用力學觀點淺談宇宙奧秘

【摘 要】 宇宙對當今人們來說，已有大概的了解，但仍有諸多疑問，不少人對宇宙仍有一種神秘莫測的感覺。本文用動力學原理比較細致地解開了有關宇宙的諸多之謎，使讀者和同行對宇宙的形成、發展、變化及宇宙的大小、年齡等問題能有一個比較清晰的了解和認識。

【關鍵詞】 宇宙 力學 圓周運動

引 言

夜晚，人們抬頭仰望群星燦爛的夜空，盡情地欣賞著這大自然的美景。欣賞之余，人們不免會問：天有多大？宇宙有沒有邊界？對于這些問題，在科學文化已基本普及的今天，想必人們已經有了明確的答案——天沒有盡頭，宇宙沒有邊界，但真正能知道其道理的人就不多了。本文將用動力學原理來解答有關宇宙的諸多奧秘。

宇宙奧秘

1.人類目前所認識的宇宙

首先，我們認識一下宇宙。宇宙是由大大小小的星球組成（地球和月球也是星球），這些星球有的是固體，有的是液體，有的是氣體或等離子體態。這些大小不同的星球都在永不停息地相對運動著。至于這些星球都在如何運動，16世紀的開普勒和17世紀的牛頓已經作出了科學準確的論斷。開普勒認為：所有星球都圍繞著太陽作大小不同的橢圓運動，太陽在這些橢圓的一個焦點上。這個被稱為“日心說”的理論推翻了統治人們一千多年的“地心說”理論。而牛頓所發現的萬有引力定律則更揭示了行星球繞太陽作橢圓運動的真正原因。牛頓認為：任何物體之間都存在著引力，（也稱萬有引力），引力的大小與兩物體的質量成乘積成正比，與兩物體之間的距離平方成反比，即：

根據這條定律，我們就自然知道了行星與太陽之間也存在著引力，這個引力恰好提供了行星繞太陽作橢圓運動的必要條件——向心力。這也就是說，正是因為太陽對行星有引力，所以行星才能繞太陽作圓周運動。

因牛頓和開普勒兩人所得出來的結論是他們經過多年對天體的觀察記錄，然后再根據科學的分析計算而得出來的結論，并非是一種推論，可以說是實驗結論，而且后來人們也用他們所取得的理論成功地解釋了不少天文現象，所以我們說他們的結論是正確的，也可以認為是“真理”。本文的所有推論都是以他們的結論為依據，再根據動力學原理來分析的。

為了使問題簡化，且行星繞太陽的轉動軌道也比較接近圓，我們把行星繞太陽的橢圓運動可以看成是圓周運動。

牛頓萬有引力定律的發現，筆者認為不僅揭示了行星繞太陽作圓周運動的真正原因，而且宣告了開普勒的日心說是有局限性的。開普勒日心說理論的局限性在于：認為太陽是宇宙的中心，是靜止不動的，其他星球都是繞著太陽轉。但是，牛頓的萬有引力定律告訴我們，任何物體之間都存在著引力。據此，我們可以想象，在太陽系之外，可能存在著比太陽質量更大的星系，它對地球的引力微不足道，但它對太陽的引力就比較大了（因太陽的質量是地球質量的330000倍）。此引力將會造成太陽繞這個大星系作圓周運動。事實也正是如此，現代科學家已經觀察到，太陽正是攜帶著自己的行星們在不知疲倦地繞銀河系作圓周運動。這就宣告了太陽不是宇宙的中心，銀河系被暫定為宇宙的中心。然而，我們根據上述思維路線：萬有引力定律——向心力——圓周運動，很容易推想到，銀河系也不能充當宇宙的中心，它將要繞著比自己質量更大的星系作圓周運動，而這個質量比銀河系質量更大星系也會繞著比它質量還要巨大的星系作圓周運動…… 以此類推，宇宙根本就找不到中心。如果宇宙連中心都沒有，那何談邊界之言呢？所以我們說宇宙沒有邊界，宇宙是無限大的。

2.基于以上的推論和闡述提出以下思考

思考1：宇宙中星球之間在引力作用下，就只有轉動這一種情況嗎？

分析：在地球上如果兩物體之間有引力，總是要相吸在一起，比如蘋果從樹上脫落后，總是要向地上掉而和地球結合在一起。宇宙中也同樣，在宇宙形成之初，宇宙中有大大小小的物體。要說這些物體都是靜止不動的那不可能，因為物體之間有萬有引力，宇宙中又沒有阻力，所以這些物體在引力的作用下，必然要相互運動。如何運動呢？也許它們不像現在這樣的轉動，而是像蘋果落地這樣的相向靠近運動，結果許多小物體吸引在一起就形成了一個球體，這個球體就是一個基本星球。而質量大的星球在引力的作用下，要繼續吞并質量小的星球。大星球在吞并小星球的過程中，大星球吸引小星球的引力要做功，如圖1所示：

假設以大星球的中心為0點位置，大星球的徑為a，小星球距大星球中心0點的距離為b，假設大、小星球的質量是：

則在小星球被吸引到大星球上時，引力所做的功是：

（負號表示引力做功時引力F與位移S的方向相反）

其中：如果a=6500000米， （因小星球很小，所以可將小星球當質點來看）

則大星球在吸引小星球的過程中，引力所做的功就是：

如此巨大的功，最終要轉化成該大星球的內能而儲存在該大星球內。其次，該大星球可能還要吸收更多的小星球，結果大星球的質量越來越大，其內部的壓力、內能也會越來越大，這種內能大到了該大星球無法容納的程度，該大星球就發生爆炸現象。爆炸后，這些大星球的碎片（也可就是小星球）又將漫無邊際地宇宙中飛行，在萬有引力的作用下，有的就撞到了某個大星球上，成為這個大星球的吞并物，如地球上常見的隕石。有的則擦著某個大星球旁邊企圖飛過，當它的速度恰好滿足它繞該大星球做圓周運動的條件時，它就被該大星球捕獲為自己的衛星，這個小星球將永不停息地環繞該大星球做圓周運動。

當然宇宙中每個大星球的壞繞星球也不一定都是其它星球的爆炸物所產生的，也完全有一種自然產生的現象：在宇宙的起初時期，所有的大小星球都在萬有引力的作用下互相吸引而作相向運動，總想結合成更大的星球，在這樣的結合過程中，某些小星球就自然而然地變成了某些大星球的壞繞行星了。我們假設有大、中、小三星，大星要吸引小星向已靠近，小星在飛往大星而路過中星旁邊時，它的飛行速度、距中星的距離等條件正好符合壞繞中星做圓周運動的條件時，則此小星就被該中星捕獲成環繞自己運轉的行星了。而該中星可能早就是這三顆星里大星的環繞行星了。

這樣，這個星球在宇宙中的吞并、爆炸、變遷的漸態過程已經結束，而進入了較長時期的繞著“主子”做圓周運動的穩態過程。比如火星，可能就是某個大星球的爆炸物在飛過太陽旁時被太陽捕獲為自己的衛星（行星）。所以，宇宙的形成也就是上面所述：大大小小的物體塊（星球），在經歷了吞并、爆炸、變遷的漸態后，總能找到“主子”，繞其“主子”做圓周運動而進入自己生存的穩態時期。不過要說明的是，宇宙中的漸態不同地球上，仍需要很多年，而穩態比漸態時間更長，所以我們也可以順便說句，宇宙的年齡也是無法確定的。

思考2：地球的近鄰是金星和火星，它們對地球都有引力，為什么地球不繞金星、火星轉，而要繞太陽轉？

對這個問題，我們用萬有引力對它們做受力分析就可以了。假說在某個時刻，太陽、地球、金星、火星恰好轉到一條直線上了，如圖2所示：

所以金星、火星對地球的引力雖然巨大，但相對于太陽的強大引力說只能是微乎其微，就是金星、火星轉動到距地球最近的位置，它們對地球繞太陽運轉的影響也是小得可以忽略。所以地球只能繞著太陽轉。

思考3：太陽和地球的引力是相互作用的，且是大小相等的，為什么總是地球繞著太陽轉，而不是太陽繞著地球轉？

對于這個問題，由牛頓第二定律就可以得到解釋。牛頓第二定律 告訴我們，力可以改變物體的運動狀態，但物體的質量越大，其運動狀態越難改變，而物體的質量越小，其運動狀態越好改變。太陽的質量是地球質量的330000倍，盡管太陽與地球的引力是相互作用的且大小相等，但因質量相差得太大，所以太陽能牽著地球轉，而地球不可能牽著太陽轉。這就和日常生活中的一大人和一小孩相互拉著轉一樣，盡管大人和小孩之間的相互拉力是相等的，但總是大人拉著小孩轉而不是小孩拉著大人轉。

思考4：宇宙中如果某個星球同時受到二個大星球的引力，且這二個引力大小相當，那么該星球究竟要繞哪個大星轉？

我們仍用萬有引力來說明，假說火星對地球的引力與太陽對地球的引力已接近相等，即：

如此巨大的引力當然更能引起火星繞著太陽轉。但該火星的質量已經和太陽的質量相當了，它會老老實實地繞著太陽轉嗎？上面的思考3已經告訴了我們是不會的。它與太陽好像應該是相互繞著轉，但這是不可能的。那它們應該如何運動呢？結論只有一條，就是該火星要和太陽做相向運動，要相互吸引吞并，結成一顆更大的星球。所以我們說前面的假說是不成立的，也就是說在同一個星系里不可能有兩個“主子”，只能由一顆相對于本星系里其他星球來講質量非常巨大的星球來做“主子”（如太陽的質量是火星質量的3060000倍，是地球質量的330000倍，所以太陽就是太陽系的主子），其他星球都是繞著太陽轉動。

結 論

綜上所述，我們就可以得出結論，宇宙是無限大的，是沒有邊界的，宇宙中的所有星球都在做著近似圓周的橢圓運動，轉動的規律是：小星球繞著大星球轉，大星球繞著巨大星球轉……每個星球都有一個屬于自己的專用軌道，在一個相當長的時間內，它們都能對號入座，互不侵犯的轉動著。

后 語

本文主要用牛頓的經典力學定律（萬有引力等）論述了宇宙中的相關問題。但任何事物都不能一概而論，所以偉人們所發明的定理、定律也是相對的，并非都是絕對的。如牛頓所發現的經典力學定律就遇到愛因斯坦的質疑。愛因斯坦經過一番艱苦的研究之后，發現牛頓的經典力學定律只在常速下成立，而在物體接近光速的情況下就不成立了。這就出現了運動物體在接近光速情況下的“長度縮短，質量變大”的相對論力學理論。但愛因斯坦的相對論力學理論并沒有完全推翻牛頓的經典力學理論，它只是在新的條件環境下，對牛頓經典力學理論的補充和延伸而已。同樣，現在物理界的理論學者們已經在質疑萬有引力定律了。美國科學家說在宇宙尺度水平上，牛頓的“萬有引力定律”就不再有效，也就是說“萬有引力定律”存在局限性，只在一定條件下成立。實際上是說反了，“萬有引力定律”恰恰是在宇宙尺度（太陽系尺度）上有效。因為“引力定律”是經驗公式。引力定律僅在“九大行星”范圍內“精確”（也不是絕對的），因為“平方反比律”就是由此得出的。在“冥王星”軌道之外，或在“水星”軌道之內，就不一定絕對按平方反比律。所以，“先驅者11”、“伽利略”以及“尤利西斯”等探測器偏離按照“萬有引力定律”計算的軌道，是很正常的。這些討論都是對引力理論的進一步發展和延伸。但愿經典力學能得到更長足的進步和完善。

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作者單位：咸陽職業技術學院 陜西咸陽