探索哈勃定律的本質

一、

哈勃定律的回顧及成績

眾所周知，1929年，美國天文學家 E。 哈勃，根據前人測定的 40~50 的河外星系（當時稱為 河外星雲）的光譜譜線之長波方向位移的資料資料（紅移），按多普勒效應處理，換算為以 千米/秒 為單位的天體在視線方向的退行速度；此外，哈勃根據自己確認的方式和方法，估算（並非嚴格意義的天體測量）出其中40多個星系的距離 （以 百萬秒差距為單位，又稱 兆秒差距）。結果發現，退行速度的大小和星系距離遠近成正比。二者之間的線性關係可用一個比例常數聯絡。哈勃定律揭示宇宙是在不斷膨脹的，這種膨脹是一種全空間的均勻膨脹，因此，在任何一點的觀測者都會看到完全一樣的膨脹，從任何一個星系來看，一切星系都以它為中心向四面散開，越遠的星系間彼此散開的速度越大。利用哈勃定律v=Hcx

D，只要能確知哈勃常數Hc，便可由天體的視向速度v得出其距離D，稱為宇宙學距離，這裡唯一需要取得的觀測資料是遠方天體的視向速度。這樣D=v/Hc 也許便是確定天體宇宙學距離的最為簡單的一種標距關係。因此可以說，哈勃定律開啟了宇宙研究的新紀元。然而Hc的常數屬性是否在現已探測到的 137 億光年空間範圍內保持不變？近90年來，一直是探究的課題，直到現在哈勃常數還在修正。或許哈勃常數具有相對性，下面提出我的一些看法，共天文愛好者參考，我們一起探索。

二、哈勃常數的相對性

哈勃定律的數學描述：

哈勃定律

（ Hubble‘s law ）

：

Vf = Hc x D

引數說明：

Vf

：

Velocity （ Far Away ）

遠離速率

單位：

km / s

，

Hc

：

Hubble’s Constant

哈勃常數

單位：

km / （s

．

Mpc）

，

D

：

Distance

相對地球的距離

單位：

Mpc

百萬秒差距（來自百度百科）。我們再看勻速直線運動的速度規律：

v=S/T

，和哈勃定律相比較，哈勃常數應該是時間的倒數。哈勃定律是哈勃哈勃經過近十年觀察、分析推算的結果，

10

年和宇宙的年齡（一般學術界公認

137

億年左右）或哈勃年齡相比，不足宇宙年齡或哈勃年齡的

10

億分之一，所以可以說宇宙的年齡或宇宙的哈勃年齡加減

10

年仍然是宇宙年齡或宇宙的哈勃年齡——是一個常數。那麼它的倒數也是一個常數，即宇宙的哈勃年齡的倒數也是一個常數——就是哈勃常數。所以哈勃常數具有相對性，不是絕對的常數，在我們研究宇宙的變化規律時可以認為是一個常數，不會影響我們研究宇宙執行的規律。根本原因就是宇宙膨脹的加速度極小，在我們研究的時間段內加速度的變化可以認為是零，影響宇宙膨脹的主要原因是時間，時間導致星系位置的變化、速度的大小變化——時間是宇宙變化的主導作用。我們觀察到星系的速度是由宇宙的哈勃年齡或者說宇宙的年齡和星系膨脹的加速度形成的，每個星系的位置也是宇宙的哈勃年齡或宇宙的年齡和星系運動的加速度形成的。

哈勃觀察星系的退行速度是在銀河系觀察的，所以存在一個參考速度

——

銀河系的速度，準確地說是相對於地球的速度。我們再分析哈勃定律：

Vf = Hc x D

，因為

Hc

哈勃常數，顯然速度是變化的，是一個變速運動，隨位移變化的變速運動，我們分析變速運動的位移的變化情況。變速運動的位移公式

S=v

0

+1/2at

2

，我們把

v

0

看成是地球的速度，即

v

0

參照速度。變速運動的公式可以簡化為：

S=1/2at

2

，即

2S=at

2

=

（

at

）

t

，則

at=v=2S/t——

①

，

1/t

就是哈勃常數，根據微分的理論，由於我們觀察的時間與宇宙年齡或宇宙的哈勃年齡相比極其微小，可以認為沒有變化，所以可以認為在觀察時間內，

a

趨近於零，速度

v

也不變，只是在不同位置速度才不同，這個速度的不同是由宇宙的年齡或宇宙的哈勃年齡導致星系在宇宙的不同位置決定的。分析

①式，①中的

t

是宇宙的哈勃年齡，

當

2S

（

2S

是哈勃定律中的

D

，

at

是哈勃定律中的

vf

）極大時，

1/t

是時間的倒數，其變化趨近於無窮小，此時可以把

1/t

視作常數。

t

是宇宙的哈勃年齡。相同的

t

下，越遠越快，反之越快越遠。我們再分析我們都熟悉的變速運動的位移公式：

S=v

0

+1/2at

2

，如果我們知道他是一個加速度逐漸減小（但是加速度沒有減小到零）的變加速運動，也可以推出：

S

越大

V

也越大，對於研究宇宙捨棄次要因素（例如短時間內——觀察時間，加速度為零、速度是恆定的），在

t

相同的情況下，只有不同位置速度才會有明顯的不同，

S

位移也大速度也越大，反之亦然，便得出哈勃定律。

粗略推算一下宇宙膨脹的加速度。一年大約

3。2

×

10

7

秒，為了計算方便我們取哈勃年齡

5

×

10

10

，則哈勃年齡應該是

1。6

×

10

18

秒，觀測到退行速度幾萬或幾十萬公里每秒，為了方便計算我們取退行速度為

1。6

×

10

7

米

/

秒，假設宇宙的膨脹是勻變速膨脹，因為有參照速度，我們根據初速度為零的勻變速運動的規律，

v=at

可以得出，

a=10

-11

米

/

秒

2

。由此我們可以得出，我們在研究宇宙運動問題上，短時間是可以忽略加速度對速度變化的影響。其實，宇宙的膨脹應該是加速度逐漸減小的加速膨脹，由於上述推算是平均加速度，所以現在宇宙的膨脹加速度要比此數值還要小。我在《科學中國人》

2016

年

12

月期刊發表的

“

絕對的暗物質和暗能量是真空

”

關於真空力的論述，濃度空間與真空空間的和是一個定值。

真空力的計算，真空力的大小應該和真空空間的大小成正比，並且和非真空密度的大小成正比，其數學描述：

F=

δρ

v

，其中δ是比例常數，ρ是非真空的密度，

v

是真空空間的大小，即宇宙膨脹的加速度也來越小。真空空間為零，宇宙空間達到最大值，真空力為零、宇宙不在膨脹，宇宙變為混沌狀態。

三、哈勃定律的成因

目前宇宙的變化為什麼遵循哈勃定律呢？宇宙之內不存在真空，真空存在於宇宙之外，宇宙正在真空（真空力）的作用下向真空擴散。宏觀表現為宇宙在做加速度逐漸減小的變加速運動，短時間（我們觀察的時間和宇宙的哈勃年齡相比）速度變化很小——可以認為加速度是零，擴散的速度由位移或時間決定的宏觀宇宙膨脹現象。哈勃定律的速度

Vf

是相對於觀察者星系的退行速度，也就是說，兩個星系相距多少光年至少可以理解為這兩個星系相對運行了多少光年的年數（註解：

5

光年的年數是

5

年，以下同），其實，由於星系間相對執行的速度遠小於光速，所以兩個星系相對執行的年數遠大於相距的光年的年數。宇宙是加速度逐漸減小的變加速運動，所以星系之間距離越遠，速度相差也大

——

符合哈勃定律所述的內容。

四、感悟

研究宇宙：短時間內忽略細微變化，長時間必須重視細微變化。短時間內忽略細微變化，觀察長期細微變化的宏觀體現。長時間重視細微變化，才能找到變化的根源，哈勃就是這樣發現哈勃定律的。猜想：我們研究宇宙長時間變化必須重視物體由於輻射而發生物體質量的變化，短時間內必須忽略物體由於輻射發生物體質量的變化，例如經典物理通常情況認為質量不變，發現了諸如萬有引力定律等，我相信重視物體輻射的研究也定會發現宇宙其他運動規律。