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应用"引力温梯定律" 正确揭示恒星内秘
[楼主] 作者:马国梁  发表时间:2014/09/20 20:12
点击:326次

  晴朗的夏天之夜,繁星满天。仰望天空,看着那一颗颗竞相生辉的恒星,禁不住的令人深思和神往。它们与我们的距离是那么遥远:我们现在看到的星光竟是它们在几十到几百年前发出的,就连距离最近的太阳光也是在500秒前发出的;而它们又是那么无私,自从数十亿年前形成以后就一直向外发出自己的光和热,其中距离我们最近的太阳是地球上一切生命的源泉。

太阳和我们的关系是如此的密切,所以多少年来人们也一直在探索太阳的奥秘。特别是到了现代,这种探索更是有增无减。但不管科学手段多么发达,我们仍然坚信:我们永远也没有可能深入到太阳内部,实地考察一下它的构造。因为它的高温可以烧毁一切测量仪器,更能烧死所有上去的人。

但我们庆幸人类有一个聪明绝顶的头脑,我们还有强大的逻辑推理能力,所以即使我们上不去,也同样能揭开恒星内部的秘密。这就像我们不吃猪肉,但只要看到"在大街上跑的猪哼哼,就应该知道猪肉"好吃一样。

通过反复的科学观测,我们已经知道太阳的半径是70万千米,它的质量是2×10^30千克,它的表面温度是6000开,它内部的温度肯定更高。我们还知道在地球轨道上,每平方米的正对面积所接受的太阳光能是1360瓦。照此推算,到了太阳表面,它的热流密度就应该是

1360×(1500/7)^2 = 6.245×10^7  瓦/米^2

到了太阳内部,这个数值还要继续增大。如此高的热流密度单靠对流来传递是绝对完不成的。不仅只此,甚至对流和传导方式在太阳内部的热传递微乎其微,其主要方式应该是强烈的辐射。

太阳是一团炽热的等离子气体。在上万开的高温下,原子核外的电子都已经挣脱束缚,成为高速运动的自由电子;与此同时,各原子核也在里面剧烈运动着,通过相互冲撞而发生聚变反应,放出大量的光和热。所以对于光来说,太阳内部应该是一个透明体,辐射起来畅通无阻。既然这样,那么太阳内部的对流运动就可以忽略,而将整个太阳看成是一个孤立的稳态气团。

既然太阳是一个孤立的稳态气团,那么我们就可以利用有关的规律推算出它内部的温度、密度和压强。可惜在过去的许多年里,由于人们还未发现温度和引力的关系,这就使得推算结果严重偏离真实的情况。例如在许多资料上都说:太阳中心的密度是水的150多倍,中心压强是1000亿个大气压以上,这些数据都远远超过了实际情况。到了现在是应该进行纠正的时候了。

在太阳内部的温度分布规律,应该是遵循不发生对流的最大温梯。按照太阳内各元素的原子数构成比例,可知其平均摩尔质量是 μ= 0.00123千克,各质点的自由度是 i = 3 ,因而在任意半径r处的温度梯度是

dT/dr = -(Gm/rr)2μ/5R

式中的m 是半径r球面所包围的质量,它等于总质量减去从外到内各圈层的质量之和。即

      m = M - ∫4πrrρdr               r的积分区间是 r → r。

式中ρ是半径r处的密度,可根据绝热过程方程式算出来:

      ρ=ρ。(T/T。)^1.5

半径r处的压强也可以根据气态方程式算出来:

      P =ρRT/μ

从外向内推算,已知 r。= 70万千米,T。= 6000开,但我们还必须知道此处的密度大小。且这个数据非常关键,它关系到当到达太阳中心时,质量m是否为0 的问题。到了此处,不论质量盈余还是亏空,都说明初始密度是不对的。

笔者利用计算机经过反复的计算和比较得知:初始密度的大小为 ρ。= 0.065438 千克/米^3 .

但在半径r。处的质量却不是M ,因为它包含太阳大气的质量,所以必须减去这一项,尽管它数值极小。即

  m ≈ M - 4πr。r。P。/g。

式中g。太阳表面的引力场强

g。= GM/r。r。= 272.3 米/秒^2

太阳大气的压强   P。=ρ。RT/μ= 2653910 帕 = 26.2 标准大气压

太阳大气的厚度    h = 5RT。/2μg。=371.4千米

太阳大气的标高    H = P。/ρ。g。= RT/μg。= 148.6千米

随着深度的增加,半径r所包围的质量越来越小,引力场强也越来越小。所以温度、密度和压强的增加就越来越缓慢。在半径的中点上,可算出

温度    T = 851.6万开

密度    ρ= 3498.9 千克/米^3

压强    P = 2.014×10^14  帕

而在中心区域,在距离中心只有500米的半径上,可算出

温度    T = 1518万开    

密度    ρ= 8328.5 千克/米^3  ,为水密度的8倍多。

压强    P = 8.546×10^14  帕 ,为80亿个大气压。

笔者计算的温度与前人的结果一致;而密度和压强则悬殊较大,这说明前人的结果是错误的,因为他们没有考虑引力对温度的影响。

 

在恒星内部,当氢聚变氦的核反应停止以后,由于继续向外辐射,所以星体外侧温度就要下降,体积收缩。而当体积收缩时,引力势能将变成热能,引力温梯也将大大增加,所以即使恒星表面降到很低的温度,也仍能使中心温度升得比原来更高,从而引发下一步的核反应:三个氦核聚变成一个碳核。为此,笔者特意计算了当太阳半径收缩到一半即r 。= 35万千米时的情况。假设此时的表面温度只有T。= 3开,则可以算得

表面密度  ρ。= 0.0000020728 千克/米^3

大气压强   P。 = 0.042 帕

同样在距离中心500米的半径上

温度    T = 3038万开    

密度    ρ= 66796.6 千克/米^3 

压强    P = 1.372×10^16  帕

星体收缩的越小,中心温度就越高,所引发的核反应级别也越高。这是一个越来越不稳的过程。不光有膨胀和收缩的脉动,最后还可能发生猛烈的爆炸,抛出大量的物质。

在恒星最稳定的"主序"阶段,可以证明:在质量不变的情况下,恒星中心温度与半径成反比,中心密度与半径的立方成反比,中心压强与半径的四次方成反比。

而在大小相同、质量不同的恒星内,则中心温度和密度都与质量成正比,中心压强与质量的平方成正比。

其综合公式为

   T ∝ M/r。    ρ∝ M/(r。^3)     P ∝ MM/(r。^4)

具体计算时可将太阳的数据作为参数。

 

正确的科学认识依赖于最基本的物理定律。其中引力温梯定律,重力压强的积累,气态方程式,是我们正确揭示恒星内部秘密的三把钥匙。可惜在前面的若干年里则少了一把,这使我们的天体物理研究偏离了正确的轨道,实在令人痛心!由此看来:一颗恒星,如果只知道它的质量、大小和组成元素成分是不够的,虽然它已有了确定的解,但如何得到这个解还必须有一颗足够聪明的头脑。

 

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 [2楼]  作者:无底板潜艇  发表时间: 2014/09/20 21:19 

质点的自由度是 i = 3,而质子、中子的自由度至少是4:漏掉了旋转自由度。

至于外层大气中的双(多)原子分子则还得加上一个自由度:绕与纵轴垂直的轴旋转的自由度。
 [3楼]  作者:541218  发表时间: 2014/09/20 21:48 

马老师的应用物理天赋非凡! 写得很绚丽 很精彩 使人豁然开朗……
 具体计算一下 白矮星

首先不考虑热辐射 即 先设法求解单原子理想气体构成的自引力体系(平衡态) 的压强、密度以及温度的径向分布函数……

从由“绝热方程” 、“理想气体状态方程”以及“静力学平衡条件” 所联立成的方程组中求解 压强、密度以及温度的径向分布函数……

注意 自引力体系呈球对称分布 

引力强度也是其半径的函数。 

这是一个实实在在的天体力学最严谨最合理最精辟的理想模型,因为天体力学界一直不知道 平衡态体系必然服从“绝热方程” ,所以 也就无奈地做了一些假说……关于这个  黄国有 知道的比较详细   一会儿假定 密度保持常数 一会儿又假定 比热能与比势能之和保持常数……自古以来全世界的大科学家们(含哈佛大学的博导们)就是没考虑到 “最大熵原理”……所以也就不知道 原来 服从着“绝热方程”  当然也就不可能 给出最精辟最正确的自引力体系的天体模型   奢望马老师也能紧跟着沈建其并肩走在世界的最前列……为中华民族争光   此生获得也潇洒   必将垂名史册万古流芳……

[楼主]  [4楼]  作者:马国梁  发表时间: 2014/09/21 08:14 

谢谢老朱鼓励。关于恒星的结局我正在研究,情况很复杂。
[楼主]  [5楼]  作者:马国梁  发表时间: 2014/09/21 22:07 

本论坛也唯有老朱知道本文的价值。知心,知音也!
可惜还许多人看不懂,更甭说提意见了。
 [6楼]  作者:无底板潜艇  发表时间: 2014/09/22 11:40 

从引力温梯论将轻而易举地推导出动量不守恒、能量不守恒。

引力不仅可以“聚集”、“囚禁”热能,还在一直任劳任怨地“制造”热能!

两位不明就里的幸运糊涂神做好了迎接暴风骤雨的准备么?

——该不会自己把自己吓得屁滚尿流吧?
[楼主]  [7楼]  作者:马国梁  发表时间: 2014/09/22 16:00 

无底板潜艇类似半瓶子醋,根本不中用。什么“推导出动量不守恒、能量不守恒。 引力不仅可以“聚集”、“囚禁”热能,还在一直任劳任怨地“制造”热能! ”?我们推导不出来,看来你能行,但肯定是错误的。
引力只是改变了热能的分配,没有可能制造热能。
提意见我们欢迎,但不能不着调。

 [8楼]  作者:无底板潜艇  发表时间: 2014/09/22 23:04 

哈弗、耶鲁、牛津、剑桥的醋坛子、醋缸子、醋罐子们向来都自称盆满钵满吧?整出来了啥中用的玩意儿么?
至于国内的那一堆从无主见的院士、研究员、教授、博士们就更不用赘述了吧?

唯一拿得出手的只有个擅长自扇耳光的霍脑残!
一会儿说黑洞威力无比、无所不吸;一会儿又说黑洞无毛,转身又瞎掰黑洞其实并不贪婪……一辈子就在翻云覆雨中打发时光。居然在全世界获得了满堂彩。

南郭先生们要是不随声附和几句的话,就会有被看扁的风险、被边缘化的危机。

相对论、规范场、弦论、BCS、量子纠缠之类的谬论自然也就乘机摇身一变,成了皇帝的新装——谁要是敢质疑,立马就会扣上不懂物理的帽子,逐出学术殿堂。
甚至连鱼龙混杂的诸论坛也时不时地被染上了这类时髦的富贵病,充斥其间的莫不是自视过高、先入为主、妄自尊大的陋习。谩骂、攻击、诋毁、删帖、封号的故事日复一日地重演,肇事者不仅心无愧意,反而自我标榜为学术卫士!浑不知独立之精神、自由之思想才是学术之精髓。

[楼主]  [9楼]  作者:马国梁  发表时间: 2014/09/23 11:00 

现在实在是能人太多,各说其是。大家都成了乌鸦嘴,各种观点相互矛盾、抵消。
如果真是遍地黄金也就成了遍地粪土,谁还要拿那玩意儿!
温度是什么?温度是反映分子的平均动能。分子运动到恒星中心,它们的平均动能肯定更大。
 [10楼]  作者:541218  发表时间: 2014/09/23 22:28 

奢望 马老师 抓紧给出 单原子理想气体自引力体系的物理模型
[楼主]  [11楼]  作者:马国梁  发表时间: 2014/09/24 10:20 

老朱哥:单原子如果是一个半径为零的质点,就可以按理想气体处理,无需再建模型。可实际原子是由大小的,在高密度下,它们就接近液体了,原子自身体积不能不考虑。下边我想将固态、超固态、中子态、超中子态天体统一起来,但难度很大。这一段一直在考虑,头都疼开了。
 [12楼]  作者:541218  发表时间: 2014/09/24 20:14 

对【11楼】说:

假如在整个宇宙中没有别的,只有一摩尔单原子理想气体(理想气体没有热辐射),其分子量为4个碳单位,即摩尔质量等于4克,它们均匀地分布在整个(惯性)太空中(即没有他力场),温度等于零,在其相互之间的万有引力之驱动下 ……最终聚集成一个温恒的球对称分布的气态天体(达到了热力学平衡态,没有热辐射,因为由理想气体组成)……试求其终极态的 密度、压强以及温度的径向分布函数。

引力恒量用G表示。

只要你 承认 其终极态 必然满足”绝热方程“ ……

然后 再利用 理想气体状态方程  以及静力学平衡条件  联立成方程组  即可唯一解出  其终极态的 密度、压强以及温度的径向分布函数。

但这里可以精确计算出 该气态天体的半径、中心压强、密度以及中心温度 的具体数值(假如 太空不存在3K背景辐射,引力恒量用G使用教科书中通用的数值)。

这道题虽然只属于具体的计算练习题, 但却具有公开发表的示范价值;但 这里最关键的就是 使用”绝热方程“的精辟理由。


 [13楼]  作者:541218  发表时间: 2014/09/25 08:47 

假如在整个宇宙中没有别的,只有一摩尔单原子理想气体(理想气体没有热辐射),其分子量为4个碳单位,即摩尔质量等于4克,它们均匀地分布在整个(惯性)太空中(即没有他力场),温度等于零,在其相互之间的万有引力之驱动下 ……最终聚集成一个温恒的球对称分布的气态天体(达到了热力学平衡态,没有热辐射,因为由理想气体组成)……试求其终极态的 密度、压强以及温度的径向分布函数。
引力恒量用G表示。
只要你 承认 其终极态 必然满足”绝热方程“ ……
然后 再利用 理想气体状态方程 以及静力学平衡条件 联立成方程组 即可唯一解出 其终极态的 密度、压强以及温度的径向分布函数。
但这里可以精确计算出 该气态天体的半径、中心压强、密度以及中心温度 的具体数值(假如 太空不存在3K背景辐射,引力恒量用G使用教科书中通用的数值)。
这道题虽然只属于具体的计算练习题, 但却具有公开发表的示范价值;但 这里最关键的就是 使用”绝热方程“的精辟理由。
[楼主]  [14楼]  作者:马国梁  发表时间: 2014/09/25 14:02 

老朱:你的问题还缺个条件:分布半径。因为它们要聚集,就必须向外散热。否则将保持原状。一般情况下,星云的散热和吸热相等,所以它们无法聚集。只有聚集到一定程度后,辐射热超过吸收热,才好进一步凝聚。
 [15楼]  作者:541218  发表时间: 2014/09/25 20:49 

它们均匀地分布在整个(惯性)太空中(即没有他力场),温度等于零,
这只是一种初始状态,这种状态并不一定就是最终分布状态,究竟这是不是最终状态,一切交给(微分)方程组 来定夺!如果求出的密度分布函数等于常数,温度等于常数,压强等于常数,则意味着 这种初始分布正是最终分布?
马老师,分布半径,并不是独立的未知函数,这可以由题设的“定解条件”唯一确定。
下面的一切讨论都必须使用精辟的数理术语。言之有理 论之有据。
[楼主]  [16楼]  作者:马国梁  发表时间: 2014/09/26 08:16 

如果“它们均匀地分布在整个(惯性)太空中(即没有他力场),温度等于零”,那就是热运动速度等于零,压强等于零。不管密度是否为零,都是它的最终状态。我们知道过饱和水蒸气吧?只有没有凝结核,它就永不凝结。没有偶然。
 [17楼]  作者:541218  发表时间: 2014/09/26 15:16 

对【16楼】说:

如果这些理想气体只有弹性碰撞,不产生万有引力,那当然如此。

关键是  赋予了这些理想气体具有万有引力,所以虽然该惯性空间并不存在着他力场,但却存在着自引力场 所以称之为自引力体系,在自引力场中相互吸引 从初始状态即各自都处在相对静止的状态开始被自引力相互加速而逐渐滋生(积累)速度,在相互随机撞击下 “热化” 即沦为一种热运动即构成了自引力场中的热力学体系……即逐步凝聚成球对称分布的气体天体,这也是 宇宙中之所以存在着 一颗颗 闪烁的自引力体系如白矮星的物理机理……本来 在整个宇宙空间 在各个坐标点都有平等的权利和机会离解出 正负电子对 所以这些正负电子对在在太空中的分布几率密度是均匀的  正是由于 这些 正负电子对之间存在着万有引力  就在其相互之间的万有引力的驱动下逐渐聚集(凝聚)成 自引力天体  这也是宇宙星系的演化机理

[楼主]  [18楼]  作者:马国梁  发表时间: 2014/09/26 18:20 

你说的对。自引力体系只要分布空间是有限的,那么它就会自行组织起来,成为一个发光的恒星。这个有限的分布范围就是它的半径。宇宙间的星云分布是不均匀的,正因为有相互的隔离,才给恒星的产生创造了机会。
 [19楼]  作者:541218  发表时间: 2014/09/26 20:08 

对【18楼】说:
在整个宇宙保持处处均匀分布是不可能的,因为 存在着“涨落”……也存在着“吞并”
 [20楼]  作者:541218  发表时间: 2014/09/27 06:56 

对【18楼】说:

马老师,你以为 气团的初始分布半径就是气团在自引力驱动下凝聚成稳定的气态天体的半径?那倒不一定,这要看诸多因素,譬如气团的初始温度,如果静态气团的初始温度是绝对零度,气团最终的温度都来自于气团在自引力场中的塌缩所释放出的自引力势能,此时它的最终半径肯定小于起初是半径,这具体的数值应该由精确的计算获得。总之气团的初始半径与其最终半径并无必然的唯一的关联,气团最终的半径取决于气团的诸多因素 不仅仅与其初始半径有关也与其初始温度有关还与其初始内部宏观运动如湍流状态以及热运动自由度数等因素有关。

 

[楼主]  [21楼]  作者:马国梁  发表时间: 2014/09/28 05:32 

老朱:气团的初始分布半径当然不是所形成的恒星的半径。但是气团必须先向外释放热量才能收缩。引力收缩做功产生的热能一部分放出,一部分用来升温。收缩的半径越小,温梯就越大,中心温度就越高,最终引发核反应。
舍得舍得,如果引力做功产生的热量一点不向外释放,那就绝无收缩的可能。
行星的运转、原子核外电子的运转也是一个道理。试想:如果不向外释放能量能降低轨道吗?
 [22楼]  作者:541218  发表时间: 2014/09/30 12:19 

对【21楼】说:

这不是唯一的机理,更不是必然的过程。

在求算星云收缩成稳定天体的过程不仅需要服从能量守恒规律,同时还必须达到热力学平衡态,才能计算出其最终状态天体的半径以及其他热力学参量分布函数

更需要知道初始状态的分布函数以及精确的边界条件即定解条件如初始半径,均匀球对称分布 或绝对零度。

[楼主]  [23楼]  作者:马国梁  发表时间: 2014/09/30 14:58 

最终状态天体的半径取决于气团的质量和核反应的等级。比如质量是10倍太阳的氢云团,它进行的是氢聚变氦的反应,那么它的半径肯定比现在的太阳大,比10倍半径的太阳小。究竟多大取决于核反应的功率和向外辐射的功率。但我还拿不准。
另外我找到了一个反映温度径向分布的近似式,将之带入微分方程检验的结果证明:近似程度相当高,误差不超过1% ,你如果需要我可以详细介绍。
 [24楼]  作者:541218  发表时间: 2014/09/30 20:08 

马老师,经验表达式,是对观测资料进行归纳整理出来的近似规律

而观测数据是由众多因素共同决定的实际效果

而我们只便于进行单纯的机理进行抽象的探讨 所以不需要参考经验规律 我们并不准备去澄清实际天体的具体情形 只谋求 理想天体的简单规律

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