物理科学探疑-网友天空-系统观点-夏烆光 -恒星系光谱红向移动的真正原因
恒星系光谱红向移动的真正原因
（撰文：夏烆光）
一 引 言
正如所知，人们一向用μ介子“动寿命”的缩短来作为所谓“洛伦兹收缩”的实验证据。——这是一个极大的误解。其实，用相对论来解释这个现象，无论如何，都存在着自相矛盾。因为在这个现象的实际过程中，它的实验条件与狭义相对论的前提假设存在着根本的不同，所以，我们根本不应该利用这个现象来作为狭义相对论的结论——洛伦兹收缩——的实验证据。不仅如此，而且，我们也不应该只根据广义相对论（即引力理论）目前所取得地一些成就就认为：广义相对论是一个成熟的时空理论。更不应该象有些“权威人士”所吹捧的那样：“相对论得到学术界的接受，是因为有太多的事实支持它。”……“否定和修改这些概念和定律的实验或现象还没有发现”，等等。事实上，在微观领域里，在相距为 10-13 cm的两个电子之间的引力势（Gme2/r）大约只有10-43 MeV。面对这个微小的引力势，只有在极为精细地应用广义相对论时才可以勉强地把它的作用与其它相互作用力（如，两个同样电子之间的电磁势能为0.5 MeV）一并地考虑，才不会把它（10-43 MeV）当作无穷小而忽略不计。实际上，不仅广义相对论在微观领域里是不适用的，而且在宏观领域里，它的实用性也不是唯一的，甚至是值得商榷的。
二 μ介子的速度与寿命分析
从实验室中我们已经知道，与μ介子保持相对静止（即运动系K’上）的观测者，求得μ介子的“静寿命”t’= (2.09±0.03)x10-6s。——显然，从“静止系”的角度上说，它又是“运动寿命”。因为，所谓的“寿命”就是从生成μ介子到衰变为一个电子和两个中微子时所持续的“时间过程”。另外，我们又从观测中得知，自然界中存在着的μ介子，大多数都是在上部大气层（距离地面大约10 km处）由“高能核子—核子碰撞”而产生，并接着以约为0.955c或更高的速度向地面行进（参见《狭义相对论》[英]G·司蒂文逊、C·W·凯尔密司特著，沈立铭译，上海科学技术出版社，1963年8月第一版，第49 页）。
如果地面的观测者取生成后的μ介子最高相对速度为0.995c来考虑，并设地球就是这里的“静止系”（K）。就是说，已经知道，运动系（K’）和静止系（K）之间的相对速度V = 0.995c（c =2.9979x1010cm/s）、以及μ介子本身的静寿命t’ = (2.09±0.03)x10-6s。于是，根据广义时空相对论的“速度变换公式”写出与运动系保持相对静止的μ介子的绝对速度：
υ= V/(1- V2/c2)1/2 (1）
将V 的值代入上式，我们可以得出
υ=0.995c/(1-0.9952)1/2= 9.96246 c (2）
这里把静止系同运动系之间的相对速度（V）放大10多倍。
下面我们来求出与μ介子具有相对速度（V）的静止系（K）（即地球）上旁观者对于μ介子“寿命”（t）的观测结果。根据两个坐标系上时间坐标的变换关系式
t = t’/(1- V2/c2)1/2 (3）
把数值代入上式得：
t = (2.09x10-6)/(1-0.9952)1/2 =20.9262 x10-6(s) (4）
显然，在地面上的观测者测出μ介子的“寿命”要比它的“静寿命”大10倍以上。
以广义时空相对论为基础，利用上述所得出的理论结果，我们可以算出：旁观者与观测者各自所得到的μ介子在大气层中自生成到衰变掉所行走的路程。例如，对于地球（静止系）上的旁观者来说，μ介子行走的路程为：
S = Vt = 0.995 x 2.9979 x 1010 x 20.9262 x 10-6 = 6242.098（m） （5）
而同μ介子保持相对静止（运动系上）的观测者来说，μ介子行走的路程为：
S’=υt’=9.96246 x 2.9979 x 1010 x 2.09 x 10-6 =6242.090（m） （6）
可见，μ介子在大约10km处的大气层中自生成到衰变掉，所行走的路程（S和S’）对于K和K’上的观测者来说是完全相同的。这一计算结果说明：μ介子所行走的路程“既不膨胀，也不收缩。”。
不过，值得注意的是：这个计算结果是以牺牲光的“绝对速度”是宇宙中的极限速度为代价的，因而是绝对不能接受的！所以说，尽管利用《广义时空相对论》可以得到与实验观测相一致的结果，但仍然不能说明这个解释是符合逻辑的。那么，到底应该如何地来解释这个现象呢？我们把它留在下面的第四部分中加以分析。为了便于在随后分析中的相互比较，这里我们还是先来介绍一下这个问题的经典解释。
三 经典解释的自相矛盾
关于这个现象的经典解释，可参考路赛（Rossi）和哈尔（Hall）、司璜（Swann）等人的著作（参见《狭义相对论》，同上，第49页）。按照他们的解释，地球上的观测者所以能在距离地面4km的高空处测到μ介子的存在，是由于站在地面上看，μ介子的“寿命”膨胀了。与此同时，跟随μ介子一起运动的观测者会觉得，μ介子所走过的路程相应地缩短了。显然，这种说法同狭义相对论并不一致。按照狭义相对论：跟随μ介子一起运动的观测者应该看到了μ介子寿命的收缩。不过，若是把这个静寿命[t’ = (2.09±0.03) x 10-6s]看作是收缩后的数值，那末，即使μ介子的运动速度等于光速，它“一生”所走过的路程也不会超过600m；或者，我们把这个静寿命[t’ = (2.09±0.03) x 10-6s]看作是收缩前的数值，那么即使μ介子的运动速度等于光速，它一生所走过的路程也不会超过60m。显而易见，无论怎样地理解μ介子的静寿命（t’），地面上的观测者都不可能在4km的高度上看到μ介子的存在。因此说，不管采取那种说法，都充满着自相矛盾。如果非要按照经典的解释去承认：静止系上的6km，在运动系上就等于600m、或60m的话，这就等于相信，“时间和空间都不是客观实在，而是人的直观形式。”结果，问题又回到相对主义的时空观之中，即回到主观唯心主义之中。
四 对于这个现象的可能解释
经过以上的分析可以看出，这个问题所存在的矛盾与《宇宙射线物理学》对于这个现象的观测方法之间有着不可分割地联系。具体地说，在宇宙射线物理学的观测中，观测者并不是自始至终地跟踪并记录某个确定的μ介子，自距离地面10km的高度生成以后，直到接近距离地面4km的高度湮灭掉为止，而是从普遍地思考方法上去理解，认为：从距离地面10km的高度直到距离地面4km的高度之间，都能发现μ介子的踪迹。也就是说，在这个厚度层上，都有μ介子的产生。这样一来，作为一种极端地考虑，如果我们假设来自高能宇宙射线与大气分子的碰撞所生成的μ介子的最大速度等于光的绝对速度（c），那么，按照μ介子的静寿命来计算，凡是在4km高度上发现的μ介子，最多只能是在距地面4.6km的高度上由相互碰撞而生成的。只有这样地理解，才能合理地解释这一观测结果。所以说，在距离地面4km上发现的μ介子的几率，则代表着在距离地面4.6km的高度层上μ介子的“生成几率”。当然了，这种解释也有一些自相矛盾的地方。为此，我们提出另一种解释，即：具有不同能量的μ介子的寿命本身就不相同，所以，当不同能量的宇宙射线中的“高能粒子—粒子碰撞”之后，所产生的μ介子能量也就相应地有所不同，于是它们的寿命也就有所不同。所以说，这些不同能量的μ介子，在它们的“有生之年”所行进的路程自然地也就有所不同。这样，也只有这样，人们才有可能在距离地面4km以上的所有高度上，发现μ介子的存在。
其实，不同能量的μ介子具有不同寿命的结论，已经为实验所证实。可是，那些赞成狭义相对论的学者们却认为：这个现象是静止系上时间坐标膨胀的证据；而不表明：对于同种粒子来说，它的能量越大，其寿命也就越大。显然，在经典的理解中，犯了一个想当然的错误。
五 广义相对论并非唯一正确
的确，以前人们曾经从牛顿力学出发，用光子能量E = ?ω、并根据“质量—能量”守恒定律得出光子的质量m = E/c2，代入牛顿力学的有关公式，求出光线在太阳附近通过时的“偏转角”只是正确答案的一半。而根据爱因斯坦的广义相对论，求出的理论偏转角为1.75"，这个“偏转值”同1952年的天文观测（1.70"）甚为符合。（参见，（参见《空间、时间和引力的理论》[苏] B·A· 福克著，周培源、朱家珍、蔡树棠译，科学出版社，1965年7月第一版，第 279 — 283页）。最近，更有人通过精确地观测证实：实际上，这个数值应为1.775"（±0.019"）。
过去，人们正是根据这一观测结果而认定：广义相对论是完全正确的，而牛顿力学在这个领域中已经不适用了。可在我看来，这个问题恰恰是现代物理学的一个较大的失误！！其实，利用牛顿力学计算这个问题时所以会出现“偏差”，并非是由于牛顿力学本身不适用于这种场合，而是由于人们在计算中，对于光子“相对静止质量”的“估算值”存在着偏离。在上述的《光子静止质量的计算公式》一文中，我们已经根据广义时空相对论得出的关于光子相对静止质量的“理论值”代入了牛顿力学的有关公式，得出的偏转角与天文观测完全一致。这就足以说明，爱因斯坦的广义相对论充其量也不过是一种在局部的非均匀的引力场中近似成立的理论，而并非是宇宙学中唯一正确的引力理论。
六 光子的内部结构
上述结果不仅间接地证明，广义时空相对论所得出的“光子静止质量计算公式”是正确的，而且可以从中对光子的结构模式提供一个清晰的图象。从而使我们坚信：光子也同样具有内部结构。正如我们得出的计算结果一样，光子的总质量m、运动质量mc、及“相对静止质量”（引力质量）m0具有如下关系：
m = mc + m0 (7)
根据光子静止质量的计算公式m0 =ηω可以算出：光子的相对静止质量（m0）大约只占光子总质量的70.71%，而余下的29.29%是属于光子的相对运动质量（mc）。由于我们计算光子在近日点附近出现的偏转时，光子的运动质量（mc）并没有对光子的偏转角度作出贡献，这就说明光子的运动质量对引力没有贡献。可见，光子的运动质量必定以能量的形式存在着。
正如所知，光子本身就是电磁场。由此而不难想象，光子的结构模式很可能具有如下的图象，即：中心有一个由较为密集的“静止质量”构成的“核”，在“核”的周围有限“空间范围”上，分布着一个“连续的电磁场”。其实，这种结构模式并非是光子独有的，我们知道，小到基本粒子，大到恒星系，都具有类似的结构模式。——任何星球外围都分布着连续的“引力场”的现象，已经是人所共知的事实了。虽然目前的实验结果还没有发现光子的静止质量，但是，“中微子”已经有不等于零的静止质量的实验结果，对于光子可能具有静止质量的推测，提供了一个间接地证明。因为，中微子的速度与光速基本是相同的。既然中微子都具有静止质量，那么，惟独光子没有静止质量，实在是令人难以置信！
七 恒星系光谱红向移动的真正原因
进一步地说，如果光子本身有“静止质量”，它就一定会有内部结构，那末它就是可分的。由此，光在星际空间传播的过程中，其能量就可能逐渐地衰减。这样一来，关于恒星系光谱的红向移动问题，就回到了光子“老化模型”的传统解释之上。——如果光子“老化”时能量的衰减形式也是“量子化”的并在无穷远处光子的能量趋近于零的话，那末，光子在传播的过程中，就会只改变频率而不改变其传播速度。于是，当我们通过遥远的恒星系传送来的宇宙射线去确定该星系与我们之间的距离时，都会造成天文学家哈勃所发现的恒星系光谱的红向移动现象。不难理解，只要利用光子的老化模型来解释红移现象，就可以自然地否定“宇宙膨胀论”。
同时，利用这种模型，可以非常容易地理解澳大利亚的科研小组最近发现的所谓“光速可能并不是一个恒量”的天文观测结果。据报道：澳大利亚的一个研究小组在进行了大量的研究工作以后，宣称他们发现光速可能并不是一个恒定值。他们发现，这个距地球120亿光年的类星体发出的光在它到达地球的旅程中吸收了错误类型的光子，而根据现代物理理论，光是根本不会吸收这种类型的光子的。造成这种差异的可能性只有两个：要么是电子电荷发生了改变，要么是光子的速度发生了变化。他们最后得出结论说，可能是光子发生了变化。（海田）（参见《新浪网》首页—科技时代—大众科技——2001年8月）。
对于该现象，只要承认“光子存在着内部结构”，就很容易看出：这个现象本身并不说明光子在传播的过程中速度放慢，而是说明，由于光子能量的量子化衰减（老化）造成了其内部结构的变化。正是这种变化，被几位澳大利亚的物理工作者所发现。因此可以说，这个现象更进一步地支持了关于“光谱红移现象”的“老化解释”。换句话说，这个现象为恒星系光谱红移现象的老化解释从不同的角度上提供了新的实验证据。
当然，这里并不是全盘地否认宇宙学原理，并不是否认大尺度上的各向同性，并不是否认某个衰老的恒星系因“引力坍塌”引起“爆炸”的可能性，而是否认宇宙膨胀论所提出的“宇宙生成论”，否定把“地球”（或任何一个星球）当做宇宙的“膨胀核心”的荒谬认识。
八 结 论
总而言之，关于运动的μ介子存在着寿命增加的实验现象，无论如何，都不可以作为狭义相对论的实验证据。因为，这个现象的物理条件与爱因斯坦相对论的物理条件并不相同。再者，由于光子具有不等于零的静止质量，所以它在传播过程中，就必然地会出现能量的衰减。正由于衰减过程是量子化的，所以出现了频率的红向移动。尽管爱因斯坦效应和多普勒效应都可以引起红移现象，但是可以肯定地说，哈勃所发现的红移现象，肯定不是来自于大爆炸造成的。所以说，宇宙的“大爆炸模型”和托勒密的“地心说”之间，并没有什么本质的区别，坚持这个观点的最后结果，只能把现代物理学引导到信仰主义的老路上去。
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