在我的书《宇宙的真谛》里,第五章第六节“天体的辐射压与星系的运动”中简述了天体的辐射压才是星系互相斥开的宇宙膨胀现象的力学原因,而不是爱因斯坦设想的“宇宙常数”,也不是暗能量。 本人在2003年2月开始阅读霍金的《时间简史》,初涉宇宙学的研究。同年十月,对宇宙膨胀的力学原因有了研究结果,那就是——天体的辐射压。当时曾使我彻夜不眠,它是我继续深入宇宙学研究的动力。 在现代的天文观测里,已观察到数千亿个以上的星系。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里恒星总数量是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,它较为均匀地分布在宇宙空间中,最远的星系离我们将近100多亿光年。科学家对星系光谱的观测中发现,几乎所有的星系光谱向红端移动,称为光谱红移现象,并且,越远的星系光谱红移量越大,根据波动的多普勒效应,以哈勃为首的天文学家,物理学家断定:我们的宇宙处于均匀的膨胀状态。 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,势必发生激烈的星球大战。正如“稳恒态宇宙论”里分析的那样:当两个星系稍微互相靠近的时候,引力迅速增大(引力平方反比率),导致星系越来越快的快速的靠近。反之,如果两个星系稍微离开的时候,引力将迅速减小(也是引力平方反比力),导致星系更加快速地离开。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。 爱因斯坦当年设计的“宇宙常数”就是为了得到一个稳定的宇宙,后来发现宇宙的膨胀现象,爱因斯坦后悔了,他认为这是他人生最大的遗憾。但最近几年,有部分科学家认为爱因斯坦后悔得太早了,又重新拾起“宇宙常数”,以为它是解释宇宙膨胀现象最好的理论方法。好像把宇宙常数当做“暗能量”的“灵魂”,它驱动着宇宙膨胀。暗能量被描写成充满宇宙空间,具有“负压强”的能量,具有“反引力”。但其一切研究目前仍然停留在猜想之中。 在我的“两种基本粒子,三种基本物质结构”(二粒三构)的理论学说中,暗物质,暗能量是具体存在的。它们是空间中的四种以太粒子的混合物,它们处于热振动状态,它们是天体燃烧的后产物,它们携带暗能量。宇宙像一个大气球,四种以太物质的气体不断地冲入到空间中,使宇宙膨胀,这似乎很完美,但这是不可能的。因为它们在星系际空间里的能量密度太低,处于无规则振动状态的暗物质——四种以太粒子的混合物,几乎没有使星系斥开的力。 在寻找“斥力”的时候,我曾做过各种分析。最后找到天体的辐射压力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(热辐射是以太抛洒运动的短程力,在星系际空间不予考虑)对空间中其它天体的排斥压力。恒星光辐射的压力到底有多大?由于星系的天文数据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,然后作定性分析。 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,1923年康普顿 X 射线被轻物质散射的实验,证明了光子不仅具有能量,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与动量守恒定律。康普顿散射实验使康普顿荣获1927年的诺贝尔奖。在量子力学中,有关光子能量与动量可以用下面的公式来计算或互相换算: p=E/c , p=h/λ , p=hν /c , c= λν , E=h ν , 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 , Ns) 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,数学表达式为: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F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,然后与两者的万有引力相比较。 太阳每秒钟产生3.35×10^26 J 的能量,(太阳的辐射功率可以从地球表面的阳光每平方米面积的吸收功率,日地距离计算出来),落到地球上的能量仅占20亿分之一,计算结果:3.35×10^26 /20×10^8=1.675x10^17 J . 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),即动量变化量为零时,辐射的动量变化量等于辐射的初动量。即:Δp=p=E/c 。在冲量Ft=E/c 中,辐射的斥力F=E/c t =1.675x10^17(焦耳)÷ 3x10^8(米/秒)x1(秒)=5,58x10^8(牛顿)。太阳地球之间的万有引力: F=G m1 m2/r^2=6.67x10^-11x5.98x10^24x1.98x10^30÷(1.5x10^11)^2=3.51x10^22 (牛顿) ( 地球质量为5.98x10^24kg ,太阳质量为1.98x10^30kg , 日地距离为1.5x10^11m) 结论:太阳地球之间的万有引力(3.51x10^22牛顿)比太阳对地球的辐射压力(5.58x10^8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多年以来,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,在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^2c^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的,恒星数相同的(设恒星数为 n )两个星系之间的: 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,辐射斥力与星系里的恒星数的4次方成正比,而万有引力与星系里恒星数的平方成正比。这样,只要星系里恒星数足够多的时候,辐射斥力会超过万有引力。如上面所说的,两恒星之间的万有引力是辐射斥力的10^14倍(100万亿倍)的话,即:G m^2/r^2=10^14 K s^2 E^2/r^2 c^2-------(3) 那么,在星系里,只要恒星数等于10^7颗(1000万颗),辐射斥力将等于万有引力: 辐射斥力 F=(10^7)^4 K s^2 E^2/r^2 c^2 =10^14x10^14 K s^2 E^2/r^2 c^2=10^14 G m^2/r^2 ---------------------(4) 此时,星系之间的万有引力为F=n^2 G m^2/r^2=(10^7)^2 G m^2/r^2=10^14G m^2/r^2-----(5) 上式(4)与(5)比较,它们相等。 若 n=10^8(一亿颗)时:辐射压力是万有引力的100倍; 若 n=3x10^8(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(一亿倍); 若 n=10^12(万亿颗)是:辐射压力是万有引力的10^10倍(100亿倍)。 最小的星系的恒星数在数亿颗以上,所以,星系之间的主要作用力是辐射压,此时万有引力可以忽略不计, 辐射斥力使星系在空间中分布处于相对均匀。稍有不均匀的星系之间可以形成星系群结构,星系团结构,超星系团结构。
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