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星光傳播實驗記錄方法慶解析天文學誕生六周年 解析天文學網絡公開課第十九講 周堅/2015年2月11日 視頻地址：http://v.youku.com/v_show/id_XODkxMTk1Mzk2.html 漆黑的夜晚，我們什么也看不見，即便是仰望星空，也是黑暗一片，不過透過一片黑暗的夜空，卻看到了點綴在夜空中的星光，它們閃閃發光，非常壯觀。這是什么原因呢？這是因為我們要看見東西，必須要有光，而且光必須傳播進入我們的眼睛。星光傳播使我們的夜空艷麗多彩，星光傳播讓我們的夜生活五彩繽紛。那么我們該怎樣記錄星光傳播呢？本講就從實驗入手，讓我們一起來探索星光傳播實驗記錄方法。今年3月8日是解析天文學誕生六周年紀念日，就讓星光傳播實驗記錄方法來慶祝吧。2015年春節中國年即將到來，借此機會向大家拜個早年，祝大家新年快樂！心想事成！萬事如意！ 我們知道，世界上第一次做光傳播實驗的是伽利略，其實驗目的是測量光速。探索星光傳播實驗記錄方法，就讓我們從伽利略測量光速的實驗故事講起吧。 那是1607年（4百多年前），當時的伽利略想得即簡單又瘋狂，竟然想通過和助手分別站在相距1.5千米（km）的兩座山上，每人手拿一盞燈，伽利略先打開燈，當助手看到他的燈光時，立刻打開自己的燈，從伽利略打開燈到他看到助手那盞燈的燈光，這個時刻間隔就是光傳播了3千米（km）的時間。結果呢？可想而之了，當然是以失敗而告終了。你知道這是為什么嗎？現在，我們當然知道了，光速太快了，每秒30萬千米的傳播速度（精確值是c=299 792 458米/秒），而我們的反應時間大概在0.1-0.2秒之間。 伽利略測量光傳播速度的實驗雖然失敗了，但為后人提供了很好的借鑒，他不僅最終讓我們獲得光在真空中的傳播速度——光速，而且在解析天文學誕生后的今天，還啟迪我們去探索星光傳播實驗記錄方法。 星光傳播無非就是星光在宇宙空間中傳播，實驗無非就是為了獲得數據，記錄無非就是將數據記錄下來，目的無非就是便于我們進一步研究，方法無非就是將星光在宇宙空間傳播的數據記錄下來的一種手段。 星光傳播所涉及的時間和空間非常巨大，記錄它的傳播太難以理解了。你不會向伽利略那樣也讓你的助手跑到別的星球上去為你打開燈吧？想法可真是太瘋狂了，但在我們知道光速，以及解析天文學誕生后的今天，這種瘋狂的想法自然能夠讓我們實現。我們是如何實現這即瘋狂又刺激的，具有極大挑戰性的記錄星光傳播實驗數據呢？ 首先讓我們把燈給關上，在一片漆黑的空間中，四處靜悄悄，突然，有一盞燈被點亮，它的光迅速照亮整個空間。知道這是為什么嗎？這是因為作為光源的燈光向四面八方光傳播的速度太快，而我們人的眼睛反應時間大概需要0.1至0.2秒之間。 我們要記錄這種快速傳播的光現象簡直就是瘋狂，我們能不能讓光的傳播速度慢下來，以便我們觀察呢？能！或許我們認為這位先生真能吹啊，他竟然能夠讓光傳播速度慢到我們能夠看到的程度。是的，這位先生就是能吹。吹什么呢？吹氣球！ 吹氣球與記錄星光傳播實驗有關系嗎？其實，我們從關燈那一刻起就在做星光傳播實驗。看！假設氣球就是那盞燈，我們往氣球里面吹氣，只要氣吹的恰到好處，氣球的膨脹就類似于點亮的燈光在向四面八方傳播的按比例放慢速度傳播的慢鏡頭，如此一來不就讓我們看到光傳播的慢鏡頭了嗎！ 通過上述實驗，我們看到星光無非就是類似于燈光，星光傳播無非就是類似于燈光傳播，恰到好處的氣球膨脹無非就是類似于星光傳播按比例放慢速度傳播的慢鏡頭。由此可見，上述實驗其實就是星光傳播實驗的微縮版。 為了將星光傳播實驗數據記錄下來，我們完全可以借鑒數學中的數軸來實現。或許我們認為這怎么可能呢？解析天文學的誕生就為這種可能打下了堅實基礎，依據解析天文學理論所創建的天文數軸，就是依據光（電磁輻射）傳播特征，為記錄星光傳播實驗數據而創建的。 既然如此，那天文數軸又是如何記錄星光傳播實驗數據的呢？我們結合解析天文學為我們創建的天文數軸（詳見圖19.1），從以下幾個方面來論述。
首先，我們要知道什么叫天文數軸。天文數軸無非就是規定了原點、正方向、單位長度和光（電磁輻射）傳播特征刻度的直線。這里特別要說明的是，在光（電磁輻射）傳播特征刻度中，由于光（電磁輻射）極限傳播速度，即光速c=(299792458±1.2)米/秒是1975年第15屆國際計量大會確認光速值，并作為國際推薦值使用，因此光（電磁輻射）傳播距離與時刻間隔的特征刻度吻合星光傳播的實際情況，但對于光（電磁輻射）傳播距離與紅移的特征刻度目前存在爭議，目前主流理論認為這個紅移是宇宙大爆炸所致的空間膨脹將光的傳輸波長拉伸引起的稱之為宇宙學紅移，解析天文學理論認為這個紅移是光（電磁輻射）在傳播過程中的傳輸波長隨傳播距離的增大有規律地向紅端發生自然位移的，稱之為周堅效應引起的周堅紅移。為了讓我們盡快地應用天文數軸來記錄星光傳播實驗數據，我們就將這兩種紅移機制同時引進論述，在目前爭論之際就讓他們在一個紅移觀測事實面前各自表述吧，探索的步伐不可能因為存在爭議就停止，真理遲早會在爭議中明朗。 其次，將星體視作一個點放在天文數軸上，并讓這個點與天文數軸上的紅移（解析天文學理論認為這是周堅紅移，而大爆炸宇宙學理論認為這是宇宙學紅移）等于0和光傳播時間等于0的坐標點對齊。 再次，將星體自身向宇宙空間四面八方傳播的光（電磁輻射），視作在天文數軸上向正反兩個方向傳播。 由于光速不變，星光在天文數軸上傳播就留下了傳播距離與傳播時間一一對應的數據痕跡，這就為我們記錄星光傳播實驗數據提供了可靠方法。 由于我們觀測到星光傳播距離越遠紅移越大，解析天文學將這種紅移定義為，光（電磁輻射）在傳播過程中的傳輸波長隨傳播距離的增大有規律地向紅端發生自然位移，稱之為周堅效應，所產生的周堅紅移，它同樣與傳播距離一一對應，因此在天文數軸上傳播的光（電磁輻射）就留下了傳播距離與周堅紅移一一對應的數據痕跡。當然我們也可以將這個紅移看成是大爆炸宇宙學理論所認為的空間膨脹將傳輸波長拉伸的稱之為宇宙學紅移，到目前為止，我們只是知道紅移與距離大致成正比，但還沒有發現這種宇宙學紅移與距離完全一一對應的證據。 同樣道理，在天文數軸上，光傳播距離與光傳播距離模數一一對應，因此在天文數軸上傳播的光（電磁輻射）就留下了光傳播距離與光傳播距離模數一一對應的數據痕跡。 最后，依據我們觀測到的天體特征，比如天體的亮度特征、紅移特征、距離特征、年齡特征、光譜特征等等，在天文數軸上一一標出它們的光傳播實驗數據，最終為我們提供了一個一維圖形參照研究星光傳播現象的記錄方法，宇宙研究由此邁入星光傳播圖形研究新時代。 |
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