被物理学遗忘的天体运行规律

小时候一直很好奇:两个天体之间的距离那么远,比如地球与太阳之间的距离有1.5亿公里,太阳与银河系中心超大质量黑洞之间的距离有24.14万亿亿公里,在这么远的距离下,它们之间相互作用的引力是如何使它们互相拽住的呢?黑洞的引力无比巨大,大到连光都无法逃脱黑洞的引力,然而是什么可以让引力从黑洞中传递出来的呢?

用辩证唯物主义的思维看,我不能相信在这么远的距离下,两个天体能够隔空、瞬间、没有延时的产生引力作用。

引力应该是通过某种媒介粒子传递的力,这种媒介粒子大致均匀地分布在整个宇宙中,保证了引力可以传递到宇宙的每个角落。时至今日,我们知道已经有科学家提出了类似的设想,例如:暗物质、引力子、中微子等等,我所描述的媒介粒子暂用一下“引力子”这个名称。

引力是以天体(天体尺度)为中心起点,通过引力子接力传递的方式向外传递的力。每一份引力以一个球面自中心向外扩散,扩散越远,球表面积越大,球表面空间位置上均匀分布的引力子就越多,每一份引力平均分配到该球面的引力子时,引力就越小。

根据球表面积公示(S=4πr^2)可知,以天体为圆心,天体周围不同半径的球表面上均匀分布引力子的数量与半径的平方成正比。那么,一份引力平均分配到该数量的引力子时,就会有:单位引力子获得的引力与半径的平方成反比。这正好符合牛顿万有引力公示(F=GMm/r^2)中引力与半径的平方成反比的规律。

引力以光速向前传播,引力的传播速度就是30万公里/秒,原子与原子之间的距离约为0.1纳米,那么通过计算我们可以得知:两个原子或者引力子之间传递一份引力需要的时间大约是300亿亿分之一秒。由此可见,在单份引力源的作用下,引力子是以300亿亿分之一秒的频率在振动,每一次振动就会传递一份引力。

所以,引力是以天体为中心起点,通过引力子接力传递的方式,以频率为300亿亿分之一秒的球形的波的形式向外传递的力,如图1所示。

被物理学遗忘的天体运行规律

以上是基础概念框架,接下来阐述一下天体的运行规律:

被物理学遗忘的天体运行规律

1、太阳系所有行星轨道为什么都会在同一水平面运行?

众所周知,太阳系八大行星中,以木星的质量最大,引力最大。木星是围绕着太阳做公转运动的,那么木星与太阳之间必定建立了“引力连接”,也就是太阳发出的引力传递到了木星,同样,木星发出的引力也传递到了太阳,前者起决定性作用。

与此同时,当地球绕太阳公转时,当它飞到太阳与木星中间的时候,地球就处于两者引力连接的路径上了,木星对太阳的引力中的一小部分会被地球“截胡”,木星的引力会穿过地球,对地球产生引力。

如图2所示,如果地球不是在两者之间的同一水平面轨道上,那么地球在受到太阳引力与自身公转运动产生的离心力保持平衡的基础上,同时还会受到一个作用力相对较大的木星的斜向拉力。日复一日,年复一年,地球的轨道就被拉拽到太阳与木星之间的同一水平面轨道上了。

被物理学遗忘的天体运行规律

同理,其他所有行星:金星、火星、土星等等,也都会被木星的引力拉拽到这同一水平面轨道上,这就形成了太阳系里的所有行星都在同一水平面轨道上围绕太阳公转的情形。

由此还可以预测一下:现在,银河系已经是盘状了,再过一百亿年,银河系里的所有恒星最终也都会在同一水平面轨道上围绕银心公转。

现在,我们再把视野拓展到更大尺度空间,这同一水平面轨道还被更遥远的引力源锁定。如图3所示,第一个点是地球的夏至(和冬至)点,银心和太阳的引力锁定了地球公转轨道的夏至点。第二个点是春分或秋分附近的点,由木星本身或者相对最大的(太阳系)系外引力源锁定。

所以,太阳系所有行星轨道都会在同一水平面运行。

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2、地球为什么会自转?

首先,我们假设只考虑太阳的公转运动,不考虑地球的公转和银心的移动。

我们知道太阳与地球的距离是1.5亿公里,太阳发出的光需要8分20秒才能到达地球,引力的传播速度是光速,那么太阳发出的引力传递到地球也需要8分20秒。

太阳以230公里/秒的速度绕银心公转。在某一时刻,太阳发出了一份引力,当这份引力到达地球时,太阳已经向前飞行了8分多钟,大约11500公里。也就是说,地球一直在围绕着太阳身后的“影子”公转,如图4所示。

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同理,在某一时刻,正在穿过地球的每一道太阳球面引力是运动中的、不同空间位置的太阳发出的引力。

如图5所示,太阳球面引力在穿过地球时产生了一定的偏转角度,我们可以清楚地看到地球所受到的太阳引力,在太阳公转运动前进方向显得更加密集。也就是,在一秒钟内,地球北半球的每一个原子接受的引力传递超过300亿亿次,而在南半球则是小于300亿亿次,太阳对地球的引力产生了前高后低(相对于太阳前进方向)的差别。

被物理学遗忘的天体运行规律

地球在北半球和南半球受到这两种不同大小的太阳引力以自身公转运动产生的离心力为支点相互抵消后,剩余的太阳引力差作用于北半球,方向指向太阳,那么地球自然而然地开始转动了,自转轴垂直于太阳公转轨道平面。

其次,我们假设只考虑地球的公转运动,不考虑太阳的公转和银心的移动。

地球是以30公里/秒的速度绕着太阳公转,那么太阳发出的每一道球面引力穿过地球时,它并不是均匀的穿过地球,而是穿过了不同空间位置上的地球。

如图6所示,穿过不同空间位置地球的同一道太阳球面引力产生了一定的偏转角度。

同理,太阳发出的每一道球面引力穿过公转运动中的地球时,都会产生一定的偏转角度,我们可以清楚地看到太阳对地球的引力,在地球公转运动前进方向显得更加密集,产生了前高后低(相对于地球前进方向)的差别。

被物理学遗忘的天体运行规律

地球在前半球和后半球受到这两个不同大小的太阳引力以自身公转运动产生的离心力为支点相互抵消后,剩余的太阳引力差作用于前半球,方向指向太阳。那么,地球必然会缓缓地开始转动了,自转方向为自西向东,自转轴垂直于地球公转轨道平面,也就是赤道平面与轨道平面的夹角为零度。

3、地球自转的倾斜角为什么会有23.45度?

前面我们讲述了,在地球上相隔90度的北半球和前半球受到两个相同方向的太阳引力差。

其中,太阳公转所对应的作用于北半球的太阳引力差应当忽略不计。原因是:地球公转轨道虽是椭圆,但偏心率很小,仅为0.0167,接近于圆形。

如图7所示,地球公转一圈后,处在轨道对角位置时所受到的太阳引力差的大小几乎相等,方向正好相反,这一引力差对地球自转运动的影响自我抵消,所以忽略不计。

被物理学遗忘的天体运行规律

另外,银心带着整个银河系(包括太阳系)向前移动所对应的太阳引力差也应当忽略不计。

原因是:如图8所示,太阳对地球的引力差大小与角a成正比,角a与太阳(银心)的移动速度成正比。

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如图9所示,银心的移动速度约为650公里/秒,地球的公转速度仅有30公里/秒。当地球处于太阳与银心中间的半边轨道时,抵消地球公转速度后,相对速度平均值为637公里/秒(650-30 根号3 2 2),当处于外侧的半边轨道时,合并公转速度后,相对速度平均值为663公里/秒(650+30 根号3 2 2)。

被物理学遗忘的天体运行规律

这两个速度非常接近,比值为0.96:1,仅仅相差4%,他们各自对应的太阳引力差的大小近乎相等,方向则是相反,这一引力差对地球自转运动的影响自我抵消,所以也忽略不计。

现在,影响地球自转的主要因素只有地球公转所对应的太阳引力差。根据前面讲述的内容,这一太阳引力差所形成的地球自转倾斜角,也就是赤道平面与轨道平面的夹角为零度。那么,现如今地球自转为什么会有23.45度呢?

如图10所示,假设太阳向前飞行4670万年,大约30亿亿公里,太阳起点位置1和终点位置2与银心连线的夹角为70度。因为地球轨道的夏至点是被银心和太阳锁定在两者正中间的,所以地球轨道就被扭转了70度,然而地球赤道平面却不会有变化,那么赤道平面与轨道平面的夹角就是93.45(23.45+70)度了,地球自转就变成了跟天王星一样躺着自转了,还是从太阳的位置看地球的话,自转方向变成了自东向西。

被物理学遗忘的天体运行规律

而原来躺着自转的天王星,自转角度由原来的97.86度变为了167.86度(97.86+70),换一个角度看,就是12.14度(180-167.86),天王星反而拥有了最合适最理想的自转倾斜角。

现在地球躺着自转了,那么地球接收太阳的辐射热能将会发生巨大变化。南半球和北半球会交替对着太阳,南极或北极会持续近半年时长的白天,然后转入近半年的极寒黑夜。

南极(或北极)在小半年时长的连续白天中,有两个月的炎炎夏日,太阳每分每秒都挂在天空转圈,不会落下。这种情形会持续两千万年之久,大量植物在这里得以生长,所以这就是南极大陆地下形成了极为丰富的煤炭资源的原因。

除了南北极之外的区域接收到太阳光直射时间都大幅下降,一年中仅剩下不到一个月的时间,温度直降至零下,没有了适合的气温气候条件,大量生物就此消亡,正好与五次生物大灭绝的时间点规律基本吻合。

现在我们不妨再大胆一些,来做一个预测:太阳系八大行星都是被捕获的。当八大行星被捕获后,因受到自身公转运动所对应的太阳引力差而开始自转,轨道均为逆时针,所以一开始的自转方向全部为自西向东。然后受到木星的斜向拉力的作用而趋于同一水平面轨道上了。最后,这同一水平面轨道受到银心和木星(或者系外相对最大引力源)的共同作用而被锁定。

如图11所示,请看位置4,太阳在轨道对面,金星自转方向是自西向东,当太阳绕银心转到这一边时,金星的轨道被扭转了180度,自转方向就成了自东向西,这就是今天金星的自转方向。

假如太阳从今天的位置(位置3)开始,在其轨道上向前划过92.7弧度,金星轨道被扭转92.7度,自转方向转为自西向东,开始顺应太阳引力差的作用方向了,金星自转就要开始加速自转了。(不过,金星等到不到这个时候,就会停止现在的反向自转,改为顺向自转。因为金星从位置6到位置3,已经经过了5820万年的减速,自转一圈需要耗时243天)。

被物理学遗忘的天体运行规律

如图12所示,假如地球被太阳捕获以木星自转倾斜角为零度时的太阳位置为基准,地球刚被太阳捕获时,地球和木星与太阳连线的夹角为20.33度(23.45-3.12)。首先,地球形成了自转。然后,地球轨道被木星的斜向拉力拽到了同一水平面上,地球自转的倾斜角就有了20.33度。最后,因太阳公转在轨道上向前飞行了3.12弧度,使得这同一水平面轨道被银心扭转了3.12度,所以就形成了今天的地球自转时,赤道平面个轨道平面的夹角具有23.45度(20.33+3.12)(同时,木星的自转倾斜角为3.12度)。

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4、地球自转的速度为什么能稳定在一圈24小时?

根据牛顿第二定律(F=ma)可知:当一个物体被施加一个力时,该物体就会产生一个加速度。那么,地球的前半球被太阳施加了一个引力差时,地球就有了一个自转的加速度,在没有阻力的情况下,它将不断的、无限地加速自转。但是,我们现在观测到的地球自转速度却是稳定的,没有呈现出加速趋势,无论是十年前、还是百年前,地球自转的速度与今天相比,都没有稳步加速的迹象,这是什么原因呢?

那是因为地球表面包裹着一层厚厚的大气层,当地球的前半球受到太阳的引力差时,地球的固体部分自然就开始加速转动,然而,地表的大气层则不会像固体部分一样以自转轴为轴心整体加速转动。因为它具有流动性,没有固定的形态,所以地球表面的空气受到太阳的前高后低的引力时,会自由地流动,而不会以一个整体环绕地球加速转动。空气的温度、湿度、气压、随地球自转的离心力的影响远远大于太阳引力差的影响。

所以,地球的固体部分受到太阳引力差而要加速转动时,它遇到的阻力会越来越大,地球表面的高山、森林都在不断地撞击大气层,就好比汽车的速度越快,空气阻力就越大,地球自转的加速度就会被抵消掉。

另外,地球表面有着覆盖率达71%的液态水,它同大气层一样,也不会因太阳引力差而以自转轴为轴心整体加速转动,而是被重力吸附在地球表面的低洼处区域。那么,地球的固体部分想要加速转动时,海岸、海底的山丘和海沟都会持续地撞击海水,海水的密度比空气大,阻力也更大。

因此,地球自转经过了千万年时间的加速后,现如今已经处于一个相对平衡的状态了,所以,地球自转的速度会稳定在一圈24小时。

以上内容纯属个人理解,望多指教!感谢品鉴!

作者:沈海华

日期:2022年1月16日



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投稿时间:2022-01-17  最后更新:2022-04-29

标签:倾斜角   水平面   公转   木星   天体   引力   物理学   轨道   规律   地球   速度   位置   太阳

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