【摘 要】 宇宙對(duì)當(dāng)今人們來(lái)說(shuō)，已有大概的了解，但仍有諸多疑問(wèn)，不少人對(duì)宇宙仍有一種神秘莫測(cè)的感覺(jué)。本文用動(dòng)力學(xué)原理比較細(xì)致地解開(kāi)了有關(guān)宇宙的諸多之謎，使讀者和同行對(duì)宇宙的形成、發(fā)展、變化及宇宙的大小、年齡等問(wèn)題能有一個(gè)比較清晰的了解和認(rèn)識(shí)。

【關(guān)鍵詞】 宇宙 力學(xué) 圓周運(yùn)動(dòng)

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(huì)問(wèn)：天有多大？宇宙有沒(méi)有邊界？對(duì)于這些問(wèn)題，在科學(xué)文化已基本普及的今天，想必人們已經(jīng)有了明確的答案——天沒(méi)有盡頭，宇宙沒(méi)有邊界，但真正能知道其道理的人就不多了。本文將用動(dòng)力學(xué)原理來(lái)解答有關(guān)宇宙的諸多奧秘。

宇宙奧秘

1.人類目前所認(rèn)識(shí)的宇宙

首先，我們認(rèn)識(shí)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(tài)。這些大小不同的星球都在永不停息地相對(duì)運(yùn)動(dòng)著。至于這些星球都在如何運(yùn)動(dòng)，16世紀(jì)的開(kāi)普勒和17世紀(jì)的牛頓已經(jīng)作出了科學(xué)準(zhǔn)確的論斷。開(kāi)普勒認(rèn)為：所有星球都圍繞著太陽(yáng)作大小不同的橢圓運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)在這些橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。這個(gè)被稱為“日心說(shuō)”的理論推翻了統(tǒng)治人們一千多年的“地心說(shuō)”理論。而牛頓所發(fā)現(xiàn)的萬(wàn)有引力定律則更揭示了行星球繞太陽(yáng)作橢圓運(yùn)動(dòng)的真正原因。牛頓認(rèn)為：任何物體之間都存在著引力，（也稱萬(wàn)有引力），引力的大小與兩物體的質(zhì)量成乘積成正比，與兩物體之間的距離平方成反比，即：

根據(jù)這條定律，我們就自然知道了行星與太陽(yáng)之間也存在著引力，這個(gè)引力恰好提供了行星繞太陽(yáng)作橢圓運(yùn)動(dòng)的必要條件——向心力。這也就是說(shuō)，正是因?yàn)樘?yáng)對(duì)行星有引力，所以行星才能繞太陽(yáng)作圓周運(yùn)動(dòng)。

因牛頓和開(kāi)普勒兩人所得出來(lái)的結(jié)論是他們經(jīng)過(guò)多年對(duì)天體的觀察記錄，然后再根據(jù)科學(xué)的分析計(jì)算而得出來(lái)的結(jié)論，并非是一種推論，可以說(shuō)是實(shí)驗(yàn)結(jié)論，而且后來(lái)人們也用他們所取得的理論成功地解釋了不少天文現(xiàn)象，所以我們說(shuō)他們的結(jié)論是正確的，也可以認(rèn)為是“真理”。本文的所有推論都是以他們的結(jié)論為依據(jù)，再根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理來(lái)分析的。

為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，且行星繞太陽(yáng)的轉(zhuǎn)動(dòng)軌道也比較接近圓，我們把行星繞太陽(yáng)的橢圓運(yùn)動(dòng)可以看成是圓周運(yùn)動(dòng)。

牛頓萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)，筆者認(rèn)為不僅揭示了行星繞太陽(yáng)作圓周運(yùn)動(dòng)的真正原因，而且宣告了開(kāi)普勒的日心說(shuō)是有局限性的。開(kāi)普勒日心說(shuō)理論的局限性在于：認(rèn)為太陽(yáng)是宇宙的中心，是靜止不動(dòng)的，其他星球都是繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)。但是，牛頓的萬(wàn)有引力定律告訴我們，任何物體之間都存在著引力。據(jù)此，我們可以想象，在太陽(yáng)系之外，可能存在著比太陽(yáng)質(zhì)量更大的星系，它對(duì)地球的引力微不足道，但它對(duì)太陽(yáng)的引力就比較大了（因太陽(yáng)的質(zhì)量是地球質(zhì)量的330000倍）。此引力將會(huì)造成太陽(yáng)繞這個(gè)大星系作圓周運(yùn)動(dòng)。事實(shí)也正是如此，現(xiàn)代科學(xué)家已經(jīng)觀察到，太陽(yáng)正是攜帶著自己的行星們?cè)诓恢＞氲乩@銀河系作圓周運(yùn)動(dòng)。這就宣告了太陽(yáng)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(jù)上述思維路線：萬(wàn)有引力定律——向心力——圓周運(yùn)動(dòng)，很容易推想到，銀河系也不能充當(dāng)宇宙的中心，它將要繞著比自己質(zhì)量更大的星系作圓周運(yùn)動(dòng)，而這個(gè)質(zhì)量比銀河系質(zhì)量更大星系也會(huì)繞著比它質(zhì)量還要巨大的星系作圓周運(yùn)動(dòng)…… 以此類推，宇宙根本就找不到中心。如果宇宙連中心都沒(méi)有，那何談邊界之言呢？所以我們說(shuō)宇宙沒(méi)有邊界，宇宙是無(wú)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(zhuǎn)動(dòng)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(píng)果從樹(shù)上脫落后，總是要向地上掉而和地球結(jié)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(shuō)這些物體都是靜止不動(dòng)的那不可能，因?yàn)槲矬w之間有萬(wàn)有引力，宇宙中又沒(méi)有阻力，所以這些物體在引力的作用下，必然要相互運(yùn)動(dòng)。如何運(yùn)動(dòng)呢？也許它們不像現(xiàn)在這樣的轉(zhuǎn)動(dòng)，而是像蘋(píng)果落地這樣的相向靠近運(yùn)動(dòng)，結(jié)果許多小物體吸引在一起就形成了一個(gè)球體，這個(gè)球體就是一個(gè)基本星球。而質(zhì)量大的星球在引力的作用下，要繼續(xù)吞并質(zhì)量小的星球。大星球在吞并小星球的過(guò)程中，大星球吸引小星球的引力要做功，如圖1所示：

假設(shè)以大星球的中心為0點(diǎn)位置，大星球的徑為a，小星球距大星球中心0點(diǎn)的距離為b，假設(shè)大、小星球的質(zhì)量,

則在小星球被吸引到大星球上時(shí)，引力所做的功是：

（負(fù)號(hào)表示引力做功時(shí)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(dāng)質(zhì)點(diǎn)來(lái)看）

則大星球在吸引小星球的過(guò)程中，引力所做的功就是：

如此巨大的功，最終要轉(zhuǎn)化成該大星球的內(nèi)能而儲(chǔ)存在該大星球內(nèi)。其次，該大星球可能還要吸收更多的小星球，結(jié)果大星球的質(zhì)量越來(lái)越大，其內(nèi)部的壓力、內(nèi)能也會(huì)越來(lái)越大，這種內(nèi)能大到了該大星球無(wú)法容納的程度，該大星球就發(fā)生爆炸現(xiàn)象。爆炸后，這些大星球的碎片（也可就是小星球）又將漫無(wú)邊際地宇宙中飛行，在萬(wàn)有引力的作用下，有的就撞到了某個(gè)大星球上，成為這個(gè)大星球的吞并物，如地球上常見(jiàn)的隕石。有的則擦著某個(gè)大星球旁邊企圖飛過(guò)，當(dāng)它的速度恰好滿足它繞該大星球做圓周運(yùn)動(dòng)的條件時(shí)，它就被該大星球捕獲為自己的衛(wèi)星，這個(gè)小星球?qū)⒂啦煌Ｏ⒌丨h(huán)繞該大星球做圓周運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)然宇宙中每個(gè)大星球的壞繞星球也不一定都是其它星球的爆炸物所產(chǎn)生的，也完全有一種自然產(chǎn)生的現(xiàn)象：在宇宙的起初時(shí)期，所有的大小星球都在萬(wàn)有引力的作用下互相吸引而作相向運(yùn)動(dòng)，總想結(jié)合成更大的星球，在這樣的結(jié)合過(guò)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(shè)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(guò)中星旁邊時(shí)，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(yùn)動(dòng)的條件時(shí)，則此小星就被該中星捕獲成環(huán)繞自己運(yùn)轉(zhuǎn)的行星了。而該中星可能早就是這三顆星里大星的環(huán)繞行星了。

這樣，這個(gè)星球在宇宙中的吞并、爆炸、變遷的漸態(tài)過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，而進(jìn)入了較長(zhǎng)時(shí)期的繞著“主子”做圓周運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)程。比如火星，可能就是某個(gè)大星球的爆炸物在飛過(guò)太陽(yáng)旁時(shí)被太陽(yáng)捕獲為自己的衛(wèi)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(jīng)歷了吞并、爆炸、變遷的漸態(tài)后，總能找到“主子”，繞其“主子”做圓周運(yùn)動(dòng)而進(jìn)入自己生存的穩(wěn)態(tài)時(shí)期。不過(guò)要說(shuō)明的是，宇宙中的漸態(tài)不同地球上，仍需要很多年，而穩(wěn)態(tài)比漸態(tài)時(shí)間更長(zhǎng)，所以我們也可以順便說(shuō)句，宇宙的年齡也是無(wú)法確定的。

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

對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們用萬(wàn)有引力對(duì)它們做受力分析就可以了。假說(shuō)在某個(gè)時(shí)刻，太陽(yáng)、地球、金星、火星恰好轉(zhuǎn)到一條直線上了，如圖2所示：

所以金星、火星對(duì)地球的引力雖然巨大，但相對(duì)于太陽(yáng)的強(qiáng)大引力說(shuō)只能是微乎其微，就是金星、火星轉(zhuǎn)動(dòng)到距地球最近的位置，它們對(duì)地球繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的影響也是小得可以忽略。所以地球只能繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)。

思考3：太陽(yáng)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(yáng)轉(zhuǎn)，而不是太陽(yáng)繞著地球轉(zhuǎn)？

對(duì)于這個(gè)問(wèn)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但物體的質(zhì)量越大，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越難改變，而物體的質(zhì)量越小，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越好改變。太陽(yáng)的質(zhì)量是地球質(zhì)量的330000倍，盡管太陽(yáng)與地球的引力是相互作用的且大小相等，但因質(zhì)量相差得太大，所以太陽(yáng)能牽著地球轉(zhuǎn)，而地球不可能牽著太陽(yáng)轉(zhuǎn)。這就和日常生活中的一大人和一小孩相互拉著轉(zhuǎn)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(zhuǎn)而不是小孩拉著大人轉(zhuǎn)。

思考4：宇宙中如果某個(gè)星球同時(shí)受到二個(gè)大星球的引力，且這二個(gè)引力大小相當(dāng)，那么該星球究竟要繞哪個(gè)大星轉(zhuǎn)？

我們?nèi)杂萌f(wàn)有引力來(lái)說(shuō)明，假說(shuō)火星對(duì)地球的引力與太陽(yáng)對(duì)地球的引力已接近相等，即：

如此巨大的引力當(dāng)然更能引起火星繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)。但該火星的質(zhì)量已經(jīng)和太陽(yáng)的質(zhì)量相當(dāng)了，它會(huì)老老實(shí)實(shí)地繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)嗎？上面的思考3已經(jīng)告訴了我們是不會(huì)的。它與太陽(yáng)好像應(yīng)該是相互繞著轉(zhuǎn)，但這是不可能的。那它們應(yīng)該如何運(yùn)動(dòng)呢？結(jié)論只有一條，就是該火星要和太陽(yáng)做相向運(yùn)動(dòng)，要相互吸引吞并，結(jié)成一顆更大的星球。所以我們說(shuō)前面的假說(shuō)是不成立的，也就是說(shuō)在同一個(gè)星系里不可能有兩個(gè)“主子”，只能由一顆相對(duì)于本星系里其他星球來(lái)講質(zhì)量非常巨大的星球來(lái)做“主子”（如太陽(yáng)的質(zhì)量是火星質(zhì)量的3060000倍，是地球質(zhì)量的330000倍，所以太陽(yáng)就是太陽(yáng)系的主子），其他星球都是繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。

結(jié) 論

綜上所述，我們就可以得出結(jié)論，宇宙是無(wú)限大的，是沒(méi)有邊界的，宇宙中的所有星球都在做著近似圓周的橢圓運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的規(guī)律是：小星球繞著大星球轉(zhuǎn)，大星球繞著巨大星球轉(zhuǎn)……每個(gè)星球都有一個(gè)屬于自己的專用軌道，在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，它們都能對(duì)號(hào)入座，互不侵犯的轉(zhuǎn)動(dòng)著。

后 語(yǔ)

本文主要用牛頓的經(jīng)典力學(xué)定律（萬(wàn)有引力等）論述了宇宙中的相關(guān)問(wèn)題。但任何事物都不能一概而論，所以偉人們所發(fā)明的定理、定律也是相對(duì)的，并非都是絕對(duì)的。如牛頓所發(fā)現(xiàn)的經(jīng)典力學(xué)定律就遇到愛(ài)因斯坦的質(zhì)疑。愛(ài)因斯坦經(jīng)過(guò)一番艱苦的研究之后，發(fā)現(xiàn)牛頓的經(jīng)典力學(xué)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(xiàn)了運(yùn)動(dòng)物體在接近光速情況下的“長(zhǎng)度縮短，質(zhì)量變大”的相對(duì)論力學(xué)理論。但愛(ài)因斯坦的相對(duì)論力學(xué)理論并沒(méi)有完全推翻牛頓的經(jīng)典力學(xué)理論，它只是在新的條件環(huán)境下，對(duì)牛頓經(jīng)典力學(xué)理論的補(bǔ)充和延伸而已。同樣，現(xiàn)在物理界的理論學(xué)者們已經(jīng)在質(zhì)疑萬(wàn)有引力定律了。美國(guó)科學(xué)家說(shuō)在宇宙尺度水平上，牛頓的“萬(wàn)有引力定律”就不再有效，也就是說(shuō)“萬(wàn)有引力定律”存在局限性，只在一定條件下成立。實(shí)際上是說(shuō)反了，“萬(wàn)有引力定律”恰恰是在宇宙尺度（太陽(yáng)系尺度）上有效。因?yàn)椤耙Χ伞笔墙?jīng)驗(yàn)公式。引力定律僅在“九大行星”范圍內(nèi)“精確”（也不是絕對(duì)的），因?yàn)椤捌椒椒幢嚷伞本褪怯纱说贸龅摹Ｔ凇摆ね跣恰避壍乐猓蛟凇八恰避壍乐畠?nèi)，就不一定絕對(duì)按平方反比律。所以，“先驅(qū)者11”、“伽利略”以及“尤利西斯”等探測(cè)器偏離按照“萬(wàn)有引力定律”計(jì)算的軌道，是很正常的。這些討論都是對(duì)引力理論的進(jìn)一步發(fā)展和延伸。但愿經(jīng)典力學(xué)能得到更長(zhǎng)足的進(jìn)步和完善。

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