周堅定律：慶祝發(fā)現(xiàn)四周年

文/周堅/2012年6月29日

【核心提示】四年前的今天，家住中國南疆的廣西柳州市柳北區(qū)柳長路611號的市民——周堅，他創(chuàng)造了一個奇跡，他以他那極其敏銳的洞察力，基于1998年的兩個小組發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹的那個超新星哈勃圖，通過進一步的深入研究，從中發(fā)現(xiàn)了周堅定律。四年來，周堅定律已經(jīng)完善了許多，為慶祝發(fā)現(xiàn)周堅定律四周年，他將它的完善情況詳細地向大家做個匯報，無論如何，這是一個前無古人后無來者的歷史性發(fā)現(xiàn)，這是我們土生土長普通中國人的創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)。

一：簡介

2008年6月29日，周堅基于大爆炸宇宙學(xué)理論完成了一部《精確膨脹宇宙學(xué)》個人專著，它標志著光（電磁輻射）在傳播過程中的傳播距離與周堅紅移成正比，與周堅紅移加1的和成反比的自然規(guī)律被正式發(fā)現(xiàn)。

周堅定律（Zhou Jian's Law）反映出來的物理意義是光（電磁輻射）在傳播過程中的傳輸波長隨傳播距離增大而有規(guī)律地向紅端位移，說明來自遙遠星系光線的紅移不僅存在多普勒紅移，而且還存在周堅紅移。

在宇宙學(xué)研究中，周堅定律成為用代數(shù)方法（解析法）來解決宇宙問題的《解析宇宙學(xué)》（著作權(quán)登記號：2009-A-020687）的理論基礎(chǔ)，周堅紅移——距離的一一對應(yīng)關(guān)系能夠讓我們通過觀測星系的紅移來確定它的相對距離。

在宇宙力學(xué)研究中，周堅定律在力學(xué)中的直接應(yīng)用推演出周堅萬有引力定律，它標志著星系之間相互吸引的萬有引力與光（電磁輻射）的傳播特征有關(guān)，萬有引力與周堅紅移關(guān)系能夠讓我們通過觀測星系的紅移來確定它們之間的相互吸引力。周堅萬有引力定律是解決宇宙力學(xué)問題的宇宙力學(xué)或宇宙動力學(xué)的理論基礎(chǔ)，而當距離很小的時候，用周堅紅移表達的萬有引力就與用距離表達的萬有引力在數(shù)值上高度一致，即牛頓萬有引力定律與周堅萬有引力定律所表達的萬有引力特征完全一致。

二：定義

光（電磁輻射）在傳播過程中的傳播距離與周堅紅移成正比，與周堅紅移加1的和成反比。這個周堅紅移——傳播距離關(guān)系在2008年由中國天文學(xué)家周堅發(fā)現(xiàn)，稱為周堅定律或周堅效應(yīng)。在宇宙學(xué)研究中，周堅定律成為應(yīng)用代數(shù)方法（解析法）來解決宇宙問題的解析宇宙學(xué)的理論基礎(chǔ)。但在實際觀測中，星系的紅移不僅包含周堅紅移，而且還包含多普勒紅移，這為我們精確確定星系距離帶來一些困難，不過我們能夠通過先忽略多普勒紅移，即將觀測到的星系紅移全部視作周堅紅移來精確確定一個稱之為標準距離的距離，然后再考慮多普勒紅移的實際影響，星系的真實距離就在這個標準距離的附近，它的距離由此就被推算出來。

三：發(fā)現(xiàn)

圖1  探索中的周堅定律發(fā)現(xiàn)者

圖2 發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹的超新星哈勃圖[Riess et al. 1998, Perlmutter et al. 1999]

在圖2所示的Perlmutter 等人1998年發(fā)表的發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹的超新星哈勃圖中，與高紅移Ia超新星分布最佳吻合的模型參數(shù)Ω_M＝0.28、Ω_Λ＝0.72的理論曲線所對應(yīng)的關(guān)系式是相當復(fù)雜的，這種在（FRW）標準宇宙學(xué)模型下的相當復(fù)雜的星等與紅移關(guān)系式是否能夠用一個簡單關(guān)系式來取代呢？周堅大膽提出一個非常簡單的星等與紅移關(guān)系式是：

       （1）  

其中，α和β都是待確定的常數(shù)，它們的單位都是/Mpc（每兆秒差距）。

在這個非常簡單的星等與紅移關(guān)系式（1）中，周堅發(fā)現(xiàn)對α和β這兩個待確定的常數(shù)進行調(diào)整會使它的理論曲線隨調(diào)整而發(fā)生變化，隨著不斷的調(diào)整嘗試進一步發(fā)現(xiàn)，當α和β這兩個待確定的常數(shù)調(diào)整到恰到好處的時候，它的理論曲線會恰到好處地與高紅移Ia超新星分布最佳吻合的模型參數(shù)ΩM＝0.28、ΩΛ＝0.72的理論曲線靠攏，當將α調(diào)整到0.00023683050759/Mpc，β調(diào)整到0.00128/Mpc的情況下，關(guān)系式（1）的理論曲線就與高紅移Ia超新星分布最佳吻合的模型參數(shù)ΩM＝0.28、ΩΛ＝0.72的理論曲線吻合。圖3就是吻合結(jié)果圖。

圖3 周堅擬合的超新星哈勃圖

仔細觀察這個非常簡單的星等與紅移關(guān)系式（1）發(fā)現(xiàn)，在其中存在一個公共關(guān)系項z/α(1+z)，這個不僅與紅移z成正比，而且還與紅移加1的和（z+1）成反比的公共關(guān)系項的物理學(xué)意義是什么呢？依據(jù)距離模數(shù)定義式的物理意義，它就是距離，這個距離不僅與紅移z成正比，而且還與紅移加1的和（z+1）成反比，這就是周堅發(fā)現(xiàn)的Perlmutter 等人1998年發(fā)表發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹的距離與紅移的關(guān)系式：

         （2）

其中，r是單位為Mpc的距離，z是與宇宙大尺度有關(guān)的紅移，α是紅移常數(shù)，即α=0.00023683050759 /Mpc。圖4是發(fā)現(xiàn)周堅定律的超新星哈勃圖

圖4  發(fā)現(xiàn)周堅定律的超新星哈勃圖

四：公式

    周堅定律（Zhou Jian's Law）：

參數(shù)說明：

r：光（電磁輻射）傳播的距離（Light （Electromagnetic Radiation） Propagation Distance） 單位：ly（光年）

Z₀：周堅常數(shù)（Zhou Jian's Constant），即Z₀=13，771，980，862.5685 ly（光年）,其物理意義是光（電磁輻射）傳播的極限傳播距離，說明任何光（電磁輻射）的傳播都不可能無休止地傳播到無限遠。

z_z：周堅紅移（Zhou Jian's Redshift），其物理意義是光（電磁輻射）在傳播過程中的傳輸波長隨傳播距離增大而有規(guī)律地向紅端位移的相對變化量。

五：關(guān)系

周堅定律只與星系的兩個參數(shù)有關(guān)，即光（電磁輻射）傳播的距離r和周堅紅移z_z，只要能夠確定其一，就能獲知其二。

在實際觀測中，我們確實能夠直接觀測到星系的紅移，但在這個直接觀測到的紅移當中存在兩種產(chǎn)生機制完全不同的紅移，即由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的多普勒紅移和由周堅效應(yīng)產(chǎn)生的周堅紅移（在特殊宇宙環(huán)境中還存在引力紅移，這是特殊天體如中子星等天體才明顯顯現(xiàn)的紅移，為使宇宙問題簡單化，在一般情況下我們可以忽略不計），為了區(qū)分這兩種紅移，我們用加腳注“d”和“z”來區(qū)分由多普勒效應(yīng)引起的多普勒紅移z_d和由周堅效應(yīng)引起的周堅紅移z_z，而我們所觀測到的紅移就用加腳注“g”的方法來表示，稱之為觀測紅移z_g，它們之間的關(guān)系式就是z_g=z_z+z_d。由于周堅紅移可以達到無窮大，因此，在宇宙中我們能夠觀測到非常大的紅移，從理論上講，我們能夠觀測到無窮大的紅移。當我們將觀測紅移z_g全部視作由多普勒效應(yīng)引起的多普勒紅移z_d來研究宇宙的時候，由此就出現(xiàn)了大爆炸宇宙學(xué)，然而，當我們將觀測紅移z_g全部視作由周堅效應(yīng)引起的周堅紅移z_z來研究宇宙的時候，由此就出現(xiàn)了一個精確確定星系距離的標準距離，當我們同時考慮這兩種紅移的時候，解析宇宙學(xué)就由此出現(xiàn)了。

在實際觀測中，距離的觀測是最關(guān)鍵的。由于星系的距離極為遙遠，三角視差法對此已經(jīng)失效，并且還存由天體相對運動所帶來的系統(tǒng)性誤差，這是我們無法通過自身努力來克服的誤差，因此我們必須另辟蹊徑。

在發(fā)現(xiàn)周堅定律的簡單距離模數(shù)定義式中，我們發(fā)現(xiàn)距離模數(shù)與距離存在直接的對應(yīng)關(guān)系，只要我們確定了距離模數(shù)，星系的距離就由此確定。在距離模數(shù)中只有兩個參數(shù)，即視星等mv和絕對星等Mv，而視星等mv是我們能夠通過望遠鏡等觀測設(shè)備進行直接觀測而確定的值，現(xiàn)在的關(guān)鍵是如何精確確定它們的絕對星等值。

對于恒星來說，我們研究的非常透徹，通過直接觀測恒星的光譜就能通過赫羅圖獲知它們的絕對星等，由此就獲得恒星的距離。

對于星系來說，我們能夠通過直接觀測獲得星系的紅移，為了使問題簡單化，我們可以先不考慮星系相對我們（觀測者）相對運動因素的影響，將所觀測到的星系紅移全部視作周堅紅移，由此依據(jù)周堅定律的直接計算獲得一個稱之為標準距離的參照距離，之后再考慮相對運動因素的影響來獲得星系的真實距離。

為了使上述對應(yīng)關(guān)系能夠直接的一目了然的反映出來，我們依據(jù)發(fā)現(xiàn)周堅定律的簡單距離模數(shù)定義式繪制出一幅視星等——周堅紅移關(guān)系圖（以周堅紅移為基準的關(guān)系圖）或視星等——距離關(guān)系圖（以距離為基準的關(guān)系圖），它們統(tǒng)稱為周堅圖，圖中的縱坐標表示天體亮度的視星等，橫坐標表示相對觀測者對恒星、星系等天體進行觀測的距離以及一一對應(yīng)的周堅紅移，而圖中的無數(shù)條曲線是一一對應(yīng)的表示恒星、星系等天體絕對亮度的等絕對星等線，它們之間保持5等的間隔，其中帶顏色的各類等絕對星等線是具有特定意義的等絕對星等線，而正是這些帶顏色的具有特定意義的等絕對星等線被畫出，才賦予這種周堅圖具有參照觀看恒星、星系等等天體的觀測特征和演化特征的功能，成為研究恒星、星系等等天體以及整個宇宙這個唯一客觀存在體的觀測特征和演化特征的重要工具，它類似赫羅圖的分析恒星演化的功能，由此為我們帶來了研究宇宙的一個名副其實的數(shù)理分析工具。圖5就是一幅完整的周堅圖，當我們將星系等天體的直接觀測參數(shù)，比如視星等、紅移或光譜類型（恒星），包括它們的影像等信息，按照對應(yīng)關(guān)系繪制在周堅圖中就構(gòu)成了具有數(shù)理分析功能的數(shù)理分析星圖，我們就將它稱之為周堅星圖，它不僅能夠告訴我們星系等天體的過去、現(xiàn)在和將來的一切宇宙信息，包括它們的演化信息，而且還能夠讓我們分辨出它們的各種微小特征的變化和區(qū)別。其實，在解析宇宙學(xué)中還有許多這樣的應(yīng)用圖，只是這種被發(fā)現(xiàn)者命名為周堅圖的應(yīng)用圖目前是最適用的一種，它有點像赫羅圖分析恒星及其演化特征一樣，能夠?qū)阈?、星系等等天體的觀測現(xiàn)狀和演化進程進行有理有據(jù)的數(shù)理分析，是一個名副其實的天體數(shù)理分析工具。

上圖是以距離為基準繪制  下圖是以周堅紅移為基準繪制

圖5  完整的周堅圖

六：物理意義

利用周堅定律r= Z₀ z_z/(1+z_z)，我們就能夠從周堅紅移得出光（電磁輻射）到達我們（觀測者）面前所傳播的距離，即便周堅紅移達到無限大也是如此，這就是被觀測天體到我們（觀測者）之間的距離，而與我們（觀測者）在宇宙中的具體空間位置沒有任何關(guān)系，我們（觀測者）所觀測到的宇宙就是宇宙中的無數(shù)天體所輻射出來的光（電磁輻射）傳播到我們（觀測者）面前的綜合反映，我們地球人是以地球為觀測背景來觀測宇宙從整體上來講是這樣，其它星球上的觀測者以它們自己所居住的星球為觀測背景來觀測宇宙從整體上來講同樣也是這樣，這就意味著，在空間中任意一點，以及從任意一點位置上的任一方向來進行觀察的話，宇宙的大尺度景象是沒有任何區(qū)別的；而且對宇宙中各處的觀測者來說，他們所觀察到的物理量和物理規(guī)律完全相同，沒有任何一個觀測者會處于與眾不同的特殊地位，光（電磁輻射）向任何方向傳播的傳播距離都是有限的，這個有限的數(shù)值就是周堅常數(shù)（Zhou Jian's Constant）Z₀，它等于13，771，980，862.5685 ly（光年），而光（電磁輻射）以光速完成這個極限距離的傳播所用時間正好是13，771，980，862.5685年（137.7億年）。

七：觀測證據(jù)

2003年，美國發(fā)射的威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)經(jīng)過當年的觀測數(shù)據(jù)顯示，宇宙的年齡是137±2億年，這就是我們今天經(jīng)常被援引作為支持大爆炸宇宙學(xué)的一個宇宙開端的重要證據(jù)，其實，它真正反映出來的物理意義就是光（電磁輻射）完成極限傳播距離的時刻間隔，這個時刻間隔就是13，771，980，862.5685年（137.7億年），WMAP的觀測結(jié)果137±2億年在誤差范圍內(nèi)與之完全吻合，而在這個時刻間隔內(nèi)光（電磁輻射）以光速所完成的傳播距離就是13，771，980，862.5685光年（137.7億光年），這就是周堅定律中的那個周堅常數(shù)Z₀=13，771，980，862.5685光年，這就是說WMAP的觀測結(jié)果其實就是周堅定律的直接觀測證據(jù)。

從周堅定律的發(fā)現(xiàn)過程來看，周堅定律中的周堅常數(shù)來源于1998年發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹的超新星哈勃圖[Riess et al. 1998, Perlmutter et al. 1999]，標準宇宙學(xué)模型能夠給出一個與高紅移Ia超新星分布最佳吻合的理論曲線，周堅定律同樣也能給出這樣一個與之最佳吻合的理論曲線。至此，1998年發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹的超新星哈勃圖與2003年發(fā)射的WMAP多年來的觀測數(shù)據(jù)，通過周堅定律這個“橋梁”就這樣緊密地聯(lián)系在一起，它們共同成為了周堅定律的直接觀測證據(jù)。

圖6 “斯必澤”（Spitzer）和“哈勃”（Hubble）聯(lián)手合作拍攝的遙遠大質(zhì)量星系的照片。

（照片轉(zhuǎn)自天文科普網(wǎng)：http://www./shenkong/xingxi/201002/1145.html）

我們再來看一個讓天文學(xué)家大吃一驚的觀測現(xiàn)象吧。在圖6影像中，用圓圈標出的就是一個星系，偏下方的較大星系是距離較近的前景星系。右上是哈勃拍攝的可見光照片，左下是哈勃拍攝的近紅外照片，右下是斯必澤拍攝的紅外照片。星系在可見光中并不明顯，表明它的距離是遙遠的，而在紅外光中異常明亮，表明它的質(zhì)量相當巨大。左上圖是各波段合成的假彩色照片。我們的標準宇宙學(xué)理論不是認為宇宙中最早的星系，通常是小得多的恒星集合，它們逐漸并合，最終才能形成類似于我們銀河系的演化程度相當充分的大星系嗎，為什么我們的觀測結(jié)果卻不是這樣，這不得不讓天文學(xué)家們大吃一驚。然而，在以周堅定律為理論基礎(chǔ)的解析宇宙學(xué)中，在我們的周堅圖中，我們一眼就能看出這是為什么？只要將這種觀測現(xiàn)象的直接觀測數(shù)據(jù)繪制在周堅圖上，我們就能夠發(fā)現(xiàn)，哦！原來是這樣！原來是這樣！

其實，周堅定律的直接觀測證據(jù)還有很多很多，自2010年1月1日推出的歷時兩年多的探索性系列應(yīng)用博文——周堅每日解讀一天文圖，以及今年3月23日正式繪制的一系列周堅星圖，它們所反映出來的宇宙情景都是周堅定律的直接應(yīng)用結(jié)果，中間沒有使用任何假設(shè)，周堅定律就這樣像架設(shè)在超新星、宇宙微波背景輻射以及一切的宇宙觀測現(xiàn)象之間的“橋梁”，已經(jīng)將它們統(tǒng)統(tǒng)給串聯(lián)起來，它們直接或間接地都成為了周堅定律的最直接的觀測證據(jù)。比如，在今年4月21日發(fā)布的編號為周堅星圖2012025的數(shù)量分析星圖中，我們將哈勃太空望遠鏡的極限觀測視星等（28.5等）繪制到周堅圖中，通過數(shù)理分析發(fā)現(xiàn)，在太陽附近1萬光年（精確值是10 315光年）距離范圍內(nèi)，那種神秘的即看不見又莫不著的，只能間接檢測它施加引力才能發(fā)現(xiàn)的所謂暗物質(zhì)是不存在的，這是解析宇宙學(xué)以哈勃太空望遠鏡的極限觀測狀態(tài)為基準所獲得的理論結(jié)果，然而，由智利天文學(xué)家團隊進行的最新研究確實發(fā)現(xiàn)（詳見圖7專業(yè)PDF中的插圖），也是迄今為止對銀河系恒星運動的最精確觀測顯示，在太陽系周圍的廣大區(qū)域內(nèi)，幾乎沒有暗物質(zhì)的蹤跡。

圖7專業(yè)PDF中的插圖，說明暗物質(zhì)的統(tǒng)計面密度。橫坐標：千秒差距，縱坐標：每平方秒差距（約10平方光年）多少太陽質(zhì)量。下方的黑實線表示觀測、計算到的物質(zhì)總量，而點線、虛線分布表示1個、3個標準方差下的誤差范圍。幾條灰色線中，最下面與實線幾乎重合的是可視普通物質(zhì)量；min代表理論預(yù)期的最小量；而OM、SHM、N97分別是不同模型計算的暗物質(zhì)量。插圖簡單表明，太陽系周圍幾乎就不存在暗物質(zhì)。（翻譯來自中國科學(xué)院上海天文臺6月26日譯文快遞：暗物質(zhì)理論遭遇挑戰(zhàn)？）

周堅定律的觀測證據(jù)實在是太多太多了，我們不妨反向思考一下，作為一種反例，不妨這樣想象一下，若這個周堅定律確實不是一個自然規(guī)律，那它為什么就能夠這樣將我們所觀測到的無數(shù)宇宙奇景都統(tǒng)統(tǒng)給串聯(lián)起來呢？要知道，發(fā)現(xiàn)近百年的大爆炸宇宙學(xué)至今仍然搞不清楚宇宙為什么會爆炸，更搞不清楚它怎么還要暴漲，當然我們現(xiàn)在有無數(shù)的理論猜測，但無論怎樣猜測都是建立在假設(shè)基礎(chǔ)之上，終極的假設(shè)就是假設(shè)宇宙誕生于一個密度無限高，溫度無限大的“奇點”，好奇怪的宇宙“奇點”呀，到現(xiàn)在我們都不知道它是如何被孕育出來的，它的前身到底是什么我們根本就無從知曉，因為它竟然不需要有孕育它的空間，難以想象呀，宇宙空間竟然是因為它，這么一個小不點的“奇點”爆炸產(chǎn)生的，不僅如此，這個小不點的“奇點”爆炸還具有特別的形式，那就是它不僅能夠爆炸，而且還要暴漲，它是通過暴漲的爆炸形式來迅速抹平宇宙的?？傊?，宇宙爆炸的前后137億年的宇宙，從整體上來看，它絕對不是相同的宇宙，它在膨脹，它在加速膨脹，它在某個時期還出現(xiàn)過暴漲，在不同宇宙時期的觀測者所觀測到的宇宙是不一樣的，將來我們所觀測到的宇宙竟然是一種“冰”的宇宙，是“寂寞死”的宇宙，解析宇宙學(xué)的提出者想請問一下大爆炸宇宙學(xué)的提出者和維護者，宇宙學(xué)原理你們是否忘記了，忘記了……。要知道，宇宙學(xué)原理是檢驗一種宇宙學(xué)理論的最基本的準則，它告訴我們，在宇宙學(xué)尺度上，任何時刻，三維空間是均勻的和各向同性的，整個宇宙在不同時刻也是完全相同的。

八：宇宙的觀測

其實，在宇宙觀測中，宇宙作為一個整體都是通過光（電磁輻射）的傳播特征，即光（電磁輻射）的極限傳播速度——光速c和極限傳播距離——周堅常數(shù)Z₀反映到我們觀測者面前的。

相對觀測者而言，觀測者只能觀測到以觀測者自己為球心的一個球半徑為周堅常數(shù)Z₀的宇宙球形體，只能感受相對觀測者自己小于周堅常數(shù)Z₀的有限宇宙球形體之內(nèi)的所有天體所輻射出來的光（電磁輻射），而對于這個宇宙球形體之外的天體輻射出來的光（電磁輻射），觀測者是不可能直接觀測到的，如果要觀測到它們，那就只能通過運動向它們靠攏（或它們向我們觀測者運動靠攏），使其距離小于周堅常數(shù)Z₀來感受了，這就好比我們在濃霧中觀察世界一樣，我們只能看到以我們自己為中心的一個圓半徑為能見度以內(nèi)的有限世界，而為了看到能見度以外的世界，我們就必須運動，在運動中使能見度以外的世界不斷進入能見度以內(nèi)來觀察。

當然了，在宇宙中運動，我們不可能像在濃霧中運動那么容易，我們必須學(xué)會建造宇宙飛船，我們必須學(xué)會飛船與飛船的交會對接，不僅如此，我們還得學(xué)會如何在宇宙深空中安全的自由飛翔，除此之外，我們還得學(xué)會看星星，看星系，而看星星和看星系可不是因為它們好看，而是要一眼就能看出它們到我們之間的距離，距離！距離！

或許我們不相信我們有一眼知星距的能力，但周堅定律就是為了讓我們具有一眼知星距的能力而發(fā)現(xiàn)的，解析宇宙學(xué)就是為了讓我們學(xué)會一眼知星距而誕生的。4百多年前的意大利科學(xué)家伽利略發(fā)明望遠鏡，讓我們知道如何觀看我們的宇宙，而4百多年后的中國科學(xué)家周堅發(fā)現(xiàn)周堅定律，并創(chuàng)立解析宇宙學(xué)，讓我們知道如何測量我們的宇宙。