天体运动的力学原理

天体运动的力学原理（1）天体运动的力学原理（1）-修正后的万有引力定律 导 读：天体的运动包括公转和自转，牛顿的引力理论一定程度 上揭示了天体公转的力学原理，对于自转，科学界将它归因 于天体原始的转动惯量。按照这种解释，不但要将天体看成 是一个运动却不需要消耗能量的永动机，还要忽略天体在运 动过程中所受到的重重阻力。此外，在一个天体系统内，自 转和公转方向的一致性更难以得到解释。很显然，尽管人类 被科学家认为已经进入一个科学高度发达的时代，但是人们 仍然无法合理解释天体的运动。本文将帮助人类结束这种困 境。在第一章中，我已经揭示了星系的漩涡场本质，上一章 修正了牛顿万有引力定律，根据修正后的万有引力定律，在 以太绝对坐标系中，两个物体之间万有引力的大小和它们的 速度有关。这样通过计算可知：太阳系内的天体都受到向心 力、切向力和偏心矩的作用。正是在这些力和力矩的作用下， 这些天体才能够克服各种阻力将自己的运动保持几十亿年， 并将遵循各种规律继续运动下去。 在很久以前，人类就认 识到了天体的运动，但对其原理的解释直到几百年前“日心 学”出现后才开始接近科学。哥白尼的“日心学”从根本上 颠覆了存在一千多年的托勒密“地心学”，使人们认识到太 阳系内的天体都在围绕太阳运动。开普勒根据丹麦天文学家 第谷布拉赫所观察与收集的非常精确的天文资料总结出了 行星运动的“开普勒三定律”。牛顿的引力理论则进一步揭 示了天体运行的力学原理，它以向心力、加速度和角动量等 具体参数，详细说明了天体的绕转运行。虽然这一理论业已 存在数百年，似乎坚不可摧，但这一理论也遭不断质疑，因 为引力的超距作用的确有些神秘，对天体运动的解释也有些 牵强。它更面临着无法解释的“第一推动力”问题。行星自 转和公转的第一推动力从何而来？对这个问题和神秘的超 距作用的继续思辨将思想敏锐的牛顿推进了神秘梦幻和迷 信上帝的黑暗迷宫里，使他竟至对先知但以理的预言和圣约 翰的启示录的荒诞梦呓提出了形而上学的假说。最后，牛顿 的回答是：“这是被上帝踢了一脚”。牛顿用万能的上帝堵塞 了自己前进的道路，后世的人们则继续思索着这个问题。科 学发展到今天，根据太阳系成因的星云假说，星云因为自身 中出现了湍涡流造成自转，太阳和太阳系各星体都是由自转 着的星云物质相互吸引，凝聚而成。因此，各个星体在形成 初期就具有原始的角动量，并在以后的运动中，遵循角动量 守恒原理，据天文探测可知，自转是天体和天体系统的一种 十分普遍的现象。天体物理学理论及地学理论认为，是湍涡 流造成了自转，它是天体形成后就有的，是受转动惯量守恒 定律支配的自然力。这样的解释忽略了天体受到的阻力。如 果真是这样，人们不禁要问，天体运动需要消耗能量吗？若 是这样，天体消耗的能量又是从何而来？它若不需消耗能 量，那它是“永动机”吗？这三个问题已经让科学家哑口无 言，退避三舍。天体系统在宇宙空间运动，要遭受现实存在 的阻力，即使它不需消耗能量，我还要问：是哪里来的力帮 它克服阻力并加速的呢？以牛顿万有引力定律为基础的传 统经典力学理论无法回答这些问题，它正遭受不断地质疑。 但是，因为牛顿的牛顿万有引力定律，非常深入人心，三百 多年来，在自然科学界始终占统治地位。它所形成的思维模 式，已经成为习惯，要想冲破这一习惯势力，是很难、很难 的。正是这种习惯势力曾经使哥白尼的“日心说”遭受嘲笑 和污蔑、使伽利略遭受迫害，被判终身监禁，并将布鲁诺推 向火刑柱（真理曾经被谬误如此践踏，想想真让人心寒！）。 但是，它阻挡不住科学前进的步伐。今天，让我们用修正后 的万有引力定律对天体的运动进行正确、合理地解释。在宇 宙空间里，宏观物体的速度远远小于引力波的速度，速度对 引力的影响非常小。只有在大质量天体或者长距离的运动 中，这种影响的效果才非常明显。天体的自转和公转都离不 开这种影响，宇宙中天体的一切运动都是如此。如果速度没 有影响万有引力的大小，我们今天的宇宙根本就无法存在。 下面，对太阳系内天体运动的各种现象作合理地解释。一、 行星的运动在太阳系内，行星的运动包括公转和自转。利用 修正后的万有引力定律公式，分析行星的受力情况。如下图 所示：本文计算的目的是为了了解行星的受力情况，不要求 具体的数值。为了计算上的简便，先假设行星自转角速度和 公转角速度相同，这样行星始终以一面对着太阳，在进行引 力计算时，速度=0。太阳自转的角速度为。垂直于图面并通 过两者质心的平面将太阳分为 A、B 两个半球，将行星分为 C、D两个半球。由于太阳的自转，对C来说，A和B的速 度方向不同，对 D 来说， A 和 B 的速度方向也不同，应该分 别计算引力。假设太阳的质量为2M,行星的质量为2m, A、 B 两半球的质心到太阳质心 O 的距离为 R（OA=OB=R）， C、 D两半球的质心到到行星质心O1的距离为r（OlC=OlD=r）， 太阳和行星的质心间距为 d。 A， C 连线和质点 A 的速度方 向的夹角为a，A，D连线和质点A的速度方向的夹角为0。 引力波依靠暗物质以太来传播，在行星系统，可以认为暗物 质公转的速度与同一轨道上行星相同。根据暗物质运动的规 律，取整个太阳系作为近似的绝对坐标系。根据彼此之间速 度方向的不同，将行星受到引力分解为 FCA、 FCB、 FDA、 FDB，根据修正后的万有引力定律公式：（注：虽然利用此 公式得到的数值不准确，但并不影响天体的受力状态，且较 简便。在只分析天体的受力状态时，可以采用此公式。如果 需要知道天体各种准确的受力值，则需要采用更准确的公 式。）它们的值分别是： 取行星为隔离体，在行星受力示意 图中，做受力分析： 质心 C 的受力： 质心 D 的受力： 计 算行星受力情况行星受到的切向力 因为太阳两半球质心 A 和质心 B 的自转线速度小于光速，所以只要太阳自转角速度 大于行星公转角速度，切向力 Fx 就大于零，既行星受到与 太阳自转方向相同的切向力作用。行星受到的向心力 行星 受到的偏心力矩 因为小于，所以在太阳自转角速度大于行 星公转角速度的前提下，偏心距大于零，行星受到偏心矩的 作用，偏心矩的方向和太阳自转的方向相同。根据修正后的 定律，通过计算可以知道：太阳的高速自转使行星受到向心 力 Fy 、切向力 Fx 和偏心矩的作用。偏心矩为行星的自转提 供了动力，切向力为行星的公转提供动力。此外，在向心力 使行星做圆周运动的同时，切向力将行星的运动轨道拉成了 椭圆。如果一个运动的物体只受到向心力的作用，它将做圆 周运动；如果一个运动的物体只受到向心力和切向力的作 用，那么它将做标准的椭圆运动，引力中心在椭圆的一个焦 点上，这是椭圆运动的规律。天体的椭圆运动体现了切向力 的存在。在偏心矩的作用下，行星克服阻力矩自转，质心 C、 D 就具有了线速度。根据修正后的定律，要保持切向力和偏 心距的存在，要求质心C、D的线速 度小于质心 A、 B 的线速度，即。 这个规律已经在行星卫星系统中得到证实。一个天体自转 的线速度必须小于引力中心天体自转的线速度。目前，有的 学者认为太阳内部的自转速度比表面快，有的学者认为比表 面慢，看法还不一致。通过观测发现：土星和木星表面自转 的线速度好像大于太阳光球层自转的线速度。如果真是这 样，就说明太阳内部物质自转的速度比表面的光球层快。光 球层虚无缥缈，并不是物质的实体表面，其运动比内部慢是 很容易理解的。在气态行星不同的纬度上物质自转的角速度 不同，角速度从赤道到两极逐渐变慢，这种现象说明行星受 到外力矩的作用，通过计算可知：切向力矩从赤道向两极逐 渐减小。如果行星的自转完全依靠自身原始的转动惯量，就 不会出现这种现象，自转应该是同步的，在不同的纬度上角 速度相同。20世纪初以后，人们发现地球自转速度有以下 3 种变化：长期减慢。这种变化使日的长度在一个世纪内大 约增长12毫秒，使以地球自转周期为基准所计量的时间, 2000万年来累计慢了2 个多小时。引起地球自转减慢的根本 原因是偏心矩变小，其主要原因有太阳自转速度减慢、半径 和质量减少、日-地距离的增加等。（注：在研究了英国格林 尼治天文台从1836 年到1953年的太阳观测资料后，美国天 文学家埃迪发现，太阳的直径在不断地收缩。为进一步检验 这一发现，他还研究了美国海军天文台从 1846年以来的观 测记录，证实了他的发现。）周期性变化。50年代，通过 天文观测发现，地球自转速度有季节性的周期变化，春天变 慢，秋天变快。周年变化的振幅约为 2025 毫秒。这种变 化主要是由偏心距发生规律性的变化引起的。如下图所示： 地球的公转轨道是椭圆，太阳在一个焦点上，3 月初地球远 离太阳，偏心距变小导致自转变慢；九月初地球靠近太阳， 偏心距变大导致自转变快。自转速度的变化同日-地距离的变 化相适应，同样存在着半年周期。不规则变化。地球-月球 系统绕公共质心转动，当月球由近日点向远日点运动时，太 阳引力使月球公转变慢，进而导致地球-月球之间相互作用的 偏心矩增大，这个偏心矩对地球来说是阻力矩，地球自转变 慢；相反的，地球自转变快。此外，太阳自转速度的变化、 太阳风的强弱、其他行星引力等因素都能改变地球自转的速 度。这些因素使地球自转存在着时快时慢的不规则变化。任 何物体的运动都遵循相应地的力学法则，这是物理学最基本 的教义。如果有人说某种运动无规则，那是因为他还不知道 其中的规则。 通过天文观测，科学家还发现，在天体相距 较近时，利用牛顿定律计算的结果与实际观测有较大的差 距，只有在天体相距很远时，计算结果才比较接近实际观测。 利用修正后的定律公式可以知道，这是因为天体相距较近 时，角度a和角度0都很大，在引力之中切向力所占的比例 很大，所以利用牛顿定律计算的结果误差就较大；当天体相 距很远时，角度a和角度0都很小，切向力所占的比例很少, 利用牛顿定律计算的结果误差就较小。 下面对行星运动 的几种现象进行力学解释。 1，金星的逆向自转和自转变慢如果从太阳的北极上空鸟瞰太阳系，在偏心力矩的作用 下，所有的行星都应该以反时针方向自转，但是金星是个例 外，它顺时钟自转，周期是 243 天（地球日），是主要行星 中自转最慢的。考虑到金星的公转周期只有 224.65 天，它的 “一个恒星日”比金星的“一年”还要长，但是金星的太阳 日比恒星日为短，在金星表面的观测者每隔 116.75 天就会看 见太阳出没一次。太阳会从西边升起，然后在东边落下。金 星在赤道的转速只有6.5km/h，而地球在赤道的转速大约是 1600km/h。金星的顺时针转动是逆行的自转，当它的自转被 测量出来时，如何解释它的缓慢和逆行，是科学家的一个难 题。当它从太阳星云中形成时，金星的速度一定比现在更快， 并且是与其他行星做同方向的自转，但科学家的计算似乎显 示在数十亿年的岁月中，作用在它浓厚的大气层上的潮汐效 应会减缓它原来的转动速度，从而演变成今天的状况。另外， 加州理工学院的Alex Alemi和David Stevenson对早期太阳系 研究所建立的模型显示，在数十亿年前经由巨大的撞击事 件，金星曾至少有过一颗卫星。依据 Alemi 和 Stevenson 的 说法，大约过了一千万年后，另一次的撞击改变了这颗行星 的转向，使得金星的卫星逐渐螺旋向内，直到与金星碰撞并 合而为一。如果后续的碰撞创造出卫星，它们也会被相同的 方法吸收掉。 Alemi 和 Stevenson 目前的研究，科学界是否会 接纳，也依然是情况未明。金星大气和金星一样逆向自转， 但如果认为金星逆向自转现象是其大气层潮汐效应的结果， 经过数十亿年的岁月，自转应该基本稳定下来，可是目前的 观测发现，金星的自转速度在快速变慢。这说明大气潮汐不 是主导因素。上世纪 90 年代，美国实施的“麦哲伦”探测 计划对金星地表进行了基本覆盖全球的雷达成像。然而时隔 16 年之后，欧空局金星快车的测量数据却和当年的结果出现 了差异：金星的自转速度似乎要比原先的测量结果慢大约 6.5 分钟。这一结果也和近期从地面上使用雷达进行的测量数据 相吻合。尼尔斯穆勒是德国宇航中心的行星科学家，他说: “当两张地图无法相互吻合时，我脑海中的第一个想法是我 们是不是哪里搞错了？因为我知道麦哲伦探测器的数据是 极其精确的。但是我们反复核对了我们的数据，查找了所有 可能出错的地方，并没有发现错误。”一部分科学家，包括 来自比利时皇家天文台的奥兹尔卡拉特金认为这种差异可 能是由金星自转中存在的短期变化造成的，但是他们也指 出，当考虑较长的时间范畴时，这种变化应当可以被稀释掉。 也有一部分科学家认为，最新的大气模型显示金星可能存在 周期为数十年的气候变化，这种周期性变化也将对金星的长 期自转周期形成影响。还有其它一些因素，包括当金星和地 球周期性地相互靠近时两者时间存在的角动量交换。我认为 金星的逆向自转应该是很久以前金星与其它小行星或卫星 相撞而造成的。比如：海王星有颗名为海卫一的奇特卫星， 它是太阳系中最大的逆行卫星，运行轨道独特。通过受力分 析可以知道，因为卫星的公转与其受到的切向力反向，它缺 乏任何动力，将不断损失自己的能量，逐渐坠向海王星，最 终有一天，它会撞击海王星，（注：科学家发现海卫一在倾 角很大的逆行轨道上运转，周期为 5.877 天，距离海王星 35.4 千米。计算表明，它的轨道在逐渐缩小。）那时，海王星将 因反向的撞击而自转变慢。金星的逆向自转应该就是这样造 成的，但是，逆向自转不是一个稳定状态，它将在顺向的偏 心力矩的作用下逐渐减慢，最终变成顺向自转，并和整个天 体系统保持一种动态的平衡状态。金星逆向自转快速变慢正 验证了这种情况。此外，金星的大气状况和地表特征也显示 它遭受过剧烈撞击。金星的大气密度约为地球大气的 100 倍， 主要为“保温气体”二氧化碳，约占96%，氮约占3%， 其表面温度高达摄氏465485度；在金星高度5070千米 的上空，悬浮着一层厚达2030千米的由浓硫酸组成的浓 云，把大气分割为上下两层，其中还掺杂着硫粒子，所以金 星呈现黄色；金星大气层惊人的密度和厚度造成金星上的气 压很高，约为地球的 90 倍。金星上可谓火山密布，是太阳 系中拥有火山数量最多的行星，大约90%的金星表面是由不 久之前才固化的玄武岩熔岩形成，金星上最古老的地表特征 仅有8 亿年历史；金星有一个巨大的峡谷，其深约 6 千米、 宽 200 多千米、长达 1000 千米；此外，金星表面有一个巨 大的直径达 120 千米的凹坑，其四周陡峭，深达 3 千米。在 气候良好的地球上，应该很难想像在太阳系中竟然有这样疯 狂的世界。它与水星和火星在各方面也都有着巨大的差异， 只有巨型天体的撞击能够造成这种现状，它导致整个金星地 表都发生了剧烈地动荡和重塑，并产生了如此浓密、多硫的 大气层。如果地球遭受巨型天体的逆向撞击，可以预见，其 结局将会与金星非常类似。金星上的大气状况和地表特征以 及高得令人瞠目结舌的温度都显示它遭受了这种撞击，它也 许就发生在一千万年以前的旋臂之旅之中。科学家对金星的 逆向自转变慢进行了各种解释，但都是一种推测，缺乏强有 力的力学解释，因而都未被科学界所广泛接受。它被科学界 认为是一个宇宙未解之谜。认识到偏心力矩的存在，这个现 象就能够得到合理的解释。金星自转快速变慢粉碎了科学界 天体或天体系统能够保持角动量守恒的错误观念。我常想， 在太阳系内能够出现一个逆向自转的金星，对人类来说，这 真是太幸运了！因为它可以以自己的实际行动警醒人类-天体 系统并不能维持转动惯量（角动量）守恒，如果没有持续的 能量输入，天体系统原始的转动惯量很快就会损失殆尽。2， 行星近日点进动根据圆周运动的规律可知，当行星只受向心 力的作用，切向合力为零时，将做圆周运动。但是，当存在 与运动方向一致的切向合力时，切向合力做功使行星的动能 和势能的总能量增加，行星在做椭圆运动的同时，将沿外螺 旋线轨迹缓慢飞离太阳，同时，远日点和近日点出现进动现 象；当存在与运动方向相反的切向合力时，行星损失能量， 在做椭圆运动的同时，将以内螺旋线轨迹缓慢靠近太阳，同 时远日点和近日点出现退动现象。因为退动无法长期存在， 所以在宇宙中这种现象极少。 正是切向力的作用，使行星 产生近日点进动现象。其中，使水星的近日点进动比按照牛 顿定律计算的结果每世纪快 43 弧秒。3，地球正在远离太阳 天文单位太阳和地球间的平均距离被认为是一个天 文常数。科学家使用雷达测距技术来测量地球和行星之间的 距离，进而得出天文单位的数值，它已经具有了 11 位有效 数字，这使得它成为了被测量得最精准的天文常数。在分析 了大量的观测数据之后，天文学家发现天文单位正在以每世 纪 7m 的速度增长。换句话说地球正在以这个速度离开太阳。 根据牛顿力学原理，在考虑了所有已知的相互作用之后，目 前天文学家依然无法解释这一现象。当然又是切向力，太阳 自转引起的切向力，不但克服地球的阻力，还给地球加速， 使它逐渐远离太阳。