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漩涡运动与旋转运动

(2017-08-05 16:46:12)
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宇宙学

漩涡运动

旋转运动

 


 

这是两种密切关联又大有差异的运动,需要将它们放在一起研究,才会达到清晰的认识。

 

 两种运动的本质差异

 

漩涡运动属于圆周运动类型。圆周运动在本义上是欧几里得几何学意义上的起点和终点同一的循环旋转运动,主要是正圆和椭圆两种形式。

我们生活在物质宇宙中,宇宙万物相互联系,结成一体,孤立的事物和现象根本不存在,纯粹的直线运动和惯性也不存在,主导宇宙的运动是曲线运动。在曲线运动中,正圆运动和椭圆运动也只是表象,起主导作用的就是内向的螺旋运动,即漩涡运动。与它相对应的是外向的螺旋运动,与宇宙膨胀论相反,这后一种运动在自然界中罕见,往往是前一种运动的转化形态。为论述方便,以下将外向的螺旋运动,无约束的正圆运动和椭圆运动,简称为旋转运动,内向的螺旋运动简称为漩涡运动。

“漩涡”一词,不少书中写成“旋涡”,在这部书中统一为“漩涡”,包括引语。这两个词的英文翻译相同,都是whirlpool; vortex (pl. vortices; vortexes); vemous; spire,这部书统一采用vortex。相应地,漩涡运动的英文为Vortex motion,旋转运动为Rotational motion。这部书论述的漩涡运动主要对象聚焦在天体上,漩涡星系和漩涡星云的英文则按习惯写成spiral galaxy

漩涡运动和旋转运动的共同点是,都有个中心或轴心,周边物体都作绕心运动或绕轴运动。两者不同之处在于,漩涡运动产生强大的吸引力,让物体旋转的圈子逐渐缩小,呈内向螺旋状,将漩涡中的物体旋卷至中心,它的中心就是引力中心。而无约束的旋转运动产生的是强大的离心力,让物体旋转的圈子迅速扩大,呈外向螺旋状,将物体甩出去,它的中心是斥力中心。前者收缩,后者开放,运动方向相反。

以上提到的几条漩涡运动原理,一般的旋转运动也是适用的,为什么出现方向相背,结果相反的现象?这与一个环境条件有关。产生这一差异的原因不在于两者的外形(一者是首尾相接的圆形循环运动,另一者是向心的螺旋运动),而在于一个空间条件,稠密(连续)或稀疏(离散)。

旋转运动产生于稀疏空间中,而漩涡运动产生于稠密空间中。稠密空间也可认为是场空间,在其中,离心力受阻转化为向心力,旋转运动会自动转化为漩涡运动。在稀疏空间中,引力丧失,离心力畅通无阻,尽性发挥,漩涡运动会转化为旋转运动。

上列漩涡六运动规律仅适用于稠密空间,或者说在稠密空间中发挥得最充分。亚里士多德的填补真空论就是如此。在稀疏空间中,物体运动空间空阔,不存在填补真空的需求,也缺少填补真空之物,多是孤立的运动,这一机制就不显著。而在稠密空间中,填补真空之物丰富,填补空间的需要成了一种普遍的动力,只要出现空档,周边的物体就会不由自主地进入其中━━被推入或吸入其中。无须多说,其他几条规律都离不开稠密空间条件。

漩涡运动除了需要稠密空间的条件外,还需要边界条件。事实上它不是一个独立的条件,在稠密空间中,漩涡运动会将边界制造出来。

在日常生活中,一个常见现象是,当我们用手搅动一个木盆中的水时,会形成漩涡。漩涡运动会让水的边缘上升,中心凹陷。若水中有些饭粒,就会看到它们汇聚到盆中央━━漩涡运动特点之一:重物归心,━━并呈现漩涡状。这个原因就在于盆子边缘成了漩涡运动的边界,将水流限制在盆子里,离心力不能正常发挥,转变为向心力的缘故。若将盆子的边缘去掉,水流会立即向四周泼洒开去,旋转运动和漩涡运动会立时中止。

现在我们将一个湖泊设想成盆子,若在湖中心由龙卷风引起一场漩涡运动,我们就会看到,漩涡不会一下子扩大到整个湖泊,它周边还没有被旋卷进漩涡中的水和空气就会像盆子的边缘,限制了漩涡的扩大,这就是上面说的漩涡制造的边界。然而,这一边界是液体和气体,不同于我们日常使用的盆子是固体。若龙卷风足够强大,在漩涡运动原理作用下,就会将周边的水和空气陆续旋卷进来,迅速壮大,在水面上运行,甚至达到陆地上。这就是漩涡运动普遍的过程,适用于海洋和陆地。

龙卷风能够迅速壮大的主因是压力差异,它来自旋转运动。这时整个旋转体的静质量低于周边物体,成为一个稀疏空间,或低压中心。旋转速度越快,这个空间的压力越低,不仅内部的物体不能外逃,而且周边物体会倒向这个中心,形成一种向心压力。另一方面,它的能量又强于周边物体,由于边界的限制,这种能量不能向外发挥,转而向内,离心力转变为向心引力。这两大因素让龙卷风迅猛成长。

前面论述到,力在相互作用前的形式是运动速度。从向心加速度计算可以得出结论,漩涡运动核心的每一外圈的向心力总是大于相邻内圈的向心力,或称重力加速度,形成一种不断收紧的内旋力,使全部物质向心集中。

至此,我们得到漩涡运动更清晰的阐释。它不过是旋转运动加上连续空间和刚性边界两条件,强制将其向外开放逐级扩大的螺旋运动掉个头,变成向内逐级收窄的螺旋运动,离心力转变为向心力,斥力转变为引力的结果。

在旋转运动中,离心力是主导力量,由核心能量驱动,多是外部能源,数量有限。一旦能源枯竭,旋转运动立即中止。在漩涡运动中,向心力是主导力量,由漩涡中的物质能量驱动,力的总量随旋卷其中物质数量的增加而增强,在稠密空间中会变得越来越强大。

这种转换不会损失能量,反而因为物质向心聚集获得了不断新增的能量,即聚合力,是漩涡运动比同规模的旋转运动更富生命力的原因,也是龙卷风比其他暴风风力更强大的原因。能量不灭,漩涡运动回归旋转运动后,这种新增的能量也不会消失,它会转变为角动量。

上面说的稠密空间是个相对的概念,指物质丰富而连续的空间,包括空气和水,稠密空间可以从无到有地制造出来。任何力量,只要能够推动空气或水作旋转运动,就能产生漩涡效应。水流星、飞天椅等旋转运动看似强有力,但它们都是孤立的运动,不能带动或吸引周围的物体(在这里主要指空气)参与进运动中,没有形成稠密空间和外围的向心压力,始终是在相对稀疏的空间中的孤立运动,又无边界约束,离心力也就变得畅通无阻━━以提升并带动物体旋转的形式显现。

只要动力强大和物质丰富,漩涡运动就会持续增强,变成横扫一切的强暴力量,台风、飓风和龙卷风就是这样成长壮大起来的。它们都在稠密空间(海洋或浓云密布的空间)中形成和运行。

然而,在地面上发生的漩涡运动都是短命的,来势汹汹的龙卷风只有几分钟到几小时的寿命,然后销声匿迹。有三大因素促使龙卷风短命。一是它们不能撼动之物。包括山崖、地基、巨石、大树、牢固的建筑物等,它们成了龙卷风行进路上的拦路虎,不断削弱它的力量。二是被卷进其内的杂物,即地心引力作用。杂物一方面以自己的力量壮大风威,另一方面又在削弱风的力量,尤其是车辆、家具、树木等重物,因它们自身都有重力,在旋转运动中要消耗风能。三是空气。比起水和杂物,空气分量轻微,但数量巨大。暴风能够推动的空气很有限,与广大无边的大气层相比显得十分渺小。

  大气层是暴风最大的阻力,所有暴风最后都消失在大气中。河流和海洋中的水漩涡寿命有长有短,随水情的变化而变化,但即使是长寿的水漩涡,与天体漩涡相比,都是短命的。

 

 离心(向心)加速度原创权之争

 

要认识漩涡运动,同时要认识旋转运动,从两种运动的同与异中达到深刻的认识。这就要从荷兰科学家惠更斯(Christiaan Huygens)提出的一个曲线运动公式说起,即圆周运动的离心加速度公式:aV2RV为圆周运动线速度,R为圆周半径)。(V↑2

这一公式之所以重要,因为它是第一个描述圆周运动原理的公式,而且导出“引力随距离平方反比定律”,这是牛顿定律不可或缺的一项。据史料介绍,牛顿原先没有这个概念,接到胡克(RobertHooke)的一个函件(那上面介绍了这个观点。是否提到惠更斯则不清楚)后,他才将它加进《原理》中的。缺乏这一项,牛顿定律就缺乏独创性。为争这个发明权,牛顿在17世纪90年代发表了一份声明,声称“他早在16651666年就已发现圆周运动物体的向心加速度定律,与惠更斯离心加速度式同,只含义为向心加速度,也导出了引力随距离平方反比定律。”毕竟是个迟到的声明,所以人们现在仍然将离心(向心)加速度定理的发明权归于惠更斯。

这样做还有另一个理由,来自这部书的漩涡论。牛顿否定了漩涡论之后,漩涡运动就没有人进行认真的研究,往往就与旋转运动混淆起来。看了这部书,读者应当明白,它们虽则同属绕心的圆周运动,性质却完全不同。根本的差别在于,旋转运动是无边界的孤立的圆周运动,一种开放的、发散性质的运动;而漩涡运动却是稠密空间中受边界条件约束的圆周运动,一种封闭的、收敛性质的运动,两种运动的驱动力和力的作用方式也全然不同。很显然,前一种圆周运动产生的是离心加速度,后一种圆周运动产生的是向心加速度。离心加速度仅适用于前一种圆周运动而不适用于后一种圆周运动。同理,向心加速度仅适用于后一种圆周运动而不适用于前一种圆周运动,两者是严格区别开来的。否定漩涡运动的科学家包括牛顿,谈论的圆周运动无一例外是旋转运动而不是漩涡运动,适用的只有离心加速度。牛顿把他的发现说成向心加速度,显然违反了他反漩涡论的立场。但向心加速度与万有引力在收敛性上是一致的,牛顿可能正是考虑到这一点而称自己的发现为向心加速度,只是这一来,他就不能反对漩涡论了。

在朴次茅斯伯爵家赠给剑桥大学的牛顿遗稿中,有一份牛顿约1714年间所写的备忘录,其中提到这件事。

 

这一年里我还开始想到重力是伸向月球的轨道的,同时在发现了如何来估计一个在天球内运动着的天体对天球表面的压力以后,我还从开普勒关于行星轨道的中心的距离的32 次方成比例的定律,推出了使行星保持在它们的轨道上的力必定要和它们与它们绕之而运行的中心之间的距离的平方成反比例;……所有这些发现都是在1665 1666 的鼠疫年代里作出来的。……惠更斯先生后来所发表的离心力的理论我相信是在我之前的。(《牛顿著作选》p265

 

这段文字表明,牛顿在私下承认了惠更斯的原创权,同时承认创立引力理论参考了开普勒。那时,牛顿已届70高龄,惠更斯和胡克均已过世,这份备忘录带有忏悔的成分,但他在生时始终没有公开这份备忘录的勇气,也不承认胡克信件的影响。

 

 星系漩涡运动过程

 

    漩涡运动产生的是一种向心的旋卷力,但它的外形不总是那么明显。以星系漩涡来说,它早期的外形不明显,只在中心出现明显的或不明显的物质积聚现象,整体呈现不规则形态。到整体呈现明显的漩涡结构时,表明星系已经进入中期。但到了晚期漩涡状态又变得不明显,因为旋臂由天体组成,到了晚期,大部或全部天体被旋卷进漩涡中心,旋臂缩短或消失,漩涡星系演变成椭圆星系。

从外形判断,银河系目前正处于漩涡过程的早中期,相当于一般人20岁时期。其标志是银心初具规模,五条旋臂在银心扭力的作用下作绕心运动的同时稳定地进入银心,整体呈现向心加速运动的趋势。

但漩涡运动属于湍流运动,是所有旋转运动最复杂的一种。湍流在总体上呈现漩涡状,而在局部又会发生中小湍流,即中小漩涡,它们形成天体。当我们观测个别天体时,往往就会产生错觉,看不清大方向。

美国天体物理学教授梅利亚(Fulvio Melia)书中提供了银河系2光年范围内恒星绕转速度的描述,并指出它的根源:大黑洞的引力。

 

由于离特大质量黑洞这么近,恒星以令人眼花缭乱的速度绕转,最高可达每小时500 万千米━━即使我们离银河中心远达28000 光年,我们还是能够实时看清它们的运动。事实上,它们的运动如此迅疾,以致天文学家能够从相隔几年所拍的照相底片上,轻易地检测它们位置的移动。它们难以置信的移动速度使得我们现在能够以令人咋舌的精度清晰地追踪它们的轨道,显示的周期为15 年!请把这个数值与太阳环绕银河系1 周所需的2.2 亿年做个比较吧。(33

 

 英国天体物理学教授普林嘉(Raman Prinja)提供了银盘边缘恒星较低运动速度的数据。

 

令人惊异的是,对星系自转的测量显示星系外围区域的恒星并不如预期那样慢下来。例如在银河系里,如果恒星像行星在太阳系里那样运行,那么离中心5 万光年处绕行的恒星,其运行速度将为每小时54 万千米。事实上,测量表明在这一距离上的恒星运行要快得多,速度达每小时99 千米。(《图说宇宙:空间探测的最新发现》,湖南科技出版社,2208 年版,p140

 

“每小时99万千米”换算为每秒,就是将近300千米/秒,梅利亚提供换算后的速度比之高出4倍多,达1400千米/秒。太阳系处于两种天体中间,这个速度却只有250千米/秒,显得不合理━━从这3个数据难以得出整体向心加速的结论,可以归因于湍流,或测量的取向不同。

银河系中的天体一直处于湍流运动中,它们自身也是湍流的产物,形成恒星系。它们一方面进行进行自身运动,如太阳系内各天体的自转和公转,另方面随旋臂作绕银心的运动。这期间也可能出现湍流,让天体运动异常,但整体向心加速的趋势不会改变,因为天体始终不能脱离旋臂。

银心就像个魔力绞盘。它放出几股看不见的魔索(旋臂),将大量天体套住。各天体可以在小范围内自由活动,甚至挣扎、翻滚和爆炸,但始终不能脱离魔索,被魔索拖曳着围绕绞盘转,最后全部被旋卷进绞盘中。

这种描述是为了好理解,银河系真实的情况是恒星系形成在先。恒星系的曲线运动(在稠密空间中不存在直线运动)形成银心,银心吞噬附近天体而逐渐壮大,转速加快,之后以旋臂的形式控制银河系。全部天体就近进入旋臂中,在保持自身运动的同时,被迫作绕心运动和向心运动,最后经历类星体和黑洞阶段,整体聚集成银河系大火球,然后爆炸成新的星系。其他星系和更高层次的体系的漩涡过程相同。

梅利亚教授观测到中心天体的椭圆轨道是真实的。这是因为,漩涡运动整体是螺旋状,越靠近中心天体运行轨道越圆也越细密,像老式唱片的中心细纹,从远处看上去就像是封闭的椭圆或圆形。他欠缺之处是没有想到向心趋势,这一趋势并没有消失,只是这时已经不那么明显,不容易观测到罢了。即使这类天体运行的是真正的椭圆或圆形轨道也只会是短暂现象。它们的后面是源源而至密集前行的天体在推动,前面不远处是个引力强大无可抗拒的大黑洞在拖曳,它们目前的平稳状态必定会被打破,理想的轨道必不持久。

 漩涡运动造就各种天体,包括恒星、超新星、类星体和黑洞,但至此,漩涡运动并没有结束只是改变了形式。从外形上,天体的漩涡尾巴消失了,变成椭圆或圆形天体。能量不灭,漩涡力这时演变为天体的内旋力。

 

 牛顿反对漩涡论的内在原因

 

前面提到,牛顿反对漩涡论的两个原因,一是笛卡尔漩涡论的缺陷,缺乏说服力。二是牛顿故意与笛卡尔唱反调,都可以列作外部原因。内因是,牛顿对漩涡论缺乏基本认识,将漩涡运动等同旋转运动。在《牛顿自然哲学著作选》第二版序言他批判漩涡论的段落就能看到。

 

由此可知,漩涡各部分的离心力必须和它们到太阳的距离平方成反比。……因此,处于地球轨道以外的漩涡的绝大多数部分,它们的密度以及和它们物质的体积相符的惯性,都不能比地球的密度与惯性小。

 

这话的意思是,若太阳系是漩涡结构,那么行星的离心力应当由内而外逐渐减小,而密度与惯性却逐级增大。即土星、木星等地外行星的离心力应当比水星、金星和地球的离心力小,密度与惯性却要比水星、金星和地球的大。这三种情况都明显与太阳系的现状相反,这就是牛顿反对漩涡论的内在理由。“漩涡各部分的离心力必须和它们到太阳的距离平方成反比”之论也不符合牛顿定律,按照这个定律,话中的“离心力”应为“引力”。

我们从网上能够查到一个双语例句:Newton also proved incidentally that a vortex could not generate elliptical motion。中译为:牛顿也偶然地证明了漩涡不能产生椭圆运动。

这又是牛顿对漩涡论认识不足的又一表现。此话虽则没有标明出处,但指名道姓,不会是生造在他头上的,按照牛顿的理论,他有这一观点也很自然。这一观点不会是他独有的,如果作个测试,恐怕大多数人都会赞同这一说法,因为相反的观念需要建立在漩涡运动阶段论的基础之上━━不会有多少人具有这等认识,关注漩涡理论的人就很少。

《原理》中还有多处批判漩涡运动的段落,描述的都是一种走了样的漩涡现象,搅动一杯茶水就会真相大白。牛顿强调从现象和实验中建立命题,这么普通和普遍的现象,这么轻而易举的实验,他却不看也不做,只能解释成是反感漩涡论,抵触漩涡论,或如费瑞斯说的故意与笛卡尔唱反调,我们也就不必认真对待他的论述。

 

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