自然时空中的宇宙演化与星系上物理事件的延时

作者在近期提出了自然时空观，不同于现行的由西人创建的时空理论。当前大家熟悉的时空是先空间后时间的时空，他们在英文中叫做spacetime. 由于在最初翻译成中文时的词序的倒置，而将spacetime翻译成了“时空”，直译为中文应该叫做“空时”。为了加以区别，本文将现行的时空spacetime记为ST，而把自然时空times-pace记为TS。虽然都是含时、含空的四维体系，但两者有着本质区别。ST是以三维空间坐标（x₁, x₂, x₃）作为先导，将时间坐标（t或x₄）作为附属而列为后边的第四维。在ST系统中，时间坐标与空间坐标没有太大的区别，都具有双向可逆性，因此而衍生出了时空穿越的悖论。

一、自然时空（TS）能给出人类探测宇宙的视界

TS是作者提出的一种新的真正的“时空（time-space）”体系，称为自然时空。其中的时间作为第一维，后边的三维才是表示空间的坐标，即：x₁（或t）, x₂, x₃, x₄(或x, y, z也或r, θ,φ, )。

图-1表示的就是宇宙自然时空的一部分，由实线画出的大圆O绕OT轴旋转一圈得到的球面就是TS系统中表示宇宙的现时曲面，T点代表宇宙现在时的地球位置。由虚线画出的小圆O₁，沿OT轴旋转一圈得到的球面，就是今天的我们（地球人）从地球探测宇宙的视界球面。由光速决定，只有处在视界球面上的那些天体事件，今天的我们才能探测到^[1]。也就是说，任何天体随宇宙演化了一生，至今所发生的所有事件，只有其时间轴与视界球面相交的那个时间的事件才可能被我们观察到。无论我们的探测手段多么先进，所使用的各种望远镜的口径多么大，我们探测宇宙的视野也只能从T点，沿视界球面向O点逐渐推近，而O点发生的事件有可能是我们人类永远追求想看到的目标。例如，若t点表示在宇宙现时曲面的一个天体，它的现在及过去大部分时间所发生的事件我们都是探测不到的，它在整个宇宙时空中，只有Ot与虚线圆表示的视界球面相交的那一点t₂上的事件是我们今天能探测到的。

二、以TS体系解读与宇宙红移相关的历史信息

根据测到的来自遥远天体的光子的红移值，已经远远超出了多普勒红移的范畴，按照现行的ST体系，用单纯的宇宙膨胀说也难以解释，因此成为了宇宙红移之疑难。

作者在前文^[2]中已经提出，在一个遥远的天体上出生的波长为λ₀的光子，经过膨胀的宇宙空间到达我们今天的地球时，它不但发生时间红移，还要发生空间红移。时间红移为：

λ_E=λ₀（1+z）        （1）

空间红移为：

λ=λ_E（1+z）         （2）

将表示时间红移和空间红移的两个方程合并，就得到了这个光子从λ₀变化到λ过程的时空红移：

λ=λ₀（1+z）²         （3）

不过在现行的ST体系中，λ₀是不知道的，只能用λ_E代替λ₀，实际上就等于已经考虑了时间红移，这种空间红移（2）式与光源退行引起的Doppler红移是完全等效的。现在人们观察到的红移（1+z）仅是空间红移，而时间红移（1+z）刚巧被抵消而掩盖了。因此使用ST体系，得不到宇宙年龄的信息，只能比较天体与我们的远近。

使用自然时空体系TS，我们就可以用现行测到的空间红移代替时间红移，由（1+z）计算今天的宇宙年龄与光子出生时天体的宇宙年龄之比。以图-1为例

OT/Ot₂ = λ/λ_E = 1+z    （4）

在自然时空TS中，对宇宙红移有了更明确的指派和分离，对红移值也有了更为确切的物理含义。

三、由TS体系推导星系上物理事件的延时方程

如图-1所示，在现时曲面t点的一个天体的时间轴为射线Ot，它与我们地球上今天的视界球面相交于t₂点。表明在天体t的一生中只有在时间t₂时的事件给我们留了一个窗口，其信号刚好能到达我们今天的地球。

我们把发生在t₂处的物理事件的持续时间的起点，在图-1上放大到它的起始时间t₁，线段t₁t₂则表示该物理事件持续的时长。此信号传播到地球，我们接收此事件的全部时程则为T₁T₂。由几何学解直角三角形的方法，就可以由我们实测的事件的时长计算该物理事件源的时长，反之，也可以由此物理事件的种类及性质估算的事件源持续的时长，计算我们在地球上接收并完成此事件所需要花费的总时间。这也就是文献^[3]所提出的星系上物理事件的延时问题。

根据相似直角三角形的比例关系，我们由（4）式得到星系上物理事件到达地球后的持续时间与事件源的持续时长之比——延时因子：

Δ_tb = T₁T₂ / t₁t₂=1+z              （5）

这里得到的（5）式与标准宇宙模型的计算公式（6）一致，但否定了文献^[3]提出的计算公式（7）。

Δ_tb=1+Z                        （6）

（6）式是文献³原文中的（1）式。

Δ_tn=e^Z/2                         （7）

（7）式是文献³原文中的（2）式。其作者以多篇文章建立的新引力宇宙度规模型中引入了自然对数或与其相应的指数形式作为其数学公式的基础。

本文认为文献^[3]引用的数学公式有两点欠妥，其一，据目前所知，宇宙在大的尺度上是均匀的，因此对于宇宙的许多属性的数学描述就应该以线性关系为主。如果使用了对数或指数的数学描述，则宇宙大尺度上的均匀性就会遭到破坏。

其二，宇宙红移值Z的定义式为，

Z=（λ-λ₀）/λ₀ =λ/λ₀ – 1            （8）

由（8）式可知，红移值Z与波长间不是直接的线性关系，还相差一个一级运算项——1，因此，业内各专业人士在进行数学处理时，往往将（8）式变形为下面的（9）式

λ/λ₀=Z+1                        （9）

（9）式中的波长就与（Z+1）之间有了直接的线性关系。所以，几乎所有处理宇宙红移的数学模型都将（Z+1）作为一个变量整体，而不是仅将红移Z作为变量。文献³的作者可能刚好忽略了这种数学函数中的变化本质，在其公式中只使用了Z于指数函数中。从而使其计算公式中出现了在某一距离处，函数出现拐点的现象，使得宇宙在大尺度上的均匀性受到破坏，也就是说出现了隐含的“地心说”。

总之，（7）式使用了指数形式来描述星系上物理事件的延时，与宇宙的大尺度均匀性不符，（7）式的指数中只使用了红移值Z而不是整体的变量（Z+1），因此得到的函数在某一距离处出现拐点。所以本作者认为，对于描述宇宙的某些属性，（7）式不是最佳选择。

描述自然时空的TS体系是本作者发现的，但不是本作者创造的。TS体系是大自然本身固有的，是自然界的一种重要属性。今后，我们会发现大自然中越来越多的事物遵循的都是TS体系的规律。

例如，对于太阳系中各行星的公转轨道，最初认为是椭圆形，但后来经精确测定后都确认是一种圆锥曲线。也就是一个平面斜截一个圆锥曲面而得到的曲线，为一头大、另一头小的蛋圆形，而不是正椭圆形。正椭圆形是一个平面斜截一个圆柱面所得到的曲线。由TS体系能解释这种现象，并能给出太阳系的年龄及太阳系在演化过程中的众多信息。但原来的ST系统是得不出这些结果的，相关内容已另文撰稿。

再如，生命在进化中遵循的也是TS体系的规律，文献^[4，5]已有专述，此文不再费笔。

参考文献

1、 王孝恩 从宇宙事件的时间轴分析我们今天的深空视界. 中科院科学智慧火花.2017-02-20.

王孝恩 对我国射电天文望远镜启用后的建议与观测结果的预测. 中科院科学智慧火花.2016-09-24.

黄洵两种宇宙学模型的延时新分析. 中科院科学智慧火花.2016-12-27.

王孝恩 电脑储存的是磁，大脑储存的是电. 中科院科学智慧火花.2017-05-01.

5、 王孝恩 心脏为何不在中间. 中科院科学智慧火花.2017-05-17.

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