論真空中光之慣性

Andy

學生敬重的陳老師在一次課後討論中表達了他的意見:
光在真空中走得久會累(=光子衰老)
這啓發了我的想像:
光與物件是否都遵守牛頓慣性定律!?當然以沒有外力為大前題，是否'動者常動'(這裏沒有靜者常靜)
如果答案為否，星系紅移 重力紅移 宇宙年齡 都要重新改寫
請評論在下的愚見

C.L.Chan

一顆光子的能量為 E=hf, h為普郎克常數,f為光子的頻率.
(1)有人提過宇宙以前的一些物理常數,可能跟今天的不同,認為一百億年前發出的光子,
走了一百億光年,它的能量下降了,令頻率減細,做成光譜紅移現象.稱之為光子衰老現象.
可惜沒有其他實驗支持這個看法.
(2)宇宙是否真空?宇宙有二千億個星系,但它只佔宇宙的4%,尚有23%為暗物質,73%為暗能量,
後兩者對星系紅移有沒有貢獻,則要天文學家繼續研究.
(3)若光子走過宇宙一段長矩離,而它的能量轉移給其他介質,天文學家認為這只會做成
"紅化"現象,而非紅移現象.

C.L.Chan

有時間才好看.
http://forum.phy.ntnu.edu.tw/dem ... orum=41&start=0

Andy

學生記得狄拉克的相對論量子力學方程式求得真空中確實是充滿粒子的，
希望這對討論有幫助
什麼是紅化?
我很有興趣知除都普勒效應，還有什麼原因假設紅移?

C.L.Chan

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B4%85%E4%BD%8D%E7%A7%BB

Andy

Dear  C.L.
sorry 我問得不清楚
都卜勒效應解釋星系紅移支持大爆炸
還有其他假設星系紅移與big bang無關?

C.L.Chan

來自物理的光學或輻射轉換的效應
在輻射轉換和物理光學的主題中會總結電磁輻射中波長和頻率轉換可能發生的現象和交互作用導致位移的結果。在這些情況下位移和物理上對應的能量轉移到物質或其他的光子，而不是歸結於參考座標系的轉變之間。這些轉移可以歸結於凝聚作用(參見沃爾夫效應)或是來自於基本粒子、微粒物質、或來自波動的電介質媒介被充電，導致電磁輻射的散射。[2] 當這些現象對應於"紅移"或"藍移"的現象時，是物理的電磁輻射場本身的交互作用或是介入(干預)的物質來自參考座標系效應的現象。在天文物理，質-光交互作用的結果在輻射場的能量的遷移上通常是紅化而不是紅移，而這個項目通常是保留在前面的效應中討論的。[2]

在許多情況下散射會導致輻射的紅化，因為熵會使光子趨向最低能量而減少高能的光子(總能量守恆)。[2]除了在小心控制的情況下，散射不會在同一個變化中橫跨整個光譜，換言之，任何一個波長上計算得到的z只是一個對應於波長的函數，而且，來自介質的隨機散射通常可能發生在任何的角度上，而z又是一個散射角的函數。如果多次的散射發生，或是散射的粒子在相對的運動中，那麼通常都會造成譜線的畸變。[2]

在恆星際天文學，可見光譜會因為穿過星際物質的散射過程出現星際紅化 [2] — 類似於在日出或日落時大氣層造成太陽光偏紅和天空是藍色的瑞利散射。這種明顯的轉移成紅色的現象，是因為譜線中的紅色部分沒有被轉移成其他的波長，以及額外的黯淡和畸變結合，這些現象使光子在視線中出現或消失。

Andy

Thank you 陳生 星系紅移真可講足兩日兩夜:紅化和紅移能被區別嗎?
學生哲學直覺上不認同光子衰老
如果物理常數沒有普適性﹐我們認識宇宙的方法將困難得多
在此我引用愛氏的說話:
'宇宙最令人不可理解的就是能被理解'
(當然黑洞太初原子除外)

CHYeung

Dear CL,

I would like to know the source of the article that you are quoting in [7] above. The article seems to be misleading in stating that "散射會導致輻射的紅化" and I don't think this is correct.  Scattering will not cause reddening unless there are energy exchange between light and the scattering medium. In that case, the scattering medium will be heated up by the absorption of energy.

"可見光譜會因為穿過星際物質的散射過程出現星際紅化 [2] — 類似於在日出或日落時大氣層造成太陽光偏紅和天空是藍色的瑞利散射。這種明顯的轉移成紅色的現象，是因為譜線中的紅色部分沒有被轉移成其他的波長，以及額外的黯淡和畸變結合，這些現象使光子在視線中出現或消失".

The above statement is also wrong, the reddening of sunlight at sunrise or sunset is not caused by "light transformation" but rather by Tyndall effect. Shorter wavelengths that have wavelength similar to the size of the colloidal particles suspended in air are scattered in all directions, thus it seems to be weakened in the original direction of travel.  Longer wave light that have wavelength longer than the average size of the air-suspended colloidal particles is less scattered and will appears to be richer in the direction of light travel.  This results in a spectrum that is weakened in the blue end and has the characteristic red hue. The same explains for the blue colour of the clear sky after sunrise and before sunset.

CH

mca

我看不明貼文 #7 的轉貼內容 ，或者是我才疏學淺吧。

以筆者的認識，由多普勒效應導致的星光紅移 (Doppler Redshift)  和  由宇宙膨脹導致的星光紅移 (Cosmological Redshift)  是有分別的，不過坊間書常把兩者混為一談。

*****  Doppler Redshift 「多普勒紅移」由天體的本身運動引起，物理課本已有交代。當天體以本身運動速度 v 沿視線方向逐漸遠離地球時，觀測到的星光譜必定是紅移，反之，天體接近地球時是藍移，所有光譜藍移的天體都是近距離的，例如仙女座 M31 星系，它距離地球 250 萬光年 (以大宇宙衡量只是極小的尺度)，觀測到的藍移值約為 0.001  (數學上則以 z = -0.001 表示，正 z 代表星光紅移或天體離開地球，負 z 代表藍移或走近地球)，這個 z 值相當於等效速度 v = -300 km/s。 M31 有藍移是因為鄰近的星系 (包括我們的銀河系) 都有引力互動作用，互動結果使 M31 走近地球。

紅移現象集中在幾億光年以上的遠天體，小部份則發生在距離不太遠的星系，例如 NGC4639，紅移 = +0.003，距離 0.7 億光年。某些在銀河系內的雙星系統 (binary systems) 和系外行星 (extrasolar planets) 也出現周期性的紅移和藍移。

*****  Cosmological Redshift 「宇宙學紅移」不是由天體的本身運動引起的，星光譜出現紅移是因為宇宙膨脹使各個星系群之間的空間擴大，空間擴大同時也把星光的波長 (wavelength) 拉長了，被拉長的份量便是現代宇宙學所說的 cosmological redshift。用「吹氣球」作比喻，球面貼上一些星形紙粒，當氣球越吹越脹時，各星粒之間的距離便擴大了，但是星粒本身沒有在氣球面上移動過，你可以想像膨脹中的宇宙猶如吹氣球 (但不等於氣球)，氣球面上星粒是天體。天體距離我們越遠，其所在的空間擴張速度也越大，所以極遠的天體 (幾十億光年以上) 都有很大的紅移，近年已知最大紅移是 z = +8.2，估計距離約為 130 億光年 = 95% 可見宇宙的半徑。 所有大 z 的天體空間都以近光速擴張，如果把大數值的 z 轉為天體距離，計算時便要借用相對論效應 (relativistic effect) 來修正，請參考筆者的舊貼文 #4
http://forum.hkas.org.hk/viewthr ... &extra=page%3D2

天體出現的退行現象又名為 Hubble Flow，中譯「哈勃流」，這名詞的用意相當巧妙，若果將來有朝一日發覺天體退行不是空間膨脹造成而是另有因由，Hubble Flow 的叫法仍然適用，只要把 Hubble Flow 不解作宇宙膨脹就是了。

當然，任可人有權拒絕宇宙膨脹、cosmological redshift、相對論等等的概念而接受「光衰變論」 (http://en.wikipedia.org/wiki/Tired_light )，後者在毛澤東時代曾被吹捧，不過時勢易移，「光衰變論」到今天已被絕大多數人放棄了，原因見 http://www.astro.ucla.edu/~wright/tiredlit.htm。

筆者認為宇宙膨脹論仍未完善，例如膨脹的基本機制還未一致認同，往後仍有一大段路要走，甚至將來有可能被大幅修正或被另一全新宇宙論代替也說不定，科學研究精神就是如此，不應被片面之詞、斷章取義、空談「想當然」、叫口號的言論左右。無可否認，宇宙膨脹是當今最具認受性的主流概念，如果你接受它 (即使暫時性也好)，你可理解如下：

觀測到的星光紅移 = 各種可能性的 紅移總和
= Doppler Redshift + Cosmological Redshift + Gravitational redshift (重力紅移) + 未知的 X 紅移...

在小宇宙尺度裡，以上各種紅移成份混在一起，直到現在仍然很難分辨出來 (強行分辨只會得出錯誤的結論，到處宣揚更會誤導他人)，不過在大宇宙尺度之下，Cosmological Redshift 佔的比重總是優先 (即是大於其他紅移成份很多倍)，Cosmological Redshift 成為主要控制因素，至於甚麼機制引致 Cosmological Redshift，那是另一個研究領域 (dark matter、dark energy 之類)，科學家還在努力找尋線索呢。

*****  另外有一點要澄清，就是陽光的紅化 Reddening，若把「紅化」說成「紅移」實在誤導之至。陽光本身由...紅橙黃綠藍紫...各種顏色合成，當太陽在低角度時，陽光的藍紫端成份被厚厚的大氣吸收或被散射至非視線方向，眼睛見到的紅橙光成份較多，結果陽光轉為紅橙色。當太陽升高後，藍紫端光波吸收減弱，同時也受到日間地熱和風力吹起的空氣塵粒散射，因為藍紫光波較紅橙光波更短，更容易被直徑大的塵粒 ( 1 micron 以上) 散射，結果整個天空變成藍色。這種散射方式叫 Rayleigh Scattering，與另一種散射方式 Compton Scattering 無關。

除了星光譜「紅移」之外，遠處的星光也有「紅化」現象。太空並非真空，其間的星塵和其他星際物質儘管很稀薄看不見，但仍有餘力吸收或散射通過它的短波段星光，星光到達地球時便偏紅了，紅化現象以銀河盤邊緣的星光最顯著。更遙遠的星光不是局部被紅化而是全段可見光被削弱 (英文叫 interstellar extinction 星際消光)，這時可見光段的望遠鏡漸漸失去效力，要動用紅外線或射電望遠鏡觀測了。星際消光是天文學內的大題目，足夠研究生取個博士。

Alan Chu

ps   這題目可 copy 或移至天文理論討論區 ?

[ 本帖最後由 mca 於 2009-6-11 11:45 編輯 ]