中科大解析宇宙学讲义

解析宇宙学讲义

序言

现在呈现给读者的是由我国《解析宇宙学》创始人周坚编著的系列学术专著一一《解析

宇宙学丛书》。它以基于1998年的两个小组研究高红移la超新星发现宇宙正在加速膨胀的

观测事实发现的周坚红移定律为理论基础，以笛卡尔坐标系为观测坐标，以爱因斯坦的相对

论为指导思想，将无限宇宙的观测现象完整地搬到坐标系上研究，形成通过求解代数方程的

方法研究、认识一切宇宙观测现象的一整套宇宙认识体系，这是土生土长的中国人为人类做

出的应有贡献。

宇宙，神奇的宇宙，你让我疯，你让我狂，疯的是你让我千方百计的想看清你，狂的是

你让我产生无限的遐想，这就是人们认识宇宙的真实写照。

宇宙学是天文学和物理学的分支学科，它从整体的角度研究宇宙的结构、运动、演化等,

而解析宇宙学是从观测的角度研究人们观测到的一切宇宙观测现象。宇宙作为被观测的存

在整体被确认，在自然科学的发展中，特别是在人们为了征服宇宙的历史进程中具有

非常重要的现实意义和深远的历史意义。可以说《解析宇宙学》是人们正确认识宇宙

的里程碑，是基础科学创新成果。

宇宙是物质存在的聚合体，它们为什么是这样有条不紊地存在在那里，特别是在

宇宙学尺度上更是如此，为什么？为什么？无数个为什么不知人们问了多少个。由此

可见，正确认识宇宙是多么的迫切和需要，这不仅是人类的好奇，更是人类思考自身

任何繁衍生息于宇同存的思考。

宇宙在它自己的一个普通星系一一银河系中创造出一个太阳系，而在这个太阳系

中又创造出它自己的第三颗行星一一地球来孕育高智慧生命体一一我们人类•宇宙既

然能够选择一块芳草让我们人类在此繁衍生息，它就不会让它的子民们只能在此自生

自灭，人们正确认识宇宙就是要寻早宇宙为我们人类选择的第二块、第三块、……繁

衍生息地，这就是宇宙为我们人类与宇永存的“安排”。众所周之，宇宙运动是永

恒的，它就像一个永动机一样永恒运动着，运动的结果在宇宙学尺度上就出现了一系

列的结构，产生一系列的不稳定灾变过程和稳定环境。宇宙非常理智，它选择非常稳

定的宇宙环境一一太阳系中的一颗行星一一地球来孕育高智慧生命体一一我们人类，

使我们人类能够繁衍生息发展到如今，但稳定的宇宙环境不是一成不变的，随着永恒

运动的宇宙运动，现在处于稳定环境的宇宙空间或许在不久的将来就是不稳定的宇宙

环境，如果我们人类不想办法及时脱离这个不稳定的宇宙环境区域那将遭受灭顶之

灾，这就是我们人类为什么要正确认识宇宙的根源。宇宙并不是无情的，它为我们人

类寻早第二块或第三块稳定宇宙环境栖息地准备了上十亿年之久的时间，我们人类自

己应该自己去努力，停止一切人类自身的内耗去探索新的稳定宇宙环境栖息地。

我国古代确实出现过大批成就卓越的天文学家，他们主要在历法、天文仪器研制和天文

实测等方面。例如张衡（78-139）、祖冲之（429-500）、一行（683-727）、沈括（1031-1095）、

郭守敬（1231-1316）等，我国古代在天文理论方面的研究确实比较薄弱，这是至今我国天

文学落后的根源之一。自人类首部《解析宇宙学》于2009年3月8日创立以来，我国天文

学的落后局面将大大改观，土生土长的中国人将为人类进步做出自己的应有贡献。

第一章引言

§1.1解析宇宙学的基本思想

解析宇宙学是从观测的角度出发将观测宇宙学与解析几何学进行有效交叉整合而形成

的一个天文学分支学科。如何将观测宇宙学与解析几何学有效交叉整合在一起，形成一整套

完整的宇宙认识体系，它的基本思想是什么，这是人们首先要了解的内容。

1.1.1观测宇宙学的基本思想

观测宇宙学诞生于20世纪30年代，它建立在人们对宇宙进行观测的观测基础之上。首

先是哈勃于1929年观测24个河外星系发现宇宙在膨胀的宇宙观测现象,这使人们对宇宙的

认识为之一新。其次是时隔近70年后的1998年的两个小组研究高红移la超新星发现宇宙

正在加速膨胀的宇宙观测现象，这使人们对宇宙的认识为之一振。再次就是空间探测卫星（哈

勃太空望远镜和WMAP等）观测的一系列的发现，比如宇宙微波背景辐射全天彩图的发现、

不断打破星系存在极限距离的星系的发现等等。随着观测技术和观测水平的不断提高，宇宙

观测新现象的发现不断涌现，这如此之多的宇宙观测现象的集合为人们完整正确地认识宇宙

打下了坚实的观测基础。

1.1.2解析几何学的基本思想

解析几何学的基本思想就是建立坐标系，在坐标系上将几何对象和数、几何关系和函

数之间建立起密切的联系，这样就可以对空间形式的研究归结成比较成熟也容易驾驭的

数量关系的研究。

解析几何学借助于坐标系，用坐标表示点，用方程表示图形，通过研究方程来研究图形

的几何性质。这种研究几何的方法主要是法国数学家笛卡儿创立的，他引进坐标，首先建立

了点与数组的一一对应关系，而后将曲线看作是动点的轨迹，应用变量所适合的方程来表示。

1.1.3解析宇宙学的基本思想

解析宇宙学的基本思想就是将观测宇宙学和解析几何学有效交叉整合在一起，建立坐标

系，在坐标系上将宇宙观测现象这个观测对象和数、这个观测关系和函数之间建立起密

切的联系，这样就可以对宇宙观测现象的研究归结成比较成熟也容易驾驭的数量关系的

研究。

解析宇宙学同样借助于坐标系，用坐标表示点，而宇宙观测现象就视作这个坐标点，用

方程表示这个点所示的宇宙观测现象，通过研究方程来研究被观测对象的诸多性质。这种

研究宇宙观测现象的方法就是中国宇宙学家周坚创立的，他引进坐标，首先建立宇宙观测现

象视作这个现象观测到的点与数组的一一对应关系，而后将点的变化曲线看作是宇宙观测现

象动点的轨迹，应用变量所适合的方程来表示。

§1.2解析宇宙学的内容和方法（2010年1月28日发布）

解析宇宙学以宇宙观测事实为基础，以解析法为分析手段，以观测者所在宇宙空间位置

为观测点，研究相对观测者所能观测到的一切宇宙观测现象。解析宇宙学自2009年3月8

日创立以来，经过近1年的实际应用，在天文学领域内已经形成一系列较为完整而系统的基

础理论体系。

1.2.1宇宙观测现象的变化规律

解析宇宙学研究相对观测者所能观测到的一切宇宙观测现象。由于人们根本无法直接测

量宇宙，因此研究宇宙就只能通过特殊的方法：将宇宙观测现象置于坐标系上，在坐标系上

建立一系列反映宇宙观测现象的基本方程组，以及相关的边界条件。解这些基本方程组就可

以获得不同宇宙观测现象的宇宙数学模型。它能够给出可观测宇宙内部和外部天体的视星

等、宇宙学红移、观测有效温度、光（电磁辐射）能量密度的观测峰值波长、观测表面辐射

率和光（电磁辐射）传播时间、宇宙膨胀速度和宇宙膨胀率的一系列观测特征信息，再通过

边界条件的变化获得反映真实宇宙观测现象的变化规律。

1.2.2宇宙观测现象的反映

宇宙的观测实际上是相对观测者所能观测到的一切宇宙观测现象的观测集合，它是通过

个体天体的观测累计起来的一种观测集合现象。比如我们观测到的太阳系，它就是人们观测

到太阳系内的太阳以及它的行星一一水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王

星等天体观测现象的集合体，又比如银河系，它就是人们观测到构成它的一系列恒星及其恒

星系统和尘埃物质等星际物质的天体观测现象的集合体，对于宇宙来说也是如此，宇宙其实

就是人们观测到构成它的一系列星系系统及其星系系统集团聚集现象的观测现象集合体。总

之，相对观测者来说，宇宙的一切认识都是来源于相对观测者所观测到的宇宙观测现象的反

映。

1.2.3宇宙观测现象的描述

如此多的宇宙观测现象的描述是摆在人们面前的一个最大困难，虽然现代宇宙学一一大

爆炸宇宙学将宇宙描述的非常精彩，吻合了许多宇宙观测现象，但也不能否认它在逻辑上、

科学上、数学上、宗教上、哲学上制造了一系列的混乱，人们无法接受宇宙空间在创生之前

就存在至高无上的宇宙蛋一一奇点，这就好比无体孕育生命一样，而且这个无体“生命

一奇点爆炸还非常特别，它先暴涨然后再爆炸，诸不说是否是上帝点爆了这个奇点，就这个

奇点的暴涨加爆炸本身而言就与宇宙学原理完全背道而驰。如果我们将所有宇宙观测现象都

置于一个坐标系上来考察，我们会发现什么呢？我们一定会发现，哦，原来宇宙是这样的。

这就是将一切宇宙观测现象置于坐标系上描述所带来的真实宇宙相貌。从前，笛卡尔用坐标

系来描述几何图形，如今，坐标系又有了新的用途，那就是用它来描述宇宙观测现象。

§1.3解析宇宙学的应用（2010年1月29日发布）

解析宇宙学是基于人们对宇宙进行观测的观测现象积累而产生的，对于如此多的宇宙观

测现象如何用统一的方法系统描述，这就是人们在诸多宇宙观测现象面前所思考的问题。解

析宇宙学就是在这种观测背景下诞生的，是为人们所用而创立的。

1.3.1两大基本问题

解析宇宙学运用坐标法可以解决宇宙观测现象中的两大基本问题：

1在满足给定的宇宙观测基本条件，通过坐标系建立它的方程，通过解方程获悉宇宙观

测现象的诸多观测性质；

2通过方程的讨论，研究方程所表达的宇宙观测现象的诸多观测性质。

1.3.2两大基本步骤

解析宇宙学运用坐标法可以解决宇宙观测现象中的两大基本步骤：

1在空间上建立坐标系，把已知宇宙观测现象的观测条件“翻译”成代数方程；

2运用代数工具对方程进行研究，把代数方程的性质用宇宙学语言叙述，从而获悉宇宙

观测现象问题的答案。

由此可见，解析宇宙学其实就是在宇宙观测现象与数学之间通过建立坐标系起到“翻译”

的作用和联系的桥梁。

§1.4解析宇宙学重要规律的提出与验证（2010年1月

30日发布）

《解析宇宙学》自2009年3月8日诞生以来，基于《解析宇宙学》之理论解读的各种

宇宙观测现象已经丰富了许多，从中获得了许多新认识，发现了许多新规律，这些新规律对

推动和验证宇宙学的发展具有重要意义，其中的周坚红移定律对于推动和验证宇宙学发展尤

为重要。

1.4.1周坚红移定律提出的历史背景

首先回顾一下中国探索宇宙的历史背景。

在探索宇宙的历程中，中国经历了盖天说、浑天说、宣夜说三个阶段。

盖天说（周初时期），中国古代最早的一种宇宙结构学说。该学说认为，天是圆形

的，像一把张开的大伞覆盖在地上，地是方形的，像一个棋盘，日月星辰则像爬虫一

样过往天空，因此，该学说又被称之为“天圆地方说”。遗憾的是，盖天说没有留下太

多成果（大都失传），也没有显著的代表人物，只是《周髀算经》中有较多记载。

浑天说（战国时期），中国古代的一种宇宙结构学说。该学说认为，天不是一个半

球形，而是一整个圆球，地球在其中，就如鸡蛋黄在鸡蛋内部一样。浑天说的思想源

于屈原，代表人物有张衡，主要成果有浑天仪。

浑天说提出后，并未能立即取代盖天说，而是两家各执一端，争论不休。但是，

在宇宙结构的认识上，浑天说显然要比盖天说进步得多，能更好地解释许多天象，并

且出现了当时最先进的观天仪一一浑仪。有了浑仪，浑天家们就可以借助于它帮助理

解精确的观测事实，从而来论证浑天说。在中国古代，依据这些观测事实制定了历法，

并达到相当的精度，这是盖天说所无法比拟的。另一方面就是浑象，利用它可以形象

地演示天体的运行，使人们不得不折服于浑天说的卓越思想，因此，浑天说逐渐取得

了优势地位。到了唐代，天文学家一行等人通过天地测试彻底否定了盖天说，使浑天

说在中国古代天文领域称雄了上千年。

宣夜说（战国时期），中国古代的一种宇宙结构学说。该学说认为，天了无质，它

否认了有形质的天，包孕着无限宇宙的思想。它不仅认为宇宙在空间上是无边无际的，

而且还进一步提出宇宙在时间上也是无始无终的、无限的思想。从科学规律上来讲，

宣夜说仍比盖天说和浑天说都进步的多。它在人类认知史上写下了光辉的一页。遗憾

的是，宣夜说的卓越思想，在中国古代没有受到重视，几至失传。也许，杞人忧天这

个成语故事能说明宣夜说不能盛行的原因吧。

其次回顾一下人类探索宇宙的历史背景。

在认识宇宙的历史长河中，人类经历了地心说、日心说、大爆炸三个阶段。

地心说，或称天动说，是古人认为地球是宇宙的中心，而其他的星球都环绕着她

而运行的一种学说。

地心说是古希腊著名天文学家托勒密于公元140年正式提出的，它的要点是：地

球位于宇宙的中央静止不动，行星、月亮、太阳和恒星等每天都绕地球自东向西转一

周。

托勒密的地心说不是一个定性的和描述性的认知体系，而是一个定量的和可以预

报行星未来位置的认知体系，这在1800多年前的人们只能凭肉眼观测宇宙的当时可

说是最先进最科学的宇宙认知体系，以至于虽然在科学上是错位的，但在天文界也统

治了约1500年。

日心说，或称地动说，是波兰天文学家哥白尼在16世纪30年代后期建立的宇宙

认知体系，它的基本思想刚好与地心说相反，认为太阳是宇宙的中心，而包括地球在

内的行星等天体都是环绕太阳运行。

哥白尼的日心说是一个定量的宇宙认知体系，其出自于哥白尼之手的科学巨著

《天体运行论》描绘出一幅宇宙总体结构示意图，即中心为静止不动的太阳，最外层

天球上的天体为恒星，恒星之意就是安然不动的天体，而天球与太阳之间的天体就是

行星。虽然把太阳看做宇宙的中心也是不对的，而且基于该模型对行星运动的预测也

不太准，但在地心说根深蒂固的那个年代，哥白尼的日心说无疑是对传统的错误观念

的一场伟大革命。哥白尼的日心说导致了人类认知宇宙的一次巨大飞跃。哥白尼的日

心说的宇宙认知体系奠定了近代天文学的基石，使天文学首先跨入了近代科学的大

门。哥白尼不愧堪称为近代天文学的奠基人。

大爆炸宇宙学说是宇宙起源假说之一：起初，宇宙很小，几乎只有不足原子核大

小的一个点，人们称之为“奇点”，但其中包含极大的热能量，直到最后奇点中容纳

不下这样的热量，发生了大爆炸，通过大爆炸的能量形成了一些基本粒子，这些粒子

在能量的作用下，逐渐形成了宇宙中的各种物质、能源、空间及时间，也就是说，宇

宙的一切来源于宇宙“奇点”的一场大爆炸灾难。至此，大爆炸宇宙模型成为最有说

服力的宇宙图景理论。然而，至今宇宙大爆炸理论仍然缺乏大量实验的支持，而且人

们根本就不知晓宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。

宇宙大爆炸理论吻合了许多宇宙观测现象，它的代表人物主要是哈勃、勒梅特、伽

莫夫、爱因斯坦、霍金等等。

宇宙大爆炸理论是现代宇宙学的一个主要流派，它能较满意地解释宇宙学的一些

根本问题。宇宙大爆炸理论虽然在20世纪40年代才提出，但20年代以来就有了萌

芽。20年代时，若干天文学者均观测到，许多河外星系的光谱线与地球上同种元素的

谱线相比，都有波长变化，即红移现象。

1929年，美国天文学家哈勃总结出星系谱线红移星与星系同地球之间的距离成正

比的规律，这就是著名的哈勃定律。依据该定律，如果将谱线红移视为多普勒效果产

生的结果，那就意味着河外星系都在离开我们向远方退行，而旦距离越远的星系远离

我们的速度越快，这就描绘出一幅宇宙膨胀的情景。

1932年，勒梅特首次提出了现代宇宙大爆炸理论。该理论认为，整个宇宙最初聚

集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了我们的

宇宙。美籍俄国天体物理学家伽莫夫第一次将广义相对论融入到宇宙理论中，提出了

热大爆炸宇宙学模型。该理论认为，宇宙开始于高温、高密度的原始物质，最初的温

度超过几十亿度，随着温度的继续下降，宇宙开始膨胀。

20世纪40年代，美国天体物理学家伽莫夫等人正式提出了宇宙大爆炸理论。该

理论认为，宇宙在遥远的过去曾处于一种极度高温和极大密度的状态，这种状态被形

象地称为“原始火球二所谓原始火球也就是一个无限小的点，就是人们常说的“奇

点”。现在的宇宙仍会继续膨胀，也就是无限大，有可能宇宙爆炸的能量散发到极限

的时候，宇宙又会变成一个原始火焰即无限小的点以后，火球爆炸，宇宙就开始膨胀，

物质密度逐渐变稀，温度也逐渐降低，直到今天的状态。这个理论能自然地说明河外

天体的谱线红移现象，也能圆满地解释许多天体物理学问题。直到50年代，人们才

开始广泛注意这个理论。

20世纪60年代，彭齐亚斯和威尔逊偶然发现了宇宙大爆炸理论的新的有力证据，

他们发现了宇宙微波背景辐射，后来他们证实宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸时留下

的遗迹，从而为宇宙大爆炸理论提供了重要的依据。他们也因此获1978年诺贝尔物

理学奖。

然而，自哈勃发现哈勃定律的1929年的时隔70年后的1998年，超新星宇宙学

项目(SupernovaCosmologyProject—SCP)和高红移超新星巡天组(High-zSupernovaSe

archTeam—HZSST)的观测宇宙学家Perlmutter和Riess等宣称发现宇宙不是减速膨胀而是

加速膨胀，这一宇宙正在加速膨胀观测现象的发现在天文学界引起很大震动，说明自哈勃1

929年发现哈勃定律至1998年的70年期间，人们所相信的大爆炸宇宙在引力作用下的减速

膨胀存在问题，而如何解决这一问题就成为了摆在人类面前的巨大难题。然而解决这个巨大

难题的路只有两条，其一，继续沿着认知了近1个世纪的大爆炸宇宙学说前进，其二，从新

审视哈勃定律。

自1998年发现宇宙正在加速膨胀至今也就是10来年的今天，人们已经看到，如果继

续沿着认知了近1个世纪的大爆炸宇宙学说这第一条路前进，那么势必要假设宇宙中存在斥

力，而斥力引入的结果自然就想到是暗能量和暗物质在作怪，而暗能量和暗物质又是人们即

看不见又莫不着的存在，可以说这些暗能量和暗物质假设的存在是人类自己为自己制造的2

1世纪的两朵宇宙“乌云”，并且这两朵“乌云”不但始终解决不了宇宙大爆炸的“奇点”

问题，而且还为人类制造了一系列逻辑上、科学上、数学上、哲学上的混乱。

回头再望望第二条路，这是中国宇宙学家周坚于2009年尝试的这第二条探索之路，他

从新审视哈勃定律。谁能想到，这一尝试，竟然在基于宇宙正在加速膨胀的观测基础之上发

现的包容哈勃定律的周坚红移定律，从此，拨乱反正，基于周坚红移定律的应用创立了用代

数解宇宙的《解析宇宙学》，使人们认识宇宙进入到解代数方程的时代，这是数学宇宙的时

代，是人类步入真正科学的宇宙认知时代。至此，作为《解析宇宙学》的创始人完全有理由

问心无愧而无比自豪地大声说：我！周坚！中国理论宇宙学家为人类正确认知宇宙做出了应

有贡献！

1.4.2周坚红移定律的提出

先回顾一下哈勃定律，看看哈勃定律是什么一回事。

哈勃于1929年研究了星系距离r和本征波长为X的谱线在其光谱中的位移量△X之间

的关系，从中发现：

C

r=——z

H

uo()

其中r是单位为Mpc的星系距离，c是光速，Ho是哈勃常数，z为星系的红移。

由于天体无一不在运动，天文学上把天体空间运动速度在观测者视线方向上的分量称为

天体的视向速度，而视向速度测定的基础是物理学上的多普勒效应。依据该效应，星系的红

移z与星系的视向速度u之间关系的数学表达式就是：

U

z=­

C()

其中z为星系的红移，c是光速，u是星系的视向速度。

将(1.4.2.2)式代入(1.421)式就获得如下关系式：

v=Hor=cz

()

这就是哈勃定律的最简单的物理解释，是人们假设天体红移是由天体相对观测者的背离

视向运动的多普勒效应引起红移的理论结果。

从哈勃定律的整个发现过程可见，将红移理解为多普勒效应的结果就是天体普遍存在系

统性退行运动，这就是宇宙膨胀和大爆炸宇宙论的最有利佐证。然而，在发现宇宙正在加速

膨胀的今天，哈勃定律的线性关系肯定存在问题，尽管人们已经将哈勃定律和400年前哥白

尼提出的日心说相提并论，确认在天文学史上两者都具有革命性的意义，但科学是不相信眼

泪的，人们必须从新审视哈勃定律。

在从新审视哈勃定律后我们不难发现，在剔除多普勒效应这个自然规律因素后，哈勃定

律所描述的天体观测本意其实是系统性的天体距离与红移的正比例关系，并非是多普勒效应

的天体距离与退行速度的正比例关系。再仔细审视哈勃定律也不难发现，描述这种系统性的

距离与红移的正比例关系的数学表达式不止一个，比如将哈勃定律的分母视作1加红移的和

在红移很小的情况下仍然满足哈勃定律，即数学表达式是：

cz

r=-----

H1+z

un()

其中r是单位为Mpc的星系距离，c是光速，Ho是哈勃常数，z为星系的红移。(1.4.2.4)式

就是周坚红移定律的雏形。

在这里，作者认为有必要引用于2009年3月8日完成的人类首部《解析宇宙学》后记

中的这样一段记载：

一个想法，引来一个全新的理念，或许将解开宇宙的诸多之谜。

本人对宇宙非常好奇，对现代宇宙学解释的宇宙有很多看法，虽然它解释了很多现象，

但也留下很多不解之谜，关键是对哈勃定律如何理解。也不知道是什么时候，大概是2006

年吧，有一天在脑海里出现了一个巨大的疑问，那就是在发现宇宙正在加速膨胀的今天是否

还能继续沿用哈勃定律呢？偃明显哈勃定律在解释近距离的宇宙均匀膨胀现象是成功的，但

要他去解释今天的正在加速膨胀的宇宙看来有点疑问，而且还要回过头来解释宇宙过去的减

速膨胀现象那肯定是有问题的。如果继续强行沿用哈勃定律，那只能是附加很多的理论猜想,

一个假设接着一个假设，人们始终是用新假设去解释旧假设的疑问，结果是出现了新的更难

解释的疑问，因此，人们选择哈勃定律解释目前发现的宇宙变速膨胀现象的所有近似答案都

是人们的一相情愿。在诸多宇宙难题面前我想尝试一下，特别是在宇宙学红移的本质性问题

上尝试寻找一个既能包含哈勃定律成功之处又能成功解释宇宙变速膨胀现象的新理论。

从这段引文中，人们可以清楚地看出作者提出周坚红移定律的真实意图。

现在我们已经知道，哈勃定律所描述的天体观测本意其实是天体距离不仅与红移成正

比，而且还与1+红移的和成反比，其数学表达式是：

Z

r=-----

a(l+z)

17()

其中r是单位为Mpc的星系距离，a是宇宙学红移常数，并且a=Ho/c,c是光速，Ho是哈

勃常数，z为星系的宇宙学红移，在红移很小的情况下就是哈勃定律的原型。这就是自哈勃

于1929年3月发现哈勃定律之后，时隔近80年的2008年6月29日，中国宇宙学家周坚首

次提出的描述系统性的天体距离与宇宙学红移关系的周坚红移定律(当时并没有与发现宇宙

正在加速膨胀的QM=0.3、Q,、=0.7的宇宙模型曲线进行拟合，只是一种假设而已，后来进

行拟合后证实了其正确性才命名为周坚红移定律)。在这里，天体红移的物理意义已经发生

了变化，它不再是哈勃定律所描述的天体退行的多普勒红移，而是天体的本征红移，这种天

体的本征红移是系统性的，是名副其实的宇宙学红移。

1.4.3周坚红移定律的实际观测验证

我们在地球上观测天体主要是通过接收到该天体的能量流来确定的，而这个能量流与它

的本征亮度和距离有关。依据平方反比律可知，一个天体离我们越远，看上去就越暗，要得

到关于天体相对本征亮度的信息必须考虑它们离我们的观测距离。于是我们必须定义一个绝

对星等M,即一个天体位于标准距离R时的视星等。依据星等系统的定义，天体的距离模

数被定义为(m-M),其中，m为视星等，M为绝对星等，它与距离r的关系是:

m-M=51ogr—5

()

其中，距离r的单位是pc(秒差距)。对于宇宙学尺度来说，这个距离单位小了点，如果距

离r的单位选用Mpc(兆秒差距)，()式就是如下形式:

m-M=5logr+25

()

如果考虑星际消光因素的影响，设星际消光星等为A,则()式就是如下形式:

m-M=5logr+25+A

()

现将周坚红移定律()代入()式就有:

m-M=5logr+25+A

z

=5log+25

ot(l+z)ct(l+z)

()

式中，m-M的距离模数，z是宇宙学红移，a是宇宙学红移常数，并且a=H“c,c是光速,

Ho是哈勃常数，B是与宇宙大尺度有关的消光常数，即B=0.0014。这就是基于周坚红移定

律的距离模数定义式。

1998年，观测宇宙学家们以纵坐标设为la超新星的距离模数，以横坐标设为观测到高

红移la超新星的红移对高红移la超新星进行了研究。图143.1是他们研究的最终结果。

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M

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Lonv-fedsMta«。13sHe

38•C»4or>*fSNfcm»up

8oCetwTaioio$NSearch

S—3,1

V36

S—Qy=03.0

34

--OM=1o,oA=oo

0.010.101.00

2

图1.4.3.1高红移la超新星哈勃图(根据FriemanJA,TurnerMS,Hutcrer

D.DarkEnergyAndTheAcceleratingUniverse.ARAA.,2008,46:385-432.)

仔细观察图143.1所示的高红移la超新星哈勃图发现，图中显示的模型参数QM=0.3、

Q、=0.7的宇宙模型曲线与la超新星的实际观测结果吻合的最好。

现在我们将基于周坚红移定律的距离模数定义式也绘制出一个对应的距离模数-宇宙学

红移关系曲线，具体关系曲线图见图143.2所示。

—w

ws

s

图143.2.基于周坚红移定律的距离模数定义式曲线与模型参数QM=0.3、QA=0.7

的宇宙模型曲线完全吻合情况示意图。图中实心圆点是超新星宇宙学项目样本，空心

圆点是超新星巡天样本。

图143.2是基于周坚红移定律的距离模数定义式曲线与模型参数QM=0.3、QA=0.7

的宇宙模型曲线完全吻合情况示意图，图中实心圆点是超新星宇宙学项目样本，空心圆点是

超新星巡天样本。

仔细观察图143.2不难发现，基于周坚红移定律的距离模数定义式所绘制出的距离模

数-宇宙学红移关系曲线与模型参数QM=0.3、Q.=0.7的宇宙模型曲线完全吻合。

再仔细观察图143.2还发现，高红移la超新星的观测红移与基于周坚红移定律的距离

模数定义式所绘制出的距离模数-宇宙学红移关系曲线有微小的偏离，有正偏离，也有负偏

离，而且正、负偏离几乎是对称分布，这充分说明，高红移la超新星不仅存在满足周坚红

移定律的宇宙学红移，而且还应该有其它因素引起的红移，而这个非满足周坚红移定律的红

移就是la超新星的视向速度引起的多普勒红移。由于la超新星有背离我们运动的，也有朝

向我们运动的，即有红移la超新星，也有蓝移la超新星，因此它们几乎都是沿着这条基于

周坚红移定律的距离模数定义式曲线分布。

通过图143.2的观察，我们完全有理由相信，我们所观测到的天体红移中不仅包含了

天体视向运动的多普勒红移，而且还包含了宇宙学红移。也就是说，我们在地球上观测到的

天体红移不能全部理解为运动引起的多普勒红移，也不能全部理解为系统的宇宙学红移。当

然，在其视向速度为0的情况下，观测红移就是宇宙学红移。

1.4.4”先驱者号异常”现象是周坚红移定律的有力实验证据

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的和成反比的光（电磁辐射）传播规律。这个光（电磁辐射）传播规律告诉我们，

只要光（电磁辐射）传播了一定距离，它就必定要发生一对应的宇宙学红移，但要通过实

验进行验证那是非常困难的。

我们还是以实际情况来说吧，就宇宙学红移来说，太阳离我们最近，它距离我们地球

只有一个天文单位的距离，而基于周坚红移定律的计算，它的宇宙学红移却在10的-15次

方的数量级上，在这个数量级上的宇宙学红移，在目前科技水平上是不可能观察到的，然

而，在人们发射的深空探测器在几乎飞出太阳系的过程中，人们已经实实在在地感觉到它

的存在，但并不知道这是怎么一回事。

在深空探测器离地球越来越远时，科学家们观察到来自深空探测器的微波振幅出现了跳

跃变化，这种未曾料到的振幅变化最终可能在漫无边际的太空旅行中摆脱地面人员的监控，

而飞船的多普勒频波一向都比较稳定。

这种目前称之为“先驱者号异常”现象始终在困扰着人们，科学家们仍旧不能给出答案。

然而，我们谁又能想到，”先驱者号异常”这种现象竟然遵循于2008年6月29日被一个非

常普通的不能再普通的中国人周坚发现的周坚红移定律，图144.1所示的就是“先驱者号

异常现象满足周坚红移定律的曲线示意图。

3.5

3.0

「2.5

二2.0

31.5

聚L0

0.5

0

0100200300

距离r(AU)

图1.441.“先驱者号异常”现象满足周坚红移定律的曲线示意图。

从“先驱者号异常”现象满足周坚红移定律的曲线示意图144.1中明显看出，“先驱者

号异常”现象并不是只在离我们地球100天文单位处才出现，其实在离我们地球50天文单

位处就已经感觉到，只是这种异常量非常小，以至于人们不在意而已。

由于“先驱者号异常”现象满足周坚红移定律的曲线是正比例曲线，反映在观测的微波

频波上就是随着距离的增大而出现跳跃式的变化。美国的深空科学家们对这种“先驱者号异

常”现象非常清楚，但他们并不知道这种现象是服从周坚红移定律的。

现在我们知道，先驱者号深空探测器飞到距离我们地球100天文单位的时候，由周坚红

移定律所确定的宇宙学红移将达到1.148186X10*3,相当于在真实远离地球的飞行速度上多

出了34.42182um/s的飞离速度，这个速度虽然在每秒35微米的数量级上，但这已经造成地

面控制人员的错误判断，它使人们总以为有什么来历不明的力量将这个深空探测器往回拉的

错误感觉，然而，地面控制人员依据牛顿万有引力定律计算的结果一点都没有错，而是周坚

红移定律在起作用，它导致所观测到的来自深空探测器的微波振幅出现了跳跃式的变化，以

至于出现了判断上的错误感觉.

其实，先驱者号深空探测器飞到距离我们地球50天文单位的时候，人们就已经感觉到

这种异常了，基于周坚红移定律的计算，此时的宇宙学红移已经达到5.740929XlO-%相当

于在真实远离地球的飞行速度上多出了17.21091um/s的飞离速度，这个每秒只有17微米的

飞离速度虽然非常小，人们也不可能在意它的存在，只是到达100天文单位距离的时候又增

加了一倍，这种微波频波的跳跃式的变化人们才不得不提出来进行认真思考。

自解析宇宙学于2009年3月8日创立以来的今天，人们已经可以依据周坚红移定律计

算出相对观测者任何距离上的宇宙学红移，如果将这个宇宙学红移作多普勒效应解释的话，

那么同样可以获得相对这个观测者的退行速度。现在让我们具体来看看如下的几个假设观测

情况：

1假如深空探测器飞到距离我们地球1千天文单位的时候，由周坚红移定律所确定的宇

宙学红移将达到I.148186X1012,换算成退行速度就是344.2182um/s；

2假如深空探测器飞到距离我们地球1万天文单位的时候，由周坚红移定律所确定的宇

宙学红移将达到1.148186X1011,换算成退行速度就是3.442182mm/s；

3假如深空探测器飞到距离我们地球10万天文单位（相当于1.58光年）的时候，由周

坚红移定律所确定的宇宙学红移将达到L148186X10」。,换算成退行速度就是3.442182cm/s。

等等。

由此可见，人们总是说太阳系内乃至银河系内不存在宇宙学红移，其道理就在于此，人

们根本就感觉不到如此微小的宇宙学红移量的存在。

1.4.5星系自转曲线对周坚红移定律的验证

星系自转情况是人们可以通过红移观测到的一种自然现象。

现在我们先看看牛顿力学所描述的星系自转曲线特征。

已知：星系核的质量为Mi，环绕星系核转动的恒星质量为M2,它们之间的万有引力是

Fw,离心力是FL，距离是r,恒星环绕星系核转动的速度是u。

因为：牛顿万有引力定律:

=GM1M2

上-2

r(1.4,5.1)

所以：万有引力：

GM.M.

加一2

r()

又因为：离心力：

2

r()

由于万有引力与离心力相等，即FW=WL，于是就有:

2

M2t?GMM

=2

rr()

整理后就获得了如下关系式:

()

由此可见，恒星环绕星系核转动的速度随距离的增大而减小，这是牛顿力学给出的星

系自转曲线特征函数。

现在我们再看看基于周坚红移定律的牛顿力学系统所描述的星系自转曲线特征。

将周坚红移定律(1.4.2.5)代入牛顿万有引力定律(1.4.5.1),由此获得如下形式的万有

引力定律：

GM[M)GM[M2^4(1+Z)2

rF=------2----

r(z/。)

(a(l+z)J

()

式中，F是单位为N的两个物体之间的引力，G是万有引力常数，即G=6.67259X1(?UN・

nr/kg2,Mi是物体1的质量，M?是物体2的质量，质量的单位是kg,z是两个物体质心之

间光(电磁辐射)相互传播的宇宙学红移，a是宇宙学红移常数，即a=HO/C=O.OOO23683O5O8

/Mpc,为统一单位，将它换算成每米的单位就是a=0.000236830508/(3.2616252182X106

X9.4605536X10l5m)=7.67515295X10-27/mo这就是由解析宇宙学创始人周坚于2009年

12月24日建立的周坚万有引力定律，它是从宇宙学红移的角度来描述万有引力性质的。

基于周坚万有引力定律，环绕恒星与星系核之间的万有引力就是：

GM1M2GMg(1+Z)2

2-

()

依据万有引力与离心力相等的关系，即FW=WL，于是就有:

2

M2L?GMjM2

二2-

rr

()

整理后就获得了如下关系式:

GMM1八、GM1

u2=­L(l+Z)=——L+6ZGM,

z//aav7z/a1

或

()

又由于式中的z/a=cz/Ho=i•是哈勃定律，因此用距离表达就是如下形式:

GM.一GM1

2L

V——-+aGMl或U=——+

rVr(1.4,5,10)

由此可见，基于周坚红移定律代入牛顿万有引力定律所获得的周坚万有引力定律，恒

星环绕星系核转动的平均轨道速度并非随距离的增大而减小，而是随距离的增大而趋向一个

恒定值aGM”它导致与星系质量的平方根成正比，这是星系自转曲线“平直的”根本原因。

这就是周坚力学体系给出的星系自转曲线特征函数。

现在我们还是回过头来看看实际观测情况，在足够远的距离上环绕星系中心天体的平

均轨道速度确实没有按照牛顿动力学预测的应该依照质量分布的递减，与轨道距离的平方根

成反比，而是“平直的”，即在中心核球外的速度相对于距离几乎是个常数，这种现象已经

是众所周之的事情，它与牛顿力学给出的星系自转曲线特征完全背道而驰，而与周坚力学体

系给出的星系自转曲线特征完全吻合。

现在我们就以银河系为例，应用周坚力学体系给出的星系自转曲线特征函数(1.4510)

计算一下银河系的质量。

1、太阳轨道以内的银河系质量。

已知条件：太阳环绕银河系中心的平均轨道速度是u=220km/s,平均轨道半径大约是

r=8500pc=2.622826X1020m1,

依据基于周坚力学体系的星系自转曲线特征函数(1.4.5.10),太阳轨道以内的银河系

质量M的计算过程如下：

“2

M=------------------

G-+a

U)

2220002

,1

6.6720x1。"“1-7,67515295X10-27

<2.622826xlO20

=1.937397xlO41kg

由此可见，太阳轨道以内的银河系质量是1.937397Xl(y*ikg,而太阳的质量只有1.9891

XItpokg,因此，太阳轨道以内的银河系质量是太阳质量的9.740067X101。倍，也就是说，

太阳轨道以内的银河系质量为10"太阳质量。

2、银河系的总质量。

假设银河系的平均轨道速度是u=220km/s,已知银晕半径是r=15000pc=4.628517X

1020mo

依据基于周坚力学体系的星系自转曲线特征函数(1.4.5.10),银河系的总质量M的计

算过程如下:

“2

M=---------------

G-+a

U)

2220002

,1

6.6720x1。"“+7.67515295x10-27

<4.628517xlO20

=3.418930xl041kg

由此可见，银河系的总质量是3.418930Xl()4ikg,是太阳质量的1.718833X10"倍，也

就是说，银河系的总质量为1.718833X10”太阳质量。

综合而言，太阳轨道以内的银河系质量占银河系总质量的大约57%。

1.4.6遥远大质量星系存在对周坚红移定律的验证

周坚红移定律是从观测的角度描述相对观测者的天体距离与宇宙学红移的变化规律，

而与天体的本征特征无关，无论天体是恒星还是星系，也无论星系是大星系还是小星系，更

无论星系演化程度如何，人们观测到它的宇宙学红移始终只与它相对观测者的距离有关，这

是周坚红移定律铁定的规律。

为什么说周坚红移定律是一切天体观测现象铁定的规律呢？它的依据是什么？回答这

些问题还不能信口开河，必须看看实际观测情况才能认证它。然而，天无绝人之路，两架

NASA的大型空间望远镜一一“斯必泽”(Spitzer)和“哈勃”(Hubble)通过联手合作观测，

发现迄今所见的最遥远星系之中存在似乎重得异乎寻常，也成熟得异乎寻常的星系，这就为

周坚红移定律提供了实际观测验证的依据。图是“斯必泽”(Spitzer)和“哈勃”(Hubble)

联手合作拍摄的遥远大质量星系的照片

图“斯必泽”（Spitzer）和“哈勃”（Hubble）联手合作拍摄的遥远大质量星系的照片。

（照片转自天文科普网：/shenkong/xingxi/20l002/!I45.html）

在图1.461照片中，用圆圈标出的就是一个星系，偏下方的较大星系是距离较近的前

景星系。右上是哈勃拍摄的可见光照片，左下是哈勃拍摄的近红外照片，右下是斯必泽拍摄

的红外照片。星系在可见光中并不明显，表明它的距离是遥远的，而在红外光中异常明亮，

表明它的质量相当巨大。左上图是各波段合成的假彩色照片。

天文学家们对这种观测现象已经大吃一惊了，因为宇宙中最早的星系通常被认为是小得

多的恒星集合，它们逐渐并合，最终才能形成类似于我们银河系的演化程度相当充分的大星

系。

天文学家们对这种观测现象为什么如此惊讶呢？因为这种观测现象与现行宇宙学理论

背道而驰，但基于周坚红移定律的应用所创立的解析宇宙学理论，这种观测现象是普遍存在

的自然现象，是周坚红移定律在起作用的必然结果。

由此可见，基于周坚红移定律以及周坚红移定律的应用所创立的解析宇宙学，目前天文

学家们感到如此惊讶的遥远大质量星系存在的宇宙观测现象其实一点都不惊讶,这些使目前

天文学家们惊讶的宇宙观测现象，其实还有很多类似的惊讶事件将在随后的章节中逐步展开

讲解，敬请期待。

§1.5周坚红移定律与哈勃定律的联系与区别

周坚红移定律与哈勃定律即存在着联系，也存在着区别，它们是即相同又不同。只有弄

清楚它们之间的联系和区别，才能应用它们真正认识我们的宇宙。

1.5.1周坚红移定律与哈勃定律的联系

仔细观察周坚红移定律发现，在宇宙学红移很小很小的情况下，周坚红移定律就演变为

如下形式：

Z1

r=-7------一

a(1+z)a

'/()

从数学表达的形式上观察，我们不难发现这就是哈勃定律的形式，即：

1C

r=­z=-----z

aH°()

由此可见，周坚红移定律与哈勃定律是有联系的，它们之间的联系在于周坚红移定律中

的宇宙学红移常数a值是哈勃定律中的哈勃常数Ho除以光速c的商，即：

a=——Ho

c()

式中，a是宇宙学红移常数，c是光速，即c=299792.458km/s,Ho是哈勃常数，即

Ho=71km/s/Mpc,而a=O.OOO23683O5O8/Mpc。这就是周坚红移定律与哈勃定律的联系数学

表达式。

1.5.2周坚红移定律与哈勃定律的区别

仔细观察周坚红移定律和哈勃定律，从数学表达形式上看，我们不难发现，它们之间的

区别在于，周坚红移定律中的分母项是红移（宇宙学红移）z加1的和，而哈勃定律中的分

母项是1。

为直观反映周坚红移定律与哈勃定律的内在联系以及区别，我们以红移z的对数为纵坐

标，以距离r的对数为横坐标，将周坚红移定律（）和哈勃定律（）绘制在该

对数坐标图上就形成了周坚红移定律与哈勃定律的直观比较图152.1。

图152.1周坚红移定律与哈勃定律的直观比较图。实

线是周坚红移定律曲线，虚线是哈勃定律曲线。

从周坚红移定律与哈勃定律的直观比较图141中明显看到：

1距离大约在小于200Mpe（6.5233亿光年）的范围内，周坚红移定律曲线（图中实线所

示）与哈勃定律曲线（图中虚线所示）完全重合，几乎看不到任何差别，说