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王省利的博客

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宇宙力场初论  

2008-10-11 14:55:13|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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                                                                    王省利苏克和

                                                                西北工业大学化学系

摘要:本文针对“角动量异常”、“galactic rotation curves”、“暗物质”等问题,提出运动品质激发力场的观点。文章认为自旋品质可抽象为质环流,将质环流类比于电环流,通过引入质流强度并借用Maxwell方程组,导出质环流将激发一种力场。作者认为,这一场与万有引力场共同决定了天体的运行和演化,可以解释当前一些天体力学难题。

关键字:品质流质环流自旋力场

一、引言

天体力学的基石是牛顿万有引力学说。随着观察手段的进步和现代理论发展的深入,虽然有越来越多问题得到解答,但同时也涌现出大量悬而未决的基本问题[1]。如“角动量异常”、“引力常数变小”、“品质失踪与暗物质”,anomalous acceleration of Pioneer 10 and 11[2,3]等。尽管有很多作者试图给出了一定的解释,如文献[4-6]等工作,而本文通过类比的方法,将自旋品质(质环)流类比于电环流,借用电磁学中的Maxwell方程组[7],导出质环流激发的力场(自旋力场),在非相对论和不借助于暗物质假设的情况下,即可以得到一些有益的结果。笔者认为,自旋力场与万有引力场共同构成宇宙力场,支配着天体的运行和演化。本文重点从理论上推导自旋力场的场式、力式,初步分析它们的性质,同时也初步解释了一些天体物理学的问题。自旋力场存在的客观性有待进一步的实验观测和理论证明。

二、宇宙力场的基本思想

牛顿导出万有引力定律是以J. Kepler第三定律为依据,而Kepler定律为经验规律,至今未得到物理解释。角动量守恒规律决定了星系在演化过程中总角动量不变,但是牛顿万有引力力源是一个点集合,很难说明如引力常数变化效应、太阳系天体角动量异常、至今未发现踪迹的暗物质和飞船的意外加速效应。

观察表明[1,8],在一个稳定的族系中,第一,从体不可能围绕一个不自旋的中心天体(主体)绕转;第二,从体的公转周期总大于主体的自转周期;第三,具有稳定轨道的天体总是有自转。因此,天体运行都与运动品质或自旋相关,运动或自旋品质也有可能激发新的力场或自旋力场。

三、宇宙力场

3.1、场式

以太阳系为例。设太阳为正则几何球体,并为理想刚体,密度ρ(R)为球形对称;太阳半径为R0;自旋角速度为ω,且ω为常数。 ω满足0<ω<ωmax,并定义ωmax=c/rmax,c为光速,rmax为物体在自旋面上的最大半径。 ωmax的物理意义是自旋体任意一点处品质的线速度小于光速(Einstein光速极大原理)。

太阳品质,且可进一步抽象为集中在垂直于自旋轴的同心圆盘上(Fig. 1),盘面内的品质沿半径有一分布。 ρ如果与R无关,则在距离质心Re=(2/5)1/2R0处有一最大值。因此,自旋的太阳品质可抽象为半径为Re的质环流。质环流可以激发自旋力场。

利用Maxwell方程组,与电环流类似,质环流激发自旋力场的矢势为:

    (1)

式中J0为待定常数;I为质环流强度,定义为I=M/T;T为太阳自旋周期,自旋角速度ω=2π/T。

因质环流具有轴对称性,故矢势只有φ分量(R,θ),且只与(R,θ)有关,而与φ无关。因此,可以选定在xz平面内的一点P来计算,即在P点上= 。

对于式(1)的y分量,由于

dly=Recosφ’dφ’

 

得:

  (R,θ)= (2)

2RResinθ<<Re2+R2 (3)

时,把式(2)中的根式对2RResinθcosφ’/(R2+Re2)展开,取至第二项得:

  (R,θ)

                                                (4)

式(4)的适用条件是式(3),包括以下两种情形:

(1) R>>R­e (远场);

(2) sinθ<<1或R<<R­e (近轴场)。

取式(4) (R,θ)的旋度得自旋力场:

 自旋力场的分量:

 

                 (5)

 

对于本文所讨论的问题,R为行星公转轨道半径,R一般比太阳半径Re大得多,因此有R>>Re,以及I=ωM/2π,并令J=J0/8π,则有:

 

                                  (6)

 

取的模(场强数值w):

w= (7)

场强大小w随θ角的变化如图所示:

      图2自旋力场场强大小w随θ角的变化图

式(6)、(7)表明:

1)如果太阳不自旋,ω=0,自旋力场不存在,万有引力支配太阳系的演化;

2)当行星轨道与黄道面重合,即θ=90?时,场强有极小值w0;

3)当行星轨道与黄道面垂直,即θ=0?时,场强有极大值2w0。

3.2、力式

设行星品质为m,运行速度,则在自旋力场中,除万有引力外,行星还受自旋力:

 

                                     (8)

 

万有引力与自旋力共同构成宇宙力,规范行星的演化。

由于以上推导完全可以不局限于太阳系,因此,宇宙中所有族系的演化同样受宇宙力规范。

四、宇宙力场的性质

牛顿万有引力场与自旋力场的特性可比较如下:

名称及特性牛顿引力场自旋力场

1、场性保守场非保守场

2、场型球状碟状

3、场线非闭合闭合

4、力源位置几何中心非几何中心(半径Re的质流环)

5、与自旋的关系无关有关,且0<ω<ωmax

6、族系内角动量分布不变向行星公转运动转移(θ≠90?)

7、作用物件公转线速度v牛=[GM(R)/R]1/2 v牛+ at (加速度a>0)

五、讨论

5.1式(8)表明,运动品质在自旋力场将受到非零的力的作用,而静止品质不受自旋力场的影响。

5.2式(8)还表明,当θ=90?时,即对于黄道面上的行星BR=0,FR=0,行星在R方向上不受自旋力场的作用,但Fθ≠0,且取极大值,提供行星公转的部分向心力(特性6);当θ=0?,即垂直于黄道面时,FR取极大值,使“行星”公转轨道面向黄道面演化;当0?<θ <90?时,FR分为行星轨道向黄道面演化的分力和公转离心分力,Fθ分为行星轨道向黄道面演化的分力和公转向心分力。

5.3根据5.2的分析,不难理解,当行星轨道存在向黄道面演化的分力时,行星轨道相对于太阳自旋轴的角动量要逐渐增大。如行星公转轨道在θ=0?的平面内,这一角动量为零;θ≠0?的面则不为零。根据角动量守恒原理,恒星的自旋角动量在行星轨道演化的过程中,必然要减小,导致今天“太阳系角动量异常”。

5.4众所周知,旋涡星系的旋转曲线在距离中心较远处,旋转速率比牛顿引力预期大,从而给出“暗物质”存在的解释。事实上,θ=90?时,式(8)表明Fθ提供行星公转的部分向心力。由于随R的增加,质环流将由R以内的所有品质{Mi}提供,因此,R处的天体受到的向心力近似为:

                 (9)

线速度v为:

   + (10)

式(10)中第一项大于零,且随R增大,i的项数增大,有可能导致整项在R增大的过程中呈上升趋势,说明暗物质的存在不如预期的多,甚至不存在“暗物质”。

5.5文献[]报导Pioneer 10 and 11 encountered an anomalous acceleration by (8.74±1.33)×10-8 cm/s2 directed towards the Sun.设Pioneer 10 and 11的运行轨道近似在黄道面内,即式(8)中对应θ=90?,FR=0,Fθ≠0且取极大值,力的方向正对太阳,大小为mvJωMRe2/R3。设该力正好全部用于加速飞行器,采用太阳系参数[b],可确定出式(6)-(8)中的待定常量J=2.176×10-22 (m/kg)。事实上,由于飞行器并非围绕太阳做圆周运动,且轨迹不规则(如遇行星加速,推进器工作等),因此,对飞行器朝向太阳加速的力仅仅是场中飞行器受自旋力的一个分力,这里得到的J的数值也只是J值的下限。

5.6也由于式(9),随着角动量的转移,当质环流流速减小(自旋角速度ω减小)时,向心力F减小,因此,用牛顿引力考虑问题时,表现出了“引力常数G减小”的效果。人们通过牛顿引力公式分母的指数进行修正,如A. Hall[x], S. Newcomb[y] and EW Brown[z]等人的工作,分别得到指数n=2+1.67×10-7、2 +1.574×10-7和2+4×10-8。我们利用太阳系的参数,可进一步确定出J的量值分别为:4.49×10-14、2.307×10-14和9.16×10-21。这些结果也都在上述“5.5”预期的范围之内。

六、结论

根据目前天体物理学中存在的一些问题,本文通过类似电磁学的方法,将运动品质(质环流)类比于电环流,借用Maxwell方程组,导出了质环流激发自旋力场的运算式,讨论了自旋力场的性质,并认为,自旋力场与万有引力场共同构成宇宙力场,支配着天体的运行和演化。自旋力场在一定程度上解释了目前天体物理学中角动量异常、galactic/flat rotation curves、anomalous acceleration of the Pioneer 10 and 11 spacecrafts等问题。本文还利用Pioneer 10 and 11 anomalous acceleration以及引力常数G减小的资料,确定了自旋力场中常数J值的下限。

参考文献

1. Zongwei Li, Xinghua Xiao,天体物理学,北京:高等教育出版社,2001

2. JD Anderson, PA Laing, EL Lau, AS Liu, MM Nieto, and SG Turyshev, Phys. Rev. Lett. 81, 2858, 1998

3. John D. Anderson, Philip A. Laing, Eunice L. Lau, Anthony S. Liu, Michael Martin Nieto and Slava G. Turyshev, Study of the anomalous acceleration of Pioneer 10 and 11,Phys. Rew. D, 65, 082004-1~082004-50

4. Fischbach, E., Sudarsky, D., Szafer, A., Talmadge, C., Aronson, SH: 1986, Phys. Rev. Lett. 56, 3

5. E. Schmutzer, Astron. Nachr. 322 (2001) 2, 93–102

6. Matthew R.Edwards (ed.): Pushing Gravity: New perspectives on LeSage’s theory of gravitation, Apeiron (C. Roy Keys Inc.), Montreal, 2002

7. Qiren Zhang,经典场论,北京:科学出版社,2003

8.中国大百科全书-天文学,中国大百科全书出版社,1980年12月

核心提示

宇宙力理论之立论基础是质能量,旨在阐释客体由于自旋将有一种新的物理属性,而激发一种新力场,且客体自旋过程中引力属性仍不改变,这则意味着客体自旋状态下不再表现为单一的引力场,而是宇宙力场。倘若这种立论的假设成立,则可靠的导证结果为:

1.从体(绕转体)集合质能量总和不大于主体(中心体)质能量总和。

2.从体(如行星)或从体集合(如光环)的轨迹为非圆曲线。

3.任一从体的公转周期必大于主体(中心体)的自旋周期。

4.自旋能与品质之间转化的方程遵循: (c光速)。

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