子体中原子运动的平均速度接近光速而产生的微观相对论效应。探讨类星体的红移机制，必将深化我们对宇宙的认识。
韦幸召
2000年6月24日
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