观察宇宙空间膨胀特性的小模型——宇宙空间展示仪－周坚 －广西柳州市周坚的量天博客－强国博客...

在地球上，任何物体所占的空间大小以及特性都是看的见摸得着的，在太阳系里，天体的运行空间大小以及特性也是可以观测到的，甚至由于观测技术的提高而延伸到银河系的空间大小以及特性也是可以观测到的。目前，依据1929年哈勃发现的哈勃定律，宇宙小尺度空间的膨胀特性是已知的，那就是均匀膨胀特性，随着1998年的两个研究小组研究高红移Ia超新星发现宇宙正在加速膨胀的今天，宇宙大尺度空间的膨胀特性也已知道，那就是加速膨胀特性，但是这些膨胀特性是不是宇宙空间膨胀的全部特征呢？这就需要一定的理论突破了。

带着上述问题，广西柳州市市民周坚进行了尝试，他基于他发现的周坚红移定律于2009年2月发明了一种专门观察宇宙空间膨胀特性的小模型——宇宙空间展示仪，并于3月申请了专利，专利申请号是200920301710.2。

所谓宇宙空间展示仪，就是在宇宙仪的基础上将宇宙仪球体翻开1/4球瓣显示宇宙仪内部的空间，而空间膨胀特性是基于周坚红移定律的应用所揭示的不同宇宙区域的不同空间膨胀特性。由于这个小模型是相对宇宙仪中心观测者而言所能观测到的可观测宇宙整体空间，由于在宇宙空间展示仪上没有长度、面积和方向、形状的变形，因此从宇宙空间展示仪上观察宇宙空间膨胀情景以及相互关系是整体而又正确的。

宇宙空间展示仪的功能就是观察宇宙空间膨胀特性，观察相对宇宙空间展示仪中心的观测者而言所能观测到的任何宇宙空间位置的宇宙膨胀特性。

在观察宇宙空间展示仪时只要将宇宙空间展示仪的中心点视为观测者所在观测位置进行观测就可以了。

在一般情况下，一个宇宙空间展示仪就代表在这个宇宙空间展示仪中心的观测者所能观测到的任何宇宙空间位置的宇宙膨胀特性，由此可见，从观测的角度来说，宇宙空间展示仪是显示可观测宇宙内部膨胀特性的小模型，它是从观测角度描述真正意义上的宇宙膨胀现象。

 图1  宇宙空间展示仪示意图（括号外的刻度是观测距离，括号内的刻度是宇宙学红移，边缘的宇宙学红移是无穷大）

图1就是这个宇宙空间展示仪示意图，由图可见，一个宇宙空间展示仪包含了相对观测者而言的诸多宇宙膨胀特性信息，它们都是基于周坚红移定律的应用所获得的宇宙膨胀信息。

一、宇宙空间展示仪中刻度的形成

1、周坚红移定律

周坚红移定律是在宇宙学尺度上的新定律，它描述的是光传播的特殊行为，即光（电磁辐射）的传播距离r与宇宙学红移z成正比，与宇宙学红移加1的和成反比，其中有一个为α的比例常数，称之为红移常数。

2、周坚红移定律的数学表达式

周坚红移定律的数学表达式是r=z/α(z+1)，其中r是光（电磁辐射）的传播距离，单位是Mpc，z是宇宙学红移（这里强调的是光传播特殊行为所致的宇宙系统红移，即宇宙学红移，而不是人们直接观测到的红移，即观测红移），α是宇宙学红移常数，即α=0.00023683 Mpc^-1。

3、宇宙空间展示仪中刻度的形成

依据周坚红移定律，在宇宙空间展示仪掰开1/4球瓣的轴线上绘制出距离与宇宙学红移一一对应的刻度。

二、宇宙膨胀特性

1、相对论多普勒效应

按照相对论推导出来的相对论多普勒效应公式是υ=c（（（z+1）²-1）/（（z+1）²+1）），其中，υ是退行速度，c是光速，z是红移。

2、周坚红移定律

周坚红移定律的宇宙学红移表达式是z=αr/（1-αr），其中，z是宇宙学红移，α是宇宙学红移常数，r是距离。

3、宇宙膨胀速度

将周坚红移定律代入相对论多普勒效应公式则有υ=c（（（αr/（1-αr）+1）²-1）/（（αr/（1-αr）+1）²+1）），经过整理后的宇宙膨胀速度公式是υ=H₀r（1+（αr（1-αr））/（（αr）²-2αr +2）），其中，υ是退行速度，H₀是哈勃常数，r是距离，α是宇宙学红移常数。

4、宇宙膨胀率

将上述整理后的宇宙膨胀速度表达式两边同除以距离r，由此获得公式是υ/r=H₀（1+（αr（1-αr））/（（αr）²-2αr +2）），由于式中的υ/r很明显是单位距离的退行速度，通常称之为宇宙膨胀率，为区别于哈勃常数H₀，将宇宙膨胀率用“H_z”表示，并用H_z代替上式中的υ/r，则有H_z=H₀（1+（αr（1-αr））/（（αr）²-2αr +2）），其中，H_z是宇宙膨胀率，H₀是哈勃常数，r是距离，α是宇宙学红移常数，这就是宇宙膨胀率公式。

5、宇宙膨胀率-宇宙学红移关系式

由于宇宙大尺度距离是不可能精确测量的，但宇宙学红移却是可以通过光谱分析进行精确测量的，而且距离越大测量精度越高，因此将周坚红移定律代入宇宙膨胀率公式消去αr就有H_z=H₀（1+（（z/（z+1））（1-（z/（z+1））））/（（z/（z+1））²-2（z/（z+1）） +2）），其中，H_z是宇宙膨胀率，H₀是哈勃常数，z是宇宙学红移，这就是宇宙膨胀率-宇宙学红移关系式。

6、宇宙膨胀率-宇宙学红移关系图

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－宇宙学红移关系式进行计算，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形成如图2所示的宇宙膨胀率－宇宙学红移关系图。

图2  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-宇宙学红移关系式（12）给出的宇宙膨胀率H_Z曲线，虚线是哈勃常数H₀曲线。

7、宇宙膨胀特性区域的ABCD划分法

基于宇宙膨胀率－宇宙学红移关系图2不难看出，在图中可以画出三条垂直线将宇宙膨胀按照不同的特性区域划分为四个宇宙膨胀特性区域的宇宙膨胀率－宇宙学红移关系图（见图3所示），图中的三条垂直线依次分别定义为A线、B线和C线，其中，A线是宇宙学红移等于0.01的垂直线，B线是宇宙学红移等于宇宙膨胀拐点宇宙学红移常数z_zh（z_zh＝1.4142135624）的垂直线，C线是宇宙学红移等于100的垂直线，它们将宇宙膨胀率－宇宙学红移关系图2依次划分为四个宇宙膨胀特性区域，它们依次是A区、B区、C区和D区，对应的依次是A区宇宙、B区宇宙、C区宇宙和D区宇宙，这就是宇宙膨胀特性区域的ABCD划分法。

图3  划分为四个特性区域的宇宙膨胀率-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-宇宙学红移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，三条垂直线分别是A线、B线和C线，四个特性区域分别是A区、 B区、C区和D区。

三、宇宙空间展示仪的形成

1、A区宇宙的膨胀特性

基于A区宇宙被定义为宇宙学红移小于0.01的宇宙膨胀特性区域，从图形上看，该区域的宇宙膨胀特性是属于均匀膨胀特性，这与哈勃定律所描述的均匀膨胀的宇宙是完全一致的。

2、B区宇宙的膨胀特性

基于B区宇宙被定义为宇宙学红移大于0.01至宇宙膨胀拐点宇宙学红移常数z_zh（z_zh＝1.4142135624）的宇宙区域，从图形上看，该区宇宙的宇宙膨胀率随宇宙学红移的增大而急剧增大，说明该区域内的宇宙膨胀特性是属于加速膨胀特性，这与1998年的两个研究小组研究高红移Ia超新星发现宇宙正在加速膨胀的观测事实相吻合。

3、C区宇宙的膨胀特性

基于C区宇宙被定义为宇宙学红移大于宇宙膨胀拐点宇宙学红移常数z_zh（z_zh＝1.4142135624）至100的宇宙区域，从图形上看，该区宇宙的宇宙膨胀率随宇宙学红移的增大而急剧减小，说明该区域内的宇宙膨胀特性是属于减速膨胀特性，这就是人们常说的减速膨胀区域，在该区域的天体存在减速膨胀现象。

9  D区宇宙的膨胀特性

4、D区宇宙的膨胀特性

基于D区宇宙被定义为宇宙学红移大于100至无穷大（∞）的宇宙区域，从图形上看，该区域的宇宙膨胀特性与A区宇宙的膨胀特性完全一致也是属于均匀膨胀特性，这与哈勃定律所描述的均匀膨胀的宇宙是完全一致的，为与A区宇宙的膨胀特性区分开来，定义为光速端均匀膨胀特性。

5、绘制分界线对应的球面

将上述不同区域宇宙膨胀特性分界线对应的球面绘制在宇宙仪球体翻开1/4球瓣露出的平面上，由此就形成了展示宇宙空间内部宇宙膨胀特性的宇宙空间展示仪。