用力学观点浅谈宇宙奥秘
【摘 要】 宇宙对当今人们来说，已有大概的了解，但仍有诸多疑问，不少人对宇宙仍有一种神秘莫测的感觉。本文用动力学原理比较细致地解开了有关宇宙的诸多之谜，使读者和同行对宇宙的形成、发展、变化及宇宙的大小、年龄等问题能有一个比较清晰的了解和认识。
【关键词】 宇宙 力学 圆周运动
引 言
夜晚，人们抬头仰望群星灿烂的夜空，尽情地欣赏着这大自然的美景。欣赏之余，人们不免会问：天有多大？宇宙有没有边界？对于这些问题，在科学文化已基本普及的今天，想必人们已经有了明确的答案——天没有尽头，宇宙没有边界，但真正能知道其道理的人就不多了。本文将用动力学原理来解答有关宇宙的诸多奥秘。
宇宙奥秘
1.人类目前所认识的宇宙
首先，我们认识一下宇宙。宇宙是由大大小小的星球组成（地球和月球也是星球），这些星球有的是固体，有的是液体，有的是气体或等离子体态。这些大小不同的星球都在永不停息地相对运动着。至于这些星球都在如何运动，16世纪的开普勒和17世纪的牛顿已经作出了科学准确的论断。开普勒认为：所有星球都围绕着太阳作大小不同的椭圆运动，太阳在这些椭圆的一个焦点上。这个被称为“日心说”的理论推翻了统治人们一千多年的“地心说”理论。而牛顿所发现的万有引力定律则更揭示了行星球绕太阳作椭圆运动的真正原因。牛顿认为：任何物体之间都存在着引力，（也称万有引力），引力的大小与两物体的质量成乘积成正比，与两物体之间的距离平方成反比，即：
根据这条定律，我们就自然知道了行星与太阳之间也存在着引力，这个引力恰好提供了行星绕太阳作椭圆运动的必要条件——向心力。这也就是说，正是因为太阳对行星有引力，所以行星才能绕太阳作圆周运动。
因牛顿和开普勒两人所得出来的结论是他们经过多年对天体的观察记录，然后再根据科学的分析计算而得出来的结论，并非是一种推论，可以说是实验结论，而且后来人们也用他们所取得的理论成功地解释了不少天文现象，所以我们说他们的结论是正确的，也可以认为是“真理”。本文的所有推论都是以他们的结论为依据，再根据动力学原理来分析的。
为了使问题简化，且行星绕太阳的转动轨道也比较接近圆，我们把行星绕太阳的椭圆运动可以看成是圆周运动。
牛顿万有引力定律的发现，笔者认为不仅揭示了行星绕太阳作圆周运动的真正原因，而且宣告了开普勒的日心说是有局限性的。开普勒日心说理论的局限性在于：认为太阳是宇宙的中心，是静止不动的，其他星球都是绕着太阳转。但是，牛顿的万有引力定律告诉我们，任何物体之间都存在着引力。据此，我们可以想象，在太阳系之外，可能存在着比太阳质量更大的星系，它对地球的引力微不足道，但它对太阳的引力就比较大了（因太阳的质量是地球质量的330000倍）。此引力将会造成太阳绕这个大星系作圆周运动。事实也正是如此，现代科学家已经观察到，太阳正是携带着自己的行星们在不知疲倦地绕银河系作圆周运动。这就宣告了太阳不是宇宙的中心，银河系被暂定为宇宙的中心。然而，我们根据上述思维路线：万有引力定律——向心力——圆周运动，很容易推想到，银河系也不能充当宇宙的中心，它将要绕着比自己质量更大的星系作圆周运动，而这个质量比银河系质量更大星系也会绕着比它质量还要巨大的星系作圆周运动…… 以此类推，宇宙根本就找不到中心。如果宇宙连中心都没有，那何谈边界之言呢？所以我们说宇宙没有边界，宇宙是无限大的。
2.基于以上的推论和阐述提出以下思考
思考1：宇宙中星球之间在引力作用下，就只有转动这一种情况吗？
分析：在地球上如果两物体之间有引力，总是要相吸在一起，比如苹果从树上脱落后，总是要向地上掉而和地球结合在一起。宇宙中也同样，在宇宙形成之初，宇宙中有大大小小的物体。要说这些物体都是静止不动的那不可能，因为物体之间有万有引力，宇宙中又没有阻力，所以这些物体在引力的作用下，必然要相互运动。如何运动呢？也许它们不像现在这样的转动，而是像苹果落地这样的相向靠近运动，结果许多小物体吸引在一起就形成了一个球体，这个球体就是一个基本星球。而质量大的星球在引力的作用下，要继续吞并质量小的星球。大星球在吞并小星球的过程中，大星球吸引小星球的引力要做功，如图1所示：
假设以大星球的中心为0点位置，大星球的径为a，小星球距大星球中心0点的距离为b，假设大、小星球的质量是：
则在小星球被吸引到大星球上时，引力所做的功是：
（负号表示引力做功时引力F与位移S的方向相反）
其中：如果a=6500000米， （因小星球很小，所以可将小星球当质点来看）
则大星球在吸引小星球的过程中，引力所做的功就是：
如此巨大的功，最终要转化成该大星球的内能而储存在该大星球内。其次，该大星球可能还要吸收更多的小星球，结果大星球的质量越来越大，其内部的压力、内能也会越来越大，这种内能大到了该大星球无法容纳的程度，该大星球就发生爆炸现象。爆炸后，这些大星球的碎片（也可就是小星球）又将漫无边际地宇宙中飞行，在万有引力的作用下，有的就撞到了某个大星球上，成为这个大星球的吞并物，如地球上常见的陨石。有的则擦着某个大星球旁边企图飞过，当它的速度恰好满足它绕该大星球做圆周运动的条件时，它就被该大星球捕获为自己的卫星，这个小星球将永不停息地环绕该大星球做圆周运动。
当然宇宙中每个大星球的坏绕星球也不一定都是其它星球的爆炸物所产生的，也完全有一种自然产生的现象：在宇宙的起初时期，所有的大小星球都在万有引力的作用下互相吸引而作相向运动，总想结合成更大的星球，在这样的结合过程中，某些小星球就自然而然地变成了某些大星球的坏绕行星了。我们假设有大、中、小三星，大星要吸引小星向已靠近，小星在飞往大星而路过中星旁边时，它的飞行速度、距中星的距离等条件正好符合坏绕中星做圆周运动的条件时，则此小星就被该中星捕获成环绕自己运转的行星了。而该中星可能早就是这三颗星里大星的环绕行星了。
这样，这个星球在宇宙中的吞并、爆炸、变迁的渐态过程已经结束，而进入了较长时期的绕着“主子”做圆周运动的稳态过程。比如火星，可能就是某个大星球的爆炸物在飞过太阳旁时被太阳捕获为自己的卫星（行星）。所以，宇宙的形成也就是上面所述：大大小小的物体块（星球），在经历了吞并、爆炸、变迁的渐态后，总能找到“主子”，绕其“主子”做圆周运动而进入自己生存的稳态时期。不过要说明的是，宇宙中的渐态不同地球上，仍需要很多年，而稳态比渐态时间更长，所以我们也可以顺便说句，宇宙的年龄也是无法确定的。
思考2：地球的近邻是金星和火星，它们对地球都有引力，为什么地球不绕金星、火星转，而要绕太阳转？
对这个问题，我们用万有引力对它们做受力分析就可以了。假说在某个时刻，太阳、地球、金星、火星恰好转到一条直线上了，如图2所示：
所以金星、火星对地球的引力虽然巨大，但相对于太阳的强大引力说只能是微乎其微，就是金星、火星转动到距地球最近的位置，它们对地球绕太阳运转的影响也是小得可以忽略。所以地球只能绕着太阳转。
思考3：太阳和地球的引力是相互作用的，且是大小相等的，为什么总是地球绕着太阳转，而不是太阳绕着地球转？
对于这个问题，由牛顿第二定律就可以得到解释。牛顿第二定律 告诉我们，力可以改变物体的运动状态，但物体的质量越大，其运动状态越难改变，而物体的质量越小，其运动状态越好改变。太阳的质量是地球质量的330000倍，尽管太阳与地球的引力是相互作用的且大小相等，但因质量相差得太大，所以太阳能牵着地球转，而地球不可能牵着太阳转。这就和日常生活中的一大人和一小孩相互拉着转一样，尽管大人和小孩之间的相互拉力是相等的，但总是大人拉着小孩转而不是小孩拉着大人转。
思考4：宇宙中如果某个星球同时受到二个大星球的引力，且这二个引力大小相当，那么该星球究竟要绕哪个大星转？
我们仍用万有引力来说明，假说火星对地球的引力与太阳对地球的引力已接近相等，即：
如此巨大的引力当然更能引起火星绕着太阳转。但该火星的质量已经和太阳的质量相当了，它会老老实实地绕着太阳转吗？上面的思考3已经告诉了我们是不会的。它与太阳好像应该是相互绕着转，但这是不可能的。那它们应该如何运动呢？结论只有一条，就是该火星要和太阳做相向运动，要相互吸引吞并，结成一颗更大的星球。所以我们说前面的假说是不成立的，也就是说在同一个星系里不可能有两个“主子”，只能由一颗相对于本星系里其他星球来讲质量非常巨大的星球来做“主子”（如太阳的质量是火星质量的3060000倍，是地球质量的330000倍，所以太阳就是太阳系的主子），其他星球都是绕着太阳转动。
结 论
综上所述，我们就可以得出结论，宇宙是无限大的，是没有边界的，宇宙中的所有星球都在做着近似圆周的椭圆运动，转动的规律是：小星球绕着大星球转，大星球绕着巨大星球转……每个星球都有一个属于自己的专用轨道，在一个相当长的时间内，它们都能对号入座，互不侵犯的转动着。
后 语
本文主要用牛顿的经典力学定律（万有引力等）论述了宇宙中的相关问题。但任何事物都不能一概而论，所以伟人们所发明的定理、定律也是相对的，并非都是绝对的。如牛顿所发现的经典力学定律就遇到爱因斯坦的质疑。爱因斯坦经过一番艰苦的研究之后，发现牛顿的经典力学定律只在常速下成立，而在物体接近光速的情况下就不成立了。这就出现了运动物体在接近光速情况下的“长度缩短，质量变大”的相对论力学理论。但爱因斯坦的相对论力学理论并没有完全推翻牛顿的经典力学理论，它只是在新的条件环境下，对牛顿经典力学理论的补充和延伸而已。同样，现在物理界的理论学者们已经在质疑万有引力定律了。美国科学家说在宇宙尺度水平上，牛顿的“万有引力定律”就不再有效，也就是说“万有引力定律”存在局限性，只在一定条件下成立。实际上是说反了，“万有引力定律”恰恰是在宇宙尺度（太阳系尺度）上有效。因为“引力定律”是经验公式。引力定律仅在“九大行星”范围内“精确”（也不是绝对的），因为“平方反比律”就是由此得出的。在“冥王星”轨道之外，或在“水星”轨道之内，就不一定绝对按平方反比律。所以，“先驱者11”、“伽利略”以及“尤利西斯”等探测器偏离按照“万有引力定律”计算的轨道，是很正常的。这些讨论都是对引力理论的进一步发展和延伸。但愿经典力学能得到更长足的进步和完善。
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作者单位：咸阳职业技术学院 陕西咸阳