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“哈勃常数”与“空间封闭”

(2015-02-12 09:27:45)
标签:

哈勃常数

球面

质点

奇点

三维空间

 

“哈勃常数”与“空间封闭”

 

摘要

       “哈勃常数”的本质,就是质点(天体)的运动,满足“同点同时、同向同速”。在一个被“高维度”“封闭”的“低维空间”内,我们生活的“三维空间”,就是一个被“第四维度”“封闭”的“三维空间”:“球柱体”,质点之间满足“同向同速”,如果再满足“同点同时”,那么就会产生“哈勃常数效应”,而“奇点大爆炸”正好提供了“同点同时”的条件,于是就出现了“哈勃定律”。

关键词

       哈勃常数;空间封闭;三维球面;奇点;大爆炸

 

"Harbert constant" and "Space closed"

  

Abstract:

       The causes of "Harbert constant", is the particle (celestial) movement, "the same point at the same time, to meet with the same speed and direction". "High dimensional" "closed" "low dimensional space", "internal particles meet with the same speed and direction". We live in the "three-dimensional space", is a "fourth dimension" "closed" "three dimensional space": "the ball column". If meet "the same point at the same time", will produce "Harbert constant effect". "Big Bang" happened in the "same point at the same time", so, there is a "Harbert law".

Keywords

       harbert constant; space closure; three-dimensional spherical; singularity; big bang

 

1.引言

       我们知道,哈勃常数,也称哈勃定律。在物理宇宙学里,哈勃定律表明,来自遥远星系光线的红移与它们的距离成正比。以方程表示V=H0D;其中,V是由红移现象测得的星系远离速率,HO是哈勃常数,D是星系与观察者之间的距离。

       那么,产生“哈勃常数”的“空间环境”是怎样的呢?或者说,怎样的天体分布、符合怎样的运动条件才能产生“哈勃常数效应”呢?

2.产生“哈勃常数”的条件

2.1.“平面上的‘哈勃常数’”

       如图1,在平面上,若设从O1点出发的质点P,在O1P方向上的速度分量大小为v,另有一质点B,是从O1点与质点P同时出发的,其运动速度v2在O1P方向上的分量大小也是v:“同点同时、同向同速”,并设质点B在质点P“视向”上的速度分量的大小为v1,即质点B相对O1点的运动速度(大小为v2),可以分解为在O1P方向上的分量(大小为v)与在质点P“视向”上的速度分量(大小为v1),则有v/r=v1/BP。令BP=D,v1/D=H0,因此有H0=v1/D=v1/BP=v/r。

 

“哈勃常数”与“空间封闭”
Figure 1

图1

2.2“球面上的‘哈勃常数’”

2.2.1.“测地线”

       在大地测量学(测量地球的尺寸和形状的科学)中,测地线是连接地球表面两点的最短距离。近似地,这条线是一个大圆上的弧,比如经线和赤道。这些路径显然不是直的,因为它们沿着地球的弯曲的表面延伸。

       测地线的性质和直线是不一样的。例如,在平面中,平行线没有交点,但是地球表面的测地线却有交点:在赤道处平行的经线在极点处相交。

 

“哈勃常数”与“空间封闭”
Figure 2

图2

2.2.2.“球面上的‘哈勃常数’”

       如图2,在球面上,若设从O1点(称为“极点”)出发的质点P,在O1P方向上沿“测地线”的速度分量大小为v,另有一任意质点B,是从O1点与质点P同时出发的,其运动速度沿“测地线”方向上的分量大小也是v:“同点同时、同向同速”,并设质点B在质点P“视向”上的速度分量的大小为v1,则有v/弧O1P=v1/弧BP。令弧BP=D,v1/D=H0,因此有H0=v1/D=v1/弧BP=v/弧O1P(弧:系大圆上的弧)。

 

“哈勃常数”与“空间封闭”
Figure 3

图3

       综上所述,在一个空间内,物体运动符合“哈勃定律”(即产生“哈勃常数效应”)的条件就是:“同点同时、同向同速”。即该空间内的所以物体(天体),在“同一地点、同一时间”开始运动,并且“都在同一方向上(空间内的“测地线”方向)、拥有相同的速度分量”。

3.“空间弯曲”

       广义相对论认为,由于有物质的存在,空间和时间会发生弯曲,而引力场实际上是一个弯曲的时空。

       在广义相对论中,引力被描述为时空的一种几何属性(曲率)。[1]

       因此,“引力”是一种“空间弯曲”。万有引力源于“质量”,“引力场”对应着“弯曲的空间”。从本质上来说,是“质量”对应着“空间弯曲”:“质量弯曲空间”!

4.“空间封闭”

       “高维度”可以对“低维空间”进行“封闭”。

4.1.“第二维度”对“一维空间”的“封闭”

       一维空间里,有一对主要方向:左右。

       如果在一维空间(直线)之外,有一个“质量中心”P0,到一维空间(直线)的距离为R,那么这个一维空间(直线)就会向P0发生“弯曲”。  

       假如这个质点P0的质量m足够大,达到了满足R=2Gm/c2(G为引力常量,c为光速),那么,这时的质量m就将“一维直线”“弯曲”成了“圆”:“封闭的一维空间”,称为“第二维度”对“一维空间”的“封闭”,R为质点P0的史瓦西半径,从而形成一个“二维空间”:“圆面”。

       这时,在“一维空间”:“圆”上的“物质”,都应该是以“光速”运动。

       “圆”和“第二维度”,就构成了一个“二维空间”:“圆面”。这个“圆”称为“二维空间”:“圆面”的“视界”。

4.2.“第三维度”对“二维空间”的“封闭”

       二维空间里,有两对主要方向:左右、前后。这两对方向是正交的。从数学方面讲,它们在两条不同的坐标轴xy上。

       如果在二维空间(平面)之外,有一个“质量中心”P0,到二维空间(平面)的距离为R,那么这个二维空间(平面)就会向P0发生“弯曲”。  

       假如R正好是这个质点P0的史瓦西半径,那么,这时的质量m就将“二维平面”“弯曲”成了“球面”:“封闭的二维空间”,称为“第三维度”对“二维空间”的“封闭”,形成了一个“三维空间”:“球体”。

 

“哈勃常数”与“空间封闭”
Figure 4

图4

       这时,在“二维空间”:“球面”上的“物质”,也都应该是以“光速”运动。

       “球面”和“第三维度”,就构成了一个“三维空间”:“球体”。这个“球面”称为“三维空间”:“球体”的“视界”。

4.3.“第四维度”对“三维空间”的“封闭”

       三维空间里,有三对主要方向:上下(高度),南北(纬度),东西(经度)。这三对方向两两正交,也就是说,它们两两成直角。从数学方面讲,它们在三条不同的坐标轴xyz上。

       同样地,如果在三维空间(“球体”)之外,有一个“质量中心”P0,到三维空间(“球体”)的距离为R,那么这个三维空间(“球体”)就会向P0发生“弯曲”。  

       假如R正好是这个质点P0的史瓦西半径,那么,这时质点P0的质量m就将“球”“弯曲”成了“三维球面”:“封闭的三维空间”,称为“第四维度”对“三维空间”的“封闭”,形成一个“四维空间”:“球柱体”(球体为“盖”的柱体)。

 

“哈勃常数”与“空间封闭”
Figure 5

图5

       这时,在“三维空间”:“三维球面”上的“物质”,也应该是都以“光速”运动。

       “三维球面”和“第四维度”,就构成了一个“四维空间”:“球柱体”。这个“三维球面”称为“四维空间”:“球柱体”的“视界”。

       数学中,“三维球面”是球面在高维空间中的类比客体。它由四维欧几里德空间中与一固定中心点等距离的所有点所组成。寻常的球面(或者说二维球面)是一个二维表面,而三维球面是一个具有三个维度的几何客体。

       在四维欧几里德空间中与P0点有相同距离R的所有点的集合能形成一个超曲面,称为三维球面。此超曲面之包含空间(“球柱体”:球体为“盖”的柱体,“特殊的”“圆柱状空间”)的超体积为:V=2π2R3

       纯空间性的四维空间另有一对垂直于其他三个主要方向的主要方向。这一对方向处在另一条同时垂直于xyz轴的坐标轴上,通常称作w轴。这些额外的方向处于(实际上是垂直于)我们所能观察到的三维世界中的方向之外。[2]

5.“宇宙空间”

       我们生活的“空间”就是一个“三维空间”:如果受到来自“第四维度”的引力影响,也可以被“第四维度”“封闭”,形成一个“四维空间”:“球柱体”。

       因此,可以认为全部的“宇宙空间”就是一个“特殊的”“圆柱状空间”:以“三维球面”为边界,即P0点的“视界”的“球柱体”:“底面半径为Rs、高为2πRs(π为圆周率、Rs为“第四维度中心质量的史瓦西半径)的‘圆柱状空间’”,不过,只是该“圆柱状空间”的两端是重合的(图6、7)。

 


“哈勃常数”与“空间封闭”
Figure 6

图6

 

“哈勃常数”与“空间封闭”
Figure 7

图7

6.“三维球面”上的“哈勃常数”

       我们有可能在上述的“三维球面”:“球柱体”的“视界”之中吗?

6.1.“能量奇点”

6.1.1.“湮灭”与“出现”

       “湮灭”是指当物质和它的反物质相遇时,会发生完全的物质-能量转换,产生能量(如以光子的形式)的过程。一个正电子和一个电子碰撞后“湮灭”,通过光子的形式释放能量。即有:粒子+反粒子→“湮灭”→“光子”能量。

       既然物质与其反物质相遇,发生“湮灭”成为“光子能量”,那么,“光子能量”也应该在一定条件下,可以成为“物质”和“反物质”:“出现”。于是,我们认为,“大爆炸”时,可能就是消耗了“光子能量”,而产生了“粒子”和“反粒子”,才有了我们今天五彩缤纷、生机勃勃的“宇宙”。所以可以说,在一定条件下,“湮灭”是“可逆的”。即有:光子能量→“大爆炸”:“出现”→粒子+反粒子(图8)。

 

“哈勃常数”与“空间封闭”
Figure 8

图8

6.1.2.“光变物质”

       环球科学2014年5月21日报道,物理学家发现了一种相当直接的把光转化为物质的方法:通过使一束高强度伽马射线轰击一个微型金线圆柱中的光子云,让伽马射线轰击黑体真空腔中的X射线光子云,以产生正电子与电子。

6.1.3.“奇点物质”

       第一,从“大爆炸”的“产品”来看。“物质”可以“湮灭”为“光”:“物质变光”,“光”也可以“出现”为“物质”:“光变物质”,“湮灭”与“出现”是“可逆的”。而我们的宇宙:所有的“宇宙物质(粒子)”又都是由“一个点”(“奇点”)通过“大爆炸”产生。所以,我们有理由认为,“奇点”内有“光子能量”,或者说,“光子能量”是“奇点物质”。

       第二,从“奇点”的“特性“来看。由于“奇点”的体积无限小,而在已知的“物质”中,只有“光子” 可以“波长缩短”,比如发生“蓝移”,能够被“无限压缩”。因此,“奇点物质” 可能是“光子能量”。“奇点”应该称为“能量奇点”。

       因此,“奇点”可以以光速运动。

6.2“同点同时”

        我们的“宇宙”起源于一次“奇点”“大爆炸”。

       在100-200亿年之前,宇宙生之于一次“大爆炸”,物质都由爆炸中创生。[3]

所以我们的“宇宙”的所有“物质”都是“同点同时”开始运动的,即“同点”:“奇点”,“同时”:“大爆炸”。

6.3“同向同速”

       球面上的“子午线”都是“测地线”。“三维球面”上的“子午线”也是“测地线”。

       如图9,“三维球面”上的平行线(红色)、子午线(蓝色)。

 

“哈勃常数”与“空间封闭”
Figure 9

图9

       整个“奇点”原来以光速运动,其“大爆炸”后产生的所有物质,将仍然保留在“同一方向”(“子午线”)上的“光速分量”。

       运动是相对的。如果组成第四维度的“质量中心”P0的“物质”是“光子能量”(根据“质能公式”呈现相应“质量”),绕“三维球面”内的所有物质都是以光速运动的,那么也会产生“三维球面”在“P0视界”中的效果。

 

“哈勃常数”与“空间封闭”
Figure 10

图10

       如果把“三维球面”看成“一个点O1”,那么“点O1”与“点P0”的“相对速度就是光速C”。“点O1”与“点P0”,可以说是“互为‘能量奇点’”、[3]“互为‘视界’”。因此,“我们在‘视界’之中”,才有了“理论上的说法和意义”。

 

“哈勃常数”与“空间封闭”
Figure 11

图11

        “点O1”与“点P0”的“运动轨迹”,在平面上的投影就是“一个圆”——互为“圆心”与“圆周”。

 

“哈勃常数”与“空间封闭”
Figure 12
图12

       所以,我们是可以在“视界”(“相对的”)之中的。

       这样一来,所谓的“第四维的P0点”就具有了“量子化”的特点:“P0点”每时每刻都与我们所在的“三维空间里”的“每一个点”——任何一个“普通物质(天体)”保持“同距”——“P0点的史瓦西半径RS”。

       在“第四维度”上有“固定的物理量”——“第四维度物理量”:速度为光速c,质量为P0点的质量m,能量为mc2,动量为mc。是否可以说,“相对论”就是“‘视界’上的牛顿经典物理”——必须考虑纳入“第四维度物理量的影响”。

       有的理论认为,是物质周围的“空间”以光速运动,因此,“物质”本身相对于“空间”也是以“光速运动的”:“任何物体(包括我们观察者人)周围空间都以光速辐射式的离开运动。”

 6.4“三维球面”上的“哈勃常数”

       由上述可知,我们现在所在的“空间”:“三维空间”亦即“三维球面”,满足了“同点同时、同向同速”的条件,所以天体之间的运动符合“哈勃定律”,产生了“哈勃常数效应”。

 

致谢

       本文作者感谢中国科技大学天体物理中心向守平教授。

 

参考文献(References)

[1]于尔根·奈佛 .爱因斯坦传:中央编译出版社 ,2013 :153-157 .

[2]Ray d'Inverno (1992), Introducing Einstein's Relativity, Clarendon Press, chp. 22.8 Geometry of 3-spaces of constant curvature, p.319ff, ISBN 0-19-859653-7

[3]罗先汉 .天体演化 .山西 :山西科学技术出版社,2001-01 :102-106 .

 

 

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