宇宙膨胀的力学原因——天体的辐射压

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现代天文已经观测到数千亿个星系,每个星系的恒星数在数亿颗至上万亿颗范围。2004年,澳大利亚天文学界统计的宇宙中恒星总数量是700万亿亿颗,被认为是目前最有权威的统计数据。

宇宙膨胀的力学原因——天体的辐射压 作者 吴东敏

人类对宇宙的观测已有数千年的历史。近几百年以来,望远镜和光谱学的研发,大大推进了天文观测的进度和深度。

现代天文已经观测到数千亿个星系,每个星系的恒星数在数亿颗至上万亿颗范围。2004年,澳大利亚天文学界统计的宇宙中恒星总数量是700万亿亿颗,被认为是目前最有权威的统计数据。本银河系的恒星数约为2000亿颗,属中上等数量恒星的星系。星系的大小尺度在5000光年至50万光年范围内。星系就像宇宙中的小岛,在大尺度上看,它们较为均匀地分布在宇宙空间中。

上世纪20年代,以哈勃为首的天文学家,在光谱观测中发现了光谱红移和光谱蓝移现象。根据波动的多普勒效应,当一个星系或恒星快速离开地球时,对其辐射过来的光波进行观测,第二个波长比第一个波长到来晚一点。由于天体作离开运动,其辐射的光波的波长相当于被拉长,表现为光谱线的红移。哈勃发现绝大多数的星系的光谱线向红端移动,经过长时间的观测,判断,总结表明:宇宙并非相对静止,在大尺度空间中,几乎均匀分布的星系之间的距离正在互相增大,而是处于几乎是均匀膨胀的状态之中。

一个含有数千亿个星系以光速作均匀膨胀的宇宙,看起来与稳恒态宇宙并无多大差别。在地球人看来是很快的速度——光速,对于宇宙尺度来说是太小了,可以把每秒30万公里与每秒1米的速度看成近似相等。电脑演示的宇宙膨胀动画模型很不合理;因为,一个10万光年尺度的宇宙小岛发生一个位移(10万光年)需要的时间,人生一辈子以百年计算,须要1000辈子。然而,不能用直观速度合理描述的宇宙膨胀模型,却可以用光谱线的红移来发现它。

星系间距不断互相拉大的宇宙膨胀现象,必然存在一种斥力,只有在这种斥力大于星系之间万有引力的情况下才能产生相斥运动,才能使宇宙膨胀。如果星系之间只存在万有引力而不存在使它们互相斥开的斥力的话,宇宙是极不稳定的,势必会发生激烈的星球大战。在简单的模拟分析中便可得知,只有在斥力起主导作用时,宇宙才处于稳定状态。

爱因斯坦当年为了得到一个稳定的宇宙,设计了“宇宙常数”,并引进到它的理论中来。宇宙膨胀现象发现和确定以后,使爱因斯坦感到后悔。近几年以来,有部分科学家认为爱因斯坦后悔太早了,又重新拾起“宇宙常数”,认为它是解释宇宙膨胀现象最好的理论方法。把宇宙常数视为“暗能量”的灵魂,具有“反引力”,驱动着宇宙不断膨胀。但是,一切研究仍然停留在唯心的设想之中。

在寻找“斥力”的时候,我曾作过各种分析。最后找到了天体的辐射压才是宇宙膨胀的力学原因。说明如下:

辐射压是指天体光辐射与热辐射对空间中其它天体的排斥压力(热辐射对于星系际空间尺度来说暂忽略不计)。恒星光辐射的压力到底有多大?由于星系的天文资料的短缺和不完整,只能做星系之间辐射压力与万有引力大小相比较,然后作出定性分析及其结论。也可足已证明宇宙膨胀的本质原因之所在。

一, 光子的动量与动量定理。

1917年爱因斯坦提出光子具有动量的假设,被1923年康普顿X射线散射实验所证实。光子不仅具有能量,而且还具有动量。X光子与电子发生碰撞的过程遵守能量守恒定律与动量守恒定律。在量子力学中,有关光子能量与动量可以用下面的公式计算或互相换算:

P=E/c p=h/λ p=hν/c c=λν E=hν E=mc^2

P为光子动量(Ns),h为普朗克常数(Js), λ为波长(m),ν为频率(Hz或 1/s)

C为光速常数(m/s),E为能量(J),m为质量(kg),mc为光子动量(kgm/s)

在物理学中,把力F和力作用的时间t的乘积Ft叫做力的冲量。冲量用I表示,表达式为:I=Ft ,冲量是矢量,它的方向就是力的方向。在国际单位制中用牛顿秒(Ns)来确定冲量的大小,1Ns=1kgm/s 。而动量的单位在p=mv中也为kgm/s,所以动量的单位与冲量的单位是相同的。在力学中,物体所受合外力的冲量等于它的动量变化量,数学公式为:Ft=Δp或Ft=mv’-mv ,其中mv为初动量,mv’为末动量,这就是动量定理,其中的力可以是恒力,也可以是变力。定理中的力应理解为作用时间内的平均作用力。

康普顿X射线散射实验里,光子与电子碰撞过程中的动量概念与经典力学的动量概念相同。把量子力学的动量概念应用到宇宙空间天体力学的研究中来,仍然使用动量定理公式:Ft=Δp ,F为辐射压,t为作用时间,Δp表示作用到天体受力面积上的光子动量变化量。

二, 估算太阳对地球的光辐射压力,然后与两者之间的万有引力相比较。

据有关资料表明,太阳每秒钟产生3.35×10^26焦耳的能量(太阳辐射的总能量可以精确测量地球表面或大气层表面每平方米每秒吸收的能量,精确测量日地距离计算出来),落到地球上的能量占20亿分之一,计算结果:3.35×10^26/20×10^8=1.675×10^17焦耳。如果此能量全部被地球吸收(被反射时,动量变化量更大,冲量更大,此为保守估算),即太阳辐射的光子动量变化为零时,辐射的动量变化量等于初动量。则:辐射冲量Ft=Δp=p=E/c ,所以辐射斥力F=E/ct =1.675×10^17(焦耳)/3×10^8(米/秒)×1(秒)=5.58×10^8(牛顿)。

太阳地球之间的万有引力:F=Gm1m2/r^2=6.67×10^-11×5.98×10^24×1.98×10^30/(1.5×10^11)^2=3.51×10^22 (牛顿)。(地球质量:5.98×10^24kg。太阳质量:1.98×10^30kg。日地距离:1.5×10^11m )。

由此可见:太阳地球之间的万有引力3.51×10^22牛顿比太阳对地球的辐射斥力5.58×10^8牛顿大14个数量级。辐射压实在是太微小了。

在此,我的猜想是:100多年来,我们的科学前辈肯定做过此类或同类的计算。所以把辐射压忽略掉了。然而,万万没有想到的事情,竟在以下的分析中发生。

三, 辐射压的表达式。

1, 两个互相辐射的恒星之间的辐射斥力,方向与万有引力相反。辐射斥力的大小与互相辐射的光子数量的乘积成正比。因此,受辐射面积越大,单位面积的光子数越多,光子的动量越大,则,斥力越大。而单位面积的光子数(光子分布密度)与天体之间的距离的平方成反比。得到表达式:

F=K s1 s2 p1 p2/r^2 或 F=K s1 s2 E1 E2/r^2 c^2

S1 s2为两恒星的受辐射面积 p1 p2为两恒星的辐射总动量

E1 E2为两恒星的辐射总能量 r为两恒星之间的距离 c为光速常数

K为修正常数 F为两恒星之间的辐射斥力。

为了分析的简化,假定两恒星的尺度和质量大小,能量大小相同。则得到两恒星的辐射斥力:F=K s^2 E^2/r^2 c^2 ……………………………(a)

万有引力:F=G m^2/r^2 ……………………………… (b)

m为恒星的质量,G为万有引力恒量。

2, 两个互相辐射的尺度相同,恒星数相同(设恒星数为n)的两个星系之间,由于星系里的每颗恒星都要受到另一个星系里每一颗恒星的照射,所以每颗恒星接受辐射的能量增加n倍变为nE ;又由于,星系里有n颗恒星,其受辐射的面积也增加n倍变为ns 。对照(a)式,得到两星系的辐射斥力的表达式: 辐射斥力F=K (ns)^2 (nE)^2/r^2 c^2=n^4 K s^2 E^2/r^2 c^2 ………(1)

万有引力F=G (nm)^2/r^2=n^2 G m^2/r^2 ……………………(2)

由此可见,两个相同的星系互相辐射的时候,辐射斥力与星系恒星数的4次方成正比,而万有引力与星系恒星数的平方成正比。这样,只要星系里的恒星数足够多的时候,辐射斥力会赶上和超过万有引力。

根据前面太阳与地球之间万有引力和辐射斥力的保守估算,万有引力比辐射斥力大14个数量级(100万亿倍)以内,现设定两个恒星之间万有引力与辐射斥力增大14个数量级(100万亿倍)相等(对互相辐射的恒星来说,实际上辐射斥力要大大增强,其数量级要降低很多),对照(a),(b)得到:

G m^2/r^2= 10^14 K s^2 E^2/r^2 c^2 …………………… (3)

如果星系的恒星数达到10^7颗(1000万颗),星系之间的辐射斥力:

F(斥)=(10^7)^4 Ks^2E^2/r^2c^2=10^14×10^14K s^2 E^2/r^2 c^2………(4)

星系之间的万有引力:F(引)=(10^7)^2 Gm^2/r^2=10^14Gm^2/r^2………(5)

将(3)代入(5),并与(4)比较,得到:

F(引)=10^14×Gm^2/r^2=10^14×10^14Ks^2E^2/r^2 c^2=F(斥)

以上的定性分析说明,只要星系里的恒星数达到10^7颗(1000万颗),星系间的辐射斥力将与万有引力达到平衡。

若n=10^8 (一亿颗)时: 辐射压力是万有引力的100倍;

若n=3×10^8 (三亿颗)时: 辐射压力是万有引力的900倍;

若n=10^11(1000亿颗)时: 辐射压力是万有引力的10^8倍(1亿倍);

若n=5×10^11(5000亿颗)时:辐射斥力是万有引力的25亿倍。

现代的天文观测表明,最小的星系里的恒星数都在数亿颗以上。所以,星系之间的主要作用力是辐射压,它的大小主要由光辐射的能量或动量来决定。而万有引力已经显得特别渺小,甚至可以忽略不计。

四, 天体的辐射压与星系的运动。

1, 天体辐射压的力程与力度

人类已经认识到光能够在空间中作长时间长距离辐射。在仪器设备中已经感知来自近百亿光年外,近百亿年前的光的信息。所以天体的辐射压的力程是最长的。

人眼睛的瞳孔面积大约为10平方毫米,感知的辐射压是微小的。从直径为10米的望远镜片到直径为13000公里的地球再到直径为10万光年的星系,感受的辐射压会变得十分巨大。同时,天体在接受辐射的面积上辐射压是可以叠加的,它由接受的总能量或总动量来决定。

2, 大尺度结构的形成与膨胀的宇宙

由辐射斥力为主导的大尺度空间中,星系的分布趋向相对均匀。星系自身包含的恒星数及恒星的平均辐射强度,显示着本星系在空间中的生存能力和排斥其它天体的能力。能力相对强的星系之间的距离较大。

能力相对弱的星系之间的距离较小,距离较小的星系组成星系群或星系团结构以进一步提高辐射斥力,应对抗衡其它星系群团,超星系团之间辐射斥力的平衡。如果辐射斥力不够强大,则两者之间的距离会缩短,本星系群团将成为另一星系集团中的一员,构成更大的超星系团结构。

星系,星系群,星系团,超星系团之间的辐射斥力,支撑着天体系统的相对稳定,同时驱使着最外层星系,外层星系,中内层星系,向外太空挺进或扩散;最外层星系走了三步,而外层星系只能走两步,中内层星系只能走一步,形成一个几乎均匀膨胀的宇宙。

吴东敏 2012 年7月

邮箱:dongmin1948@yahoo.com.cn

注:2003年底,本人把宇宙膨胀的力学原因,写成文章《天体的辐射压与星系的运动》。曾于2004年,在匈牙利华人报纸和西陆网现代物理争鸣论坛分别发表过。都没有得到人们的重视。

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