周坚定律：庆祝发现四周年

周坚定律：庆祝发现四周年

文/周坚/2012年6月29日

【核心提示】四年前的今天，家住中国南疆的广西柳州市柳北区柳长路611号的市民——周坚，他创造了一个奇迹，他以他那极其敏锐的洞察力，基于1998年的两个小组发现宇宙正在加速膨胀的那个超新星哈勃图，通过进一步的深入研究，从中发现了周坚定律。四年来，周坚定律已经完善了许多，为庆祝发现周坚定律四周年，他将它的完善情况详细地向大家做个汇报，无论如何，这是一个前无古人后无来者的历史性发现，这是我们土生土长普通中国人的创新性发现。

 

 

一：简介

 

2008年6月29日，周坚基于大爆炸宇宙学理论完成了一部《精确膨胀宇宙学》个人专著，它标志着光（电磁辐射）在传播过程中的传播距离与周坚红移成正比，与周坚红移加1的和成反比的自然规律被正式发现。

 

周坚定律（Zhou Jian's Law）反映出来的物理意义是光（电磁辐射）在传播过程中的传输波长随传播距离增大而有规律地向红端位移，说明来自遥远星系光线的红移不仅存在多普勒红移，而且还存在周坚红移。

 

在宇宙学研究中，周坚定律成为用代数方法（解析法）来解决宇宙问题的《解析宇宙学》（著作权登记号：2009-A-020687）的理论基础，周坚红移——距离的一一对应关系能够让我们通过观测星系的红移来确定它的相对距离。

 

在宇宙力学研究中，周坚定律在力学中的直接应用推演出周坚万有引力定律，它标志着星系之间相互吸引的万有引力与光（电磁辐射）的传播特征有关，万有引力与周坚红移关系能够让我们通过观测星系的红移来确定它们之间的相互吸引力。周坚万有引力定律是解决宇宙力学问题的宇宙力学或宇宙动力学的理论基础，而当距离很小的时候，用周坚红移表达的万有引力就与用距离表达的万有引力在数值上高度一致，即牛顿万有引力定律与周坚万有引力定律所表达的万有引力特征完全一致。

 

 

二：定义

 

光（电磁辐射）在传播过程中的传播距离与周坚红移成正比，与周坚红移加1的和成反比。这个周坚红移——传播距离关系在2008年由中国天文学家周坚发现，称为周坚定律或周坚效应。在宇宙学研究中，周坚定律成为应用代数方法（解析法）来解决宇宙问题的解析宇宙学的理论基础。但在实际观测中，星系的红移不仅包含周坚红移，而且还包含多普勒红移，这为我们精确确定星系距离带来一些困难，不过我们能够通过先忽略多普勒红移，即将观测到的星系红移全部视作周坚红移来精确确定一个称之为标准距离的距离，然后再考虑多普勒红移的实际影响，星系的真实距离就在这个标准距离的附近，它的距离由此就被推算出来。

 

 

三：发现

图1  探索中的周坚定律发现者

 

1998年，美国劳伦斯柏克莱国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）进行的超新星宇宙学计划（Supernova Cosmology Project）与澳大利亚 Mount Stromlo 天文台的高红移超新星搜寻团队（High-Z Supernova Search Team）利用不同的分析技术和不同的高红移超新星观测样本，却都获得“宇宙正在加速膨胀而非减速”的结论。此前，宇宙学家们一直预期宇宙是在减速膨胀。这是在The discovery of cosmic acceleration is arguably one of the most important developments in modern cosmology.现代宇宙学中最重要的发现之一。图2是他们发现宇宙正在加速膨胀的超新星哈勃图。图中显示与Ia超新星分布最佳吻合的理论曲线是在（FRW）标准宇宙学模型下的模型参数Ω_M＝0.28、Ω_Λ＝0.72的理论曲线。

图2 发现宇宙正在加速膨胀的超新星哈勃图[Riess et al. 1998, Perlmutter et al. 1999]

 

在图2所示的Perlmutter 等人1998年发表的发现宇宙正在加速膨胀的超新星哈勃图中，与高红移Ia超新星分布最佳吻合的模型参数Ω_M＝0.28、Ω_Λ＝0.72的理论曲线所对应的关系式是相当复杂的，这种在（FRW）标准宇宙学模型下的相当复杂的星等与红移关系式是否能够用一个简单关系式来取代呢？周坚大胆提出一个非常简单的星等与红移关系式是：

       （1）  

其中，α和β都是待确定的常数，它们的单位都是/Mpc（每兆秒差距）。

 

在这个非常简单的星等与红移关系式（1）中，周坚发现对α和β这两个待确定的常数进行调整会使它的理论曲线随调整而发生变化，随着不断的调整尝试进一步发现，当α和β这两个待确定的常数调整到恰到好处的时候，它的理论曲线会恰到好处地与高红移Ia超新星分布最佳吻合的模型参数ΩM＝0.28、ΩΛ＝0.72的理论曲线靠拢，当将α调整到0.00023683050759/Mpc，β调整到0.00128/Mpc的情况下，关系式（1）的理论曲线就与高红移Ia超新星分布最佳吻合的模型参数ΩM＝0.28、ΩΛ＝0.72的理论曲线吻合。图3就是吻合结果图。

 

图3 周坚拟合的超新星哈勃图

 

仔细观察这个非常简单的星等与红移关系式（1）发现，在其中存在一个公共关系项z/α(1+z)，这个不仅与红移z成正比，而且还与红移加1的和（z+1）成反比的公共关系项的物理学意义是什么呢？依据距离模数定义式的物理意义，它就是距离，这个距离不仅与红移z成正比，而且还与红移加1的和（z+1）成反比，这就是周坚发现的Perlmutter 等人1998年发表发现宇宙正在加速膨胀的距离与红移的关系式：

         （2）

其中，r是单位为Mpc的距离，z是与宇宙大尺度有关的红移，α是红移常数，即α=0.00023683050759 /Mpc。图4是发现周坚定律的超新星哈勃图

 

图4  发现周坚定律的超新星哈勃图

 

 

 

四：公式

    周坚定律（Zhou Jian's Law）：

 

参数说明：

 

r：光（电磁辐射）传播的距离（Light （Electromagnetic Radiation） Propagation Distance） 单位：ly（光年）

 

Z₀：周坚常数（Zhou Jian's Constant），即Z₀=13，771，980，862.5685 ly（光年）,其物理意义是光（电磁辐射）传播的极限传播距离，说明任何光（电磁辐射）的传播都不可能无休止地传播到无限远。

 

z_z：周坚红移（Zhou Jian's Redshift），其物理意义是光（电磁辐射）在传播过程中的传输波长随传播距离增大而有规律地向红端位移的相对变化量。

 

 

五：关系

 

周坚定律只与星系的两个参数有关，即光（电磁辐射）传播的距离r和周坚红移z_z，只要能够确定其一，就能获知其二。

 

在实际观测中，我们确实能够直接观测到星系的红移，但在这个直接观测到的红移当中存在两种产生机制完全不同的红移，即由多普勒效应产生的多普勒红移和由周坚效应产生的周坚红移（在特殊宇宙环境中还存在引力红移，这是特殊天体如中子星等天体才明显显现的红移，为使宇宙问题简单化，在一般情况下我们可以忽略不计），为了区分这两种红移，我们用加脚注“d”和“z”来区分由多普勒效应引起的多普勒红移z_d和由周坚效应引起的周坚红移z_z，而我们所观测到的红移就用加脚注“g”的方法来表示，称之为观测红移z_g，它们之间的关系式就是z_g=z_z+z_d。由于周坚红移可以达到无穷大，因此，在宇宙中我们能够观测到非常大的红移，从理论上讲，我们能够观测到无穷大的红移。当我们将观测红移z_g全部视作由多普勒效应引起的多普勒红移z_d来研究宇宙的时候，由此就出现了大爆炸宇宙学，然而，当我们将观测红移z_g全部视作由周坚效应引起的周坚红移z_z来研究宇宙的时候，由此就出现了一个精确确定星系距离的标准距离，当我们同时考虑这两种红移的时候，解析宇宙学就由此出现了。

 

在实际观测中，距离的观测是最关键的。由于星系的距离极为遥远，三角视差法对此已经失效，并且还存由天体相对运动所带来的系统性误差，这是我们无法通过自身努力来克服的误差，因此我们必须另辟蹊径。

 

在发现周坚定律的简单距离模数定义式中，我们发现距离模数与距离存在直接的对应关系，只要我们确定了距离模数，星系的距离就由此确定。在距离模数中只有两个参数，即视星等mv和绝对星等Mv，而视星等mv是我们能够通过望远镜等观测设备进行直接观测而确定的值，现在的关键是如何精确确定它们的绝对星等值。

 

对于恒星来说，我们研究的非常透彻，通过直接观测恒星的光谱就能通过赫罗图获知它们的绝对星等，由此就获得恒星的距离。

 

对于星系来说，我们能够通过直接观测获得星系的红移，为了使问题简单化，我们可以先不考虑星系相对我们（观测者）相对运动因素的影响，将所观测到的星系红移全部视作周坚红移，由此依据周坚定律的直接计算获得一个称之为标准距离的参照距离，之后再考虑相对运动因素的影响来获得星系的真实距离。

 

为了使上述对应关系能够直接的一目了然的反映出来，我们依据发现周坚定律的简单距离模数定义式绘制出一幅视星等——周坚红移关系图（以周坚红移为基准的关系图）或视星等——距离关系图（以距离为基准的关系图），它们统称为周坚图，图中的纵坐标表示天体亮度的视星等，横坐标表示相对观测者对恒星、星系等天体进行观测的距离以及一一对应的周坚红移，而图中的无数条曲线是一一对应的表示恒星、星系等天体绝对亮度的等绝对星等线，它们之间保持5等的间隔，其中带颜色的各类等绝对星等线是具有特定意义的等绝对星等线，而正是这些带颜色的具有特定意义的等绝对星等线被画出，才赋予这种周坚图具有参照观看恒星、星系等等天体的观测特征和演化特征的功能，成为研究恒星、星系等等天体以及整个宇宙这个唯一客观存在体的观测特征和演化特征的重要工具，它类似赫罗图的分析恒星演化的功能，由此为我们带来了研究宇宙的一个名副其实的数理分析工具。图5就是一幅完整的周坚图，当我们将星系等天体的直接观测参数，比如视星等、红移或光谱类型（恒星），包括它们的影像等信息，按照对应关系绘制在周坚图中就构成了具有数理分析功能的数理分析星图，我们就将它称之为周坚星图，它不仅能够告诉我们星系等天体的过去、现在和将来的一切宇宙信息，包括它们的演化信息，而且还能够让我们分辨出它们的各种微小特征的变化和区别。其实，在解析宇宙学中还有许多这样的应用图，只是这种被发现者命名为周坚图的应用图目前是最适用的一种，它有点像赫罗图分析恒星及其演化特征一样，能够对恒星、星系等等天体的观测现状和演化进程进行有理有据的数理分析，是一个名副其实的天体数理分析工具。

 

上图是以距离为基准绘制  下图是以周坚红移为基准绘制

图5  完整的周坚图

 

 

 

六：物理意义

 

利用周坚定律r= Z₀ z_z/(1+z_z)，我们就能够从周坚红移得出光（电磁辐射）到达我们（观测者）面前所传播的距离，即便周坚红移达到无限大也是如此，这就是被观测天体到我们（观测者）之间的距离，而与我们（观测者）在宇宙中的具体空间位置没有任何关系，我们（观测者）所观测到的宇宙就是宇宙中的无数天体所辐射出来的光（电磁辐射）传播到我们（观测者）面前的综合反映，我们地球人是以地球为观测背景来观测宇宙从整体上来讲是这样，其它星球上的观测者以它们自己所居住的星球为观测背景来观测宇宙从整体上来讲同样也是这样，这就意味着，在空间中任意一点，以及从任意一点位置上的任一方向来进行观察的话，宇宙的大尺度景象是没有任何区别的；而且对宇宙中各处的观测者来说，他们所观察到的物理量和物理规律完全相同，没有任何一个观测者会处于与众不同的特殊地位，光（电磁辐射）向任何方向传播的传播距离都是有限的，这个有限的数值就是周坚常数（Zhou Jian's Constant）Z₀，它等于13，771，980，862.5685 ly（光年），而光（电磁辐射）以光速完成这个极限距离的传播所用时间正好是13，771，980，862.5685年（137.7亿年）。

 

 

七：观测证据

 

2003年，美国发射的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)经过当年的观测数据显示，宇宙的年龄是137±2亿年，这就是我们今天经常被援引作为支持大爆炸宇宙学的一个宇宙开端的重要证据，其实，它真正反映出来的物理意义就是光（电磁辐射）完成极限传播距离的时刻间隔，这个时刻间隔就是13，771，980，862.5685年（137.7亿年），WMAP的观测结果137±2亿年在误差范围内与之完全吻合，而在这个时刻间隔内光（电磁辐射）以光速所完成的传播距离就是13，771，980，862.5685光年（137.7亿光年），这就是周坚定律中的那个周坚常数Z₀=13，771，980，862.5685光年，这就是说WMAP的观测结果其实就是周坚定律的直接观测证据。

 

从周坚定律的发现过程来看，周坚定律中的周坚常数来源于1998年发现宇宙正在加速膨胀的超新星哈勃图[Riess et al. 1998, Perlmutter et al. 1999]，标准宇宙学模型能够给出一个与高红移Ia超新星分布最佳吻合的理论曲线，周坚定律同样也能给出这样一个与之最佳吻合的理论曲线。至此，1998年发现宇宙正在加速膨胀的超新星哈勃图与2003年发射的WMAP多年来的观测数据，通过周坚定律这个“桥梁”就这样紧密地联系在一起，它们共同成为了周坚定律的直接观测证据。

 

 

图6 “斯必泽”（Spitzer）和“哈勃”（Hubble）联手合作拍摄的遥远大质量星系的照片。

（照片转自天文科普网：http://www./shenkong/xingxi/201002/1145.html）

 

 

我们再来看一个让天文学家大吃一惊的观测现象吧。在图6影像中，用圆圈标出的就是一个星系，偏下方的较大星系是距离较近的前景星系。右上是哈勃拍摄的可见光照片，左下是哈勃拍摄的近红外照片，右下是斯必泽拍摄的红外照片。星系在可见光中并不明显，表明它的距离是遥远的，而在红外光中异常明亮，表明它的质量相当巨大。左上图是各波段合成的假彩色照片。我们的标准宇宙学理论不是认为宇宙中最早的星系，通常是小得多的恒星集合，它们逐渐并合，最终才能形成类似于我们银河系的演化程度相当充分的大星系吗，为什么我们的观测结果却不是这样，这不得不让天文学家们大吃一惊。然而，在以周坚定律为理论基础的解析宇宙学中，在我们的周坚图中，我们一眼就能看出这是为什么？只要将这种观测现象的直接观测数据绘制在周坚图上，我们就能够发现，哦！原来是这样！原来是这样！

 

其实，周坚定律的直接观测证据还有很多很多，自2010年1月1日推出的历时两年多的探索性系列应用博文——周坚每日解读一天文图，以及今年3月23日正式绘制的一系列周坚星图，它们所反映出来的宇宙情景都是周坚定律的直接应用结果，中间没有使用任何假设，周坚定律就这样像架设在超新星、宇宙微波背景辐射以及一切的宇宙观测现象之间的“桥梁”，已经将它们统统给串联起来，它们直接或间接地都成为了周坚定律的最直接的观测证据。比如，在今年4月21日发布的编号为周坚星图2012025的数量分析星图中，我们将哈勃太空望远镜的极限观测视星等（28.5等）绘制到周坚图中，通过数理分析发现，在太阳附近1万光年（精确值是10 315光年）距离范围内，那种神秘的即看不见又莫不着的，只能间接检测它施加引力才能发现的所谓暗物质是不存在的，这是解析宇宙学以哈勃太空望远镜的极限观测状态为基准所获得的理论结果，然而，由智利天文学家团队进行的最新研究确实发现（详见图7专业PDF中的插图），也是迄今为止对银河系恒星运动的最精确观测显示，在太阳系周围的广大区域内，几乎没有暗物质的踪迹。

 

图7专业PDF中的插图，说明暗物质的统计面密度。横坐标：千秒差距，纵坐标：每平方秒差距（约10平方光年）多少太阳质量。下方的黑实线表示观测、计算到的物质总量，而点线、虚线分布表示1个、3个标准方差下的误差范围。几条灰色线中，最下面与实线几乎重合的是可视普通物质量；min代表理论预期的最小量；而OM、SHM、N97分别是不同模型计算的暗物质量。插图简单表明，太阳系周围几乎就不存在暗物质。（翻译来自中国科学院上海天文台6月26日译文快递：暗物质理论遭遇挑战？）

 

 

周坚定律的观测证据实在是太多太多了，我们不妨反向思考一下，作为一种反例，不妨这样想象一下，若这个周坚定律确实不是一个自然规律，那它为什么就能够这样将我们所观测到的无数宇宙奇景都统统给串联起来呢？要知道，发现近百年的大爆炸宇宙学至今仍然搞不清楚宇宙为什么会爆炸，更搞不清楚它怎么还要暴涨，当然我们现在有无数的理论猜测，但无论怎样猜测都是建立在假设基础之上，终极的假设就是假设宇宙诞生于一个密度无限高，温度无限大的“奇点”，好奇怪的宇宙“奇点”呀，到现在我们都不知道它是如何被孕育出来的，它的前身到底是什么我们根本就无从知晓，因为它竟然不需要有孕育它的空间，难以想象呀，宇宙空间竟然是因为它，这么一个小不点的“奇点”爆炸产生的，不仅如此，这个小不点的“奇点”爆炸还具有特别的形式，那就是它不仅能够爆炸，而且还要暴涨，它是通过暴涨的爆炸形式来迅速抹平宇宙的。总之，宇宙爆炸的前后137亿年的宇宙，从整体上来看，它绝对不是相同的宇宙，它在膨胀，它在加速膨胀，它在某个时期还出现过暴涨，在不同宇宙时期的观测者所观测到的宇宙是不一样的，将来我们所观测到的宇宙竟然是一种“冰”的宇宙，是“寂寞死”的宇宙，解析宇宙学的提出者想请问一下大爆炸宇宙学的提出者和维护者，宇宙学原理你们是否忘记了，忘记了……。要知道，宇宙学原理是检验一种宇宙学理论的最基本的准则，它告诉我们，在宇宙学尺度上，任何时刻，三维空间是均匀的和各向同性的，整个宇宙在不同时刻也是完全相同的。

 

 

八：宇宙的观测

 

其实，在宇宙观测中，宇宙作为一个整体都是通过光（电磁辐射）的传播特征，即光（电磁辐射）的极限传播速度——光速c和极限传播距离——周坚常数Z₀反映到我们观测者面前的。

 

相对观测者而言，观测者只能观测到以观测者自己为球心的一个球半径为周坚常数Z₀的宇宙球形体，只能感受相对观测者自己小于周坚常数Z₀的有限宇宙球形体之内的所有天体所辐射出来的光（电磁辐射），而对于这个宇宙球形体之外的天体辐射出来的光（电磁辐射），观测者是不可能直接观测到的，如果要观测到它们，那就只能通过运动向它们靠拢（或它们向我们观测者运动靠拢），使其距离小于周坚常数Z₀来感受了，这就好比我们在浓雾中观察世界一样，我们只能看到以我们自己为中心的一个圆半径为能见度以内的有限世界，而为了看到能见度以外的世界，我们就必须运动，在运动中使能见度以外的世界不断进入能见度以内来观察。

 

当然了，在宇宙中运动，我们不可能像在浓雾中运动那么容易，我们必须学会建造宇宙飞船，我们必须学会飞船与飞船的交会对接，不仅如此，我们还得学会如何在宇宙深空中安全的自由飞翔，除此之外，我们还得学会看星星，看星系，而看星星和看星系可不是因为它们好看，而是要一眼就能看出它们到我们之间的距离，距离！距离！

 

或许我们不相信我们有一眼知星距的能力，但周坚定律就是为了让我们具有一眼知星距的能力而发现的，解析宇宙学就是为了让我们学会一眼知星距而诞生的。4百多年前的意大利科学家伽利略发明望远镜，让我们知道如何观看我们的宇宙，而4百多年后的中国科学家周坚发现周坚定律，并创立解析宇宙学，让我们知道如何测量我们的宇宙。