周坚：为宇宙划界的柳州人

 宇宙疆界照（周坚“摄”于2009年3月27日）。图中整数数值是距离，单位是Mpc，小数点数值是宇宙学红移，相对中心观察点的球面半径从中心向外依次是宇宙学红移等于0.01的41.8062275833Mpc（1.3635624624亿光年）、宇宙学红移等于1.4142135624的2473.4416338115 Mpc（80.674396130亿光年）、宇宙学红移等于100的4180.6227583322 Mpc（136.35624624亿光年）和宇宙学红移等于无穷大的4222.4289859155 Mpc（137.71980870亿光年）。

国有国界，疆有疆界，球有球界，太阳系有太阳系的界，银河系有银河系的界，这是我们一般的人们都能理解的，按照这个思路追问下去，人们就问到了宇宙有没有边界了。那么，宇宙到底有没有疆界呢？

如果凭空说宇宙有界或无界那都是毫无意义的，但近日就是有人为宇宙“划出”了有意义的界来，上面的那张“宇宙疆界照”就是广西柳州市市民周坚于2009年3月27日为宇宙“划出”的疆界，不可思议吧，其实也没什么，它不过就是一个应用周坚红移定律作相对论多普勒效应解释所获得的结果而已。

周坚红移定律描述的是光（电磁辐射）传播的距离与宇宙学红移成正比，与宇宙学红移加1的和成反比，它的数学表达式是r=z/α(1+z)，其中，r是单位为Mpc的距离，z是与宇宙大尺度有关的红移，称之为宇宙学红移，α是比例常数，称之为宇宙学红移常数，即α=0.00023683 Mpc^-1。

相对论多普勒效应描述的是光源退行速度与红移加1的和的平方减1的差成正比，与红移加1的和的平方加1的和成反比，它的数学表达式是υ=c（（z+1）²-1）/（（z+1）²+1），其中，υ是光源的退行速度，单位是km/s，z是光源退行引起的红移，c是光速，c=299792.458km/s。

将周坚红移定律代入相对论多普勒效应消去红移，经过整理后可获得描述光源退行速度与距离成正比的一个函数，这个函数的数学表达式就是υ=H₀r（1+Z_υr），其中，υ是光源的退行速度，单位是km/s，H₀是哈勃常数，H₀=71km/s/Mpc，r是r是单位为Mpc的光（电磁辐射）传播的距离，Z_υr是宇宙膨胀变速因子，Z_υr=αr（1-αr）/（（αr）²-2αr+2）。

将描述光源退行速度与距离成正比的数学表达式两边除以距离，由此就获得单位距离的光源退行速度函数，这个单位距离的光源退行速度就是宇宙膨胀率，用“H_z”表示，它的数学表达式就是H_z =H₀（1+Z_υr），其中，H_z是宇宙膨胀率，单位是km/s/Mpc，H₀是哈勃常数，H₀=71km/s/Mpc，r是单位为Mpc的光（电磁辐射）传播的距离，Z_υr是宇宙膨胀变速因子，Z_υr=αr（1-αr）/（（αr）²-2αr+2），这就是宇宙膨胀率函数。

由于宇宙中天体的距离十分遥远，以至于直接精确测量天体距离已经不现实，而天体的谱线红移却是可以通过一定的观测技术和光谱分析精确获得，因此，将周坚红移定律代入宇宙膨胀变速因子消去距离，由此获得宇宙膨胀变速因子Z_υr随宇宙学红移变化而变化的关系式Z_υr=z/（z²+2z+2）。

为直观反映宇宙膨胀率随宇宙学红移的变化规律，以宇宙膨胀率为纵坐标，以宇宙学红移的对数为横坐标，按宇宙膨胀率函数，将宇宙膨胀率随宇宙学红移变化的计算结果绘制在坐标图上就形成如下图所示的宇宙膨胀率－宇宙学红移关系图。

宇宙膨胀率-宇宙学红移关系图。图中实线是周坚红移定律作相对论多普勒效应解释导出的宇宙膨胀率随宇宙学红移变化而变化的关系式给出的宇宙膨胀率H_Z曲线，虚线是哈勃常数H₀曲线，其中，三条垂直线分别是A线、B线和C线，将可观测宇宙划分为四个膨胀特性区域，它们分别是A区、 B区、C区和D区。

仔细观察这个图，我们有理由为宇宙划出相应的疆界。

(1) 宇宙学红移小于0.01的宇宙，对应的相对观测者所观测到的球面半径小于41.8062275833Mpc（1.3635624624亿光年）的宇宙。在这个宇宙中的宇宙膨胀率与哈勃常数是近似一致的，说明相对观测者所能观测到的近距离宇宙是均匀膨胀的宇宙，哈勃定律在这个宇宙内是适用的。

(2) 宇宙学红移从大于0.01到小于1.4142135624的宇宙，对应的相对观测者所观测到的球面半径从大于41.8062275833Mpc（1.3635624624亿光年）到小于2473.4416338115 Mpc（80.674396130亿光年）的宇宙。在这个宇宙中的宇宙膨胀率并不是近似等于哈勃常数的，而是随距离的增大而急剧增大，说明相对观测者所能观测到的中距离宇宙是加速膨胀的宇宙，哈勃定律在这个宇宙内是不适用的。

(3) 宇宙学红移从大于1.4142135624到小于100的宇宙，对应的相对观测者所观测到的球面半径从大于2473.4416338115 Mpc（80.674396130亿光年）到小于4180.6227583322 Mpc（136.35624624亿光年）的宇宙。在这个宇宙中的宇宙膨胀率并不再随距离的增大而急剧增大，而是随距离的增大而急剧减小，说明相对观测者所能观测到的远距离宇宙是减速膨胀的宇宙，哈勃定律在这个宇宙内也是不适用的。

(4) 宇宙学红移从大于100到小于无穷大的宇宙，对应的相对观测者所观测到的球面半径从大于4180.6227583322 Mpc（136.35624624亿光年）到小于4222.4289859155 Mpc（137.71980870亿光年）的宇宙。在这个宇宙中的宇宙膨胀率又不再随距离的增大而急剧减小，而是又回到了与哈勃常数近似一致，说明相对观测者所能观测到的超远距离宇宙是光速端均匀膨胀的宇宙，哈勃定律在这个宇宙内同样是适用的。

(5) 相对观测者所观测到的球面半径小于4222.4289859155 Mpc（137.71980870亿光年）的宇宙，通常称之为可观测宇宙，而大于4222.4289859155 Mpc（137.71980870亿光年）的宇宙，通常称之为不可观测宇宙。

总之，无限宇宙相对观测者而言也存在层次性，它们从近到远依次是近距离的均匀膨胀宇宙、中距离的加速膨胀宇宙、远距离的减速膨胀宇宙、超远距离的光速端均匀膨胀宇宙和可观测宇宙之外的不可观测宇宙。这就是一个普通的柳州人历经十数载于2009年3月27日为宇宙空间划出的疆界，将这个美丽的宇宙疆界相貌球状体放置在一个精致的架子上就是一个如下图所示的显示宇宙空间膨胀特征的宇宙空间展示仪。该宇宙空间展示仪已于2009年3月27日申请了专利，专利申请号是200920301710.2。

 宇宙空间展示仪。图中括号外的数值是距离，单位是kMpc（1000Mpc），括号内的数值是距离对应的宇宙学红移。

一个普通人，一个宇宙空间展示仪，在2009年3月27日联系在一起，定格在为宇宙划界的探索历史中。

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