太陽(yáng)系中的宇宙膨脹效應(yīng)

【摘 要】以宇宙時(shí)間和空間具有平權(quán)性的觀點(diǎn)，指出宇宙膨脹是四維時(shí)空的膨脹，從而導(dǎo)出太陽(yáng)系中行星天體軌道半徑、運(yùn)行周期的增長(zhǎng)以及地球膨脹等與宇宙年齡的關(guān)系，說(shuō)明太陽(yáng)系中存在的地日、地月軌道半徑距離增加以及地球膨脹等自然現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上都是宇宙膨脹的效應(yīng)。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)系；宇宙膨脹；時(shí)空因子；宇宙年齡

【Abstract】In the view of the equivalence of time and space， it is pointed out that the expansion of the universe is the expansion of four-dimensional space-time， derived the relationship between the change of planet orbit geometric distance and cosmic age， pointed out the natural phenomena such as earth's expansion and the changes of orbit distance between the earth and the sun， the earth and the moon， and so on existing in the solar system is essentially the effect of cosmic expansion.

【Key words】The solar system； Cosmic expansion； Space-time factor； Cosmic age

0 引言

宇宙膨脹是現(xiàn)代宇宙學(xué)最重要的成果之一。一個(gè)很自然的問(wèn)題是，宇宙膨脹對(duì)我們的太陽(yáng)系有沒(méi)有影響呢？或者說(shuō)，太陽(yáng)系中會(huì)不會(huì)存在與宇宙膨脹相關(guān)的效應(yīng)和證據(jù)呢？答案似乎是否定的。因?yàn)橐话愣颊J(rèn)為，象太陽(yáng)系這樣（觀測(cè)范圍相對(duì)很?。┑臅r(shí)空系統(tǒng)，引力起完全主導(dǎo)作用，其空間大?。ɑ蛘咝行沁\(yùn)行軌道）當(dāng)然是不變的，也不會(huì)存在與宇宙膨脹有關(guān)的效應(yīng)。

然而，最近三十多年來(lái)，隨著精密天文觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，地球、月球等運(yùn)行軌道的變化信息被精確測(cè)量.其結(jié)果表明，太陽(yáng)系中包括地日、地月等在內(nèi)的引力天體間的軌道距離有逐漸增加的現(xiàn)象[1-2]。另一方面，地球史考古的許多新發(fā)現(xiàn)，比如地球古地理、古生物考古的新發(fā)現(xiàn)，表明地球本身還存在總體上呈緩慢膨脹的現(xiàn)象等等[3-7]。

對(duì)這些現(xiàn)象的解釋曾引起學(xué)術(shù)界廣泛的爭(zhēng)論.其中影響最大的一種觀點(diǎn)，是把它們歸結(jié)為牛頓引力常數(shù)正在變小的緣故[8-10]，這一觀點(diǎn)來(lái)源于狄拉克的“大數(shù)假說(shuō)”.不過(guò)，“大數(shù)假說(shuō)”不僅缺乏足夠的科學(xué)依據(jù)[11]，也不能解釋地、月等軌道距離增加的現(xiàn)象.首先，狄拉克在“大數(shù)假說(shuō)”中所選取的宇宙年齡20億年明顯是不正確的；其次，如果引力常數(shù)正在變小，那么經(jīng)過(guò)40多億年后，地球軌道的偏心率將比今天大得多，但地日系統(tǒng)的研究表明，地球軌道偏心率及其變化十分微小，而且變化是周期性的，并不是單邊增加的[12-13]。

要解釋這些現(xiàn)象，我們需要更新一些舊有的思想和觀念.重新審視一下標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)的時(shí)空觀，或許可以找出真正的原因。

1 標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)中的時(shí)空觀

眾所周知，愛(ài)因斯坦所倡導(dǎo)的宇宙時(shí)間和空間具有相對(duì)性和平權(quán)性是相對(duì)論的核心思想[14]。在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中，宇宙用一維時(shí)間坐標(biāo)加三維空間坐標(biāo)構(gòu)成的共動(dòng)坐標(biāo)系來(lái)描述，其中的三維空間坐標(biāo)與宇宙尺度因子R有關(guān)。但這樣的安排，體現(xiàn)的僅僅是宇宙在三維空間中的平權(quán)性，而沒(méi)有體現(xiàn)時(shí)間和空間之間的平權(quán)性，所以并沒(méi)有完全地體現(xiàn)相對(duì)論思想。

具體來(lái)說(shuō)，在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)中，原時(shí)間隔dτ在Robertson-Walker度規(guī)[15-16]（以下簡(jiǎn)稱R-W度規(guī)）的描述下，其標(biāo)準(zhǔn)的極坐標(biāo)形式為

式中dτ在空間的各處是平權(quán)的，又因空間度規(guī)包含宇宙尺度因子R，使得空間具有起源和演化的性質(zhì).但由于時(shí)間度規(guī)不包含宇宙尺度因子，使得時(shí)間成為一種絕對(duì)的安排，它是均勻流逝的、絕對(duì)的.將這種時(shí)間和空間沒(méi)有平權(quán)性的R-W度規(guī)與強(qiáng)調(diào)時(shí)空相對(duì)性與平權(quán)性的愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程相結(jié)合，顯然存在邏輯上的矛盾.由此得出的結(jié)論，自然存在根本性的問(wèn)題。

2 時(shí)空平權(quán)的宇宙學(xué)基本方程及其意義

綜上所述，在討論宇宙動(dòng)力學(xué)的過(guò)程中，我們應(yīng)該引入適當(dāng)?shù)挠钪鏁r(shí)空觀，樹(shù)立時(shí)間和空間在宇宙起源和演化中的相對(duì)性和平權(quán)性思想，在時(shí)間和空間完全平權(quán)的條件下建立宇宙學(xué)基本方程。

為此，原時(shí)間隔dτ的表達(dá)式中，可以通過(guò)引入時(shí)空因子a，將宇宙時(shí)間定義為與空間一樣具有相同的起源和演化性質(zhì)，使時(shí)間和空間達(dá)到完全平權(quán).于是將由R-W度規(guī)描述的（1）式變?yōu)?/p>

4 太陽(yáng)系中存在宇宙膨脹效應(yīng)的證據(jù)

下面從太陽(yáng)系中地球、月球軌道的變化數(shù)據(jù)信息和地球古地理、古生物考古的證據(jù)，分別計(jì)算宇宙的年齡，來(lái)說(shuō)明太陽(yáng)系中的這些自然現(xiàn)象屬于宇宙膨脹效應(yīng).

1）根據(jù)古生物考古的發(fā)現(xiàn)，地月軌道從奧陶紀(jì)以來(lái)的變化見(jiàn)表1

（1）以地月軌道幾何距離的變化計(jì)算第四紀(jì)的宇宙年齡.取地球的赤道半徑為6378.5公里，根據(jù)表1和（10）式，有

即第四紀(jì)的宇宙年齡約為104億年.其他地質(zhì)時(shí)代的計(jì)算結(jié)果相當(dāng)（從略）.

（2）以?shī)W陶紀(jì)至泥盆紀(jì)公轉(zhuǎn)周期的變化計(jì)算宇宙年齡.取奧陶紀(jì)地質(zhì)年代距今5.1億年，泥盆紀(jì)地質(zhì)年代距今4.1億年，則μ≈1.06×10-6h·a，于是由（11）式，有

宇宙年齡的這個(gè)計(jì)算結(jié)果與前面的相比，誤差較大，這與地質(zhì)年齡等因素的誤差較大有關(guān).

2）根據(jù)現(xiàn)代的測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，地球正在每年以15m的速度離開(kāi)太陽(yáng)[9].

取地球的遠(yuǎn)日點(diǎn)距離最大值為15210萬(wàn)公里，于是有

宇宙年齡的這個(gè)計(jì)算結(jié)果與以地月軌道幾何距離變化計(jì)算的結(jié)果1.04×1010年非常吻合.

3）在有地幔構(gòu)造的地球上，存在板塊結(jié)構(gòu)及其碰撞、大陸漂移和地球膨脹等現(xiàn)象.

地球存在板塊碰撞、大陸漂移等自然現(xiàn)象是地球膨脹的結(jié)果.地球膨脹與地月軌道幾何距離增加等現(xiàn)象看起來(lái)很不相同，但實(shí)際上有地幔構(gòu)造的地球可以看成是靠引力聚積在一起的流體球.

根據(jù)有關(guān)資料，地球半徑的平均年膨脹率約為0.54mm·a-1[5]，地球半徑為6.37×106m，由（10）式，可得

可見(jiàn)，與以地月軌道幾何距離變化計(jì)算的結(jié)果1.04×1010年也是比較吻合的.

在以上的計(jì)算中，可以得到宇宙的年齡大約在110億年左右，這與今天公認(rèn)的宇宙年齡137億年相比有一定的誤差，這種系統(tǒng)性誤差的存在，反映時(shí)空因子a與時(shí)間成反比的（6）式在整個(gè)宇宙年齡期并不總是嚴(yán)格成立，或者太陽(yáng)系中包括地日、地月等在內(nèi)的引力天體間的軌道距離變化等現(xiàn)象還有其它的影響因素，但宇宙膨脹作為引起這些現(xiàn)象的主要因素是可以確認(rèn)的.

5 結(jié)論

上面分別用地日、地月軌道的變化數(shù)據(jù)信息和地球膨脹的考古證據(jù)來(lái)計(jì)算宇宙的年齡，得到基本一致的結(jié)果，說(shuō)明以時(shí)空平權(quán)的宇宙膨脹觀點(diǎn)來(lái)解釋太陽(yáng)系中地日、地月軌道觀測(cè)距離增加以及地球膨脹等等現(xiàn)象是比較合理的.

另外，雖然地球膨脹是一種宇宙膨脹效應(yīng)，由此產(chǎn)生大陸漂移、火山爆發(fā)、地震等自然現(xiàn)象，但這并不意味著地球上的一切都是膨脹的.因?yàn)楦鶕?jù)量子理論，原子的半徑取決于電荷大小、電子質(zhì)量及能量、普郎克常數(shù)等[18-19].所以，以分子力結(jié)合的實(shí)物不會(huì)隨著宇宙膨脹而膨脹.而地殼本身作為固體是靠分子力結(jié)合的，盡管它存在破裂、變形、漂移、下沖等現(xiàn)象，但不會(huì)存在膨脹.

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