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“状态方程(宇宙学)”讨论

(2014-11-12 19:46:52)
标签:

光子

奇点

史瓦西半径

负压

视界

 

“状态方程(宇宙学)”讨论

 

杨明昆 王严学 杨昭国

  (ygyzg@126.com)

 

    1.“光子球”

    对于广义相对论中的开普勒问题的讨论,认为:对于无质量的粒子,例如对于“光子”可以存在一个半径为R=(3/2)RS的圆轨道(RS为中心质量的史瓦西半径),称这个半径所构成的球为“光子球”(我们的讨论认为:“光子球”上的“物质”应该是“光速物质”——“‘光速物质’球”——另文讨论——笔者注)。 [1]

 

“状态方程(宇宙学)”讨论
图1 “光子球”

    黑洞外围假想表面是包覆著的光子球层,如果光线与光子球层以切线方式擦身而过,那引力便能抓取光子将之沿着光子球层,永远绕着黑洞旋转,类似卫星绕地球旋转一般。 [2]

    所以,“光子球”上可以聚集、储存“切线方向”上的“光子”。

 

“状态方程(宇宙学)”讨论
图2 “光子球”上可以聚集、储存“切线方向”上的“光子”

    对于上述的“光子球”,如果中心质量能够在“足够长”的时间内保持稳定,那么在这个“光子球”上,就可以聚集、储存“超巨量”的切线方向上的“光子”。我们把这种现象称为“光子球超巨量”。

    广义相对论亦预言奇点存在于黑洞之内:任何恒星因引力坍缩至小于其史瓦西半径后会形成黑洞,产生一个被事件视界包围的奇点。 [3]

    对于“奇点”来说,其外部可以存在一个“光子球”,称为“奇点光子球”。

 

“状态方程(宇宙学)”讨论
图3 “奇点光子球”

    同样地,如果“奇点”质量能够在“足够长”的时间内保持稳定,那么在“奇点光子球”上,也可以聚集、储存“超巨量”的切线方向上的“光子”。我们把这种现象称为“奇点光子球超巨量”。

    2.“负压”

    “光子”具有“相对论质量”hf/c2(其中h为普朗克常数,c为光速,f为频率)。

    我们知道,符合伯努利定律的“流体”,必须是满足非粘滞、不可压缩、稳定三个条件的“普通流体”。而对于由“光子”在“光子球”上形成的“特别”“流体”——“光子流体”来说,与这三个条件并不“对立”,我们不妨“猜想”:“假设”“光子”形成的“流体”——“光子球”上的“光子流”,符合伯努利方程:[4]

p+ρgh+(1/2)*ρc2=a

    其中p、ρ、c分别为“光子球”上“光子流体”的“压强”、“相对论质量密度”和速度(光速),h为相对于中心质量M的铅垂高度即R——“光子球”半径,g为中心质量M产生的“重力加速度”,a为常量。

    一般情况下,即在非“光子球”上,“光子”比较“稀薄”,其“相对论质量”很微小,“相对论质量密度”ρ可以视为0,由ρ=0得p=a ,又由p=0得a=0;所以p=-ρgh-(1/2)*ρc2

    若设:“光子球”上“光子”的“相对论总质量”为m、总能量为E,“光子球”体积为V,G为引力常数,由g=GM/R2得gR=GM/R,由ρ=m/V和E=mc2,得ρ=m/V=E/(Vc2),

    则有:h=R,ρ=m/V即ρV=m,E=mc2

    且有:p=-ρgh-(1/2)ρc2

=-(gR+(1/2)c2

=-(gR+(1/2)c2)E/(Vc2

=-(gR/c2+1/2)E/V

=-(GM/(Rc2)+1/2)E/V。

    可见,只要中心质量M能够在“足够长”的时间内保持稳定——M不变,其外部形成的“光子球”的半径就是不变的——R、V不变,那么在这个“光子球”上,产生的“负压”p就是“光子球”上“光子能量”E的函数:

    p=-(GM/(Rc2)+1/2)E/V

=f(E)

    并且“负压” p与“光子能量”E成正比,“光子球”上的“能量”E越大,“负压”就越大(指绝对值)。

    如果出现了“光子球超巨量”,那么在这样的“光子球”上就会产生“超巨大”的“负压”。

 

“状态方程(宇宙学)”讨论
图4 “负压”

    “足够”的“负压”,可以确保“光子球”上,拥有“稳定”的、“持续”的、“超巨量”的“光子”,从而使得“光子球”本身,就具有了“聚集”、“储存”、“保持”“光子”的“能力”,同时,保证了即便是在中心质量M的史瓦西半径增大,或者减小、甚至变为0的情况下,原有的“光子球”仍然可以“稳定存在”。我们猜想:这个“负压”就是“暗能量”的“强负压”。

    3.“状态方程”

    若设:上述“光子球”上的“能量密度”为ρ0,则有:ρ0=E/V。由p=-(GM/(Rc2)+1/2)E/V,可得:W=p/ρ0=-(GM/(Rc2)+1/2)。

    3.1“W=-5/6>-1”

    对于广义相对论中的开普勒问题的讨论,认为半径小于(3/2)RS(史瓦西半径RS=2GM/c2)的圆轨道是不能存在的。而对于“光子”存在一个半径为(3/2)RS的圆轨道,可以满足“光子球超巨量”,即R=(3/2)RS=3GM/c2,所以这时W=p/ρ0=- GM/Rc2 -(1/2)=-5/6>-1,即:

W=-5/6>-1  

    3.2“W=-1”

    “视界”又名“事件视界”,是从黑洞中发出的光所能到达的最远距离,也就是黑洞最外层的边界。 [5][6]

    如果在“视界”(其半径即史瓦西半径RS=2GM/c2)上,可以形成“光子球”(“视界光子球”),即“光子球”半径R=RS=2GM/c2,那么这时:

    W=p/ρ0=-(GM/(Rc2)+1/2)=-(1/2+1/2)=-1,即:W=-1。  

    我们认为,之所以会有上述“认为半径小于(3/2)RS(史瓦西半径RS=2GM/c2)的圆轨道是不能存在的”,是因为——

    其一:没有考虑“负压”效应;

    其二:广义相对论亦预言奇点存在于黑洞之内:任何恒星因引力坍缩至小于其史瓦西半径后会形成黑洞,产生一个被事件视界包围的奇点。 [3] 所以在“奇点视界”之内发生的“大爆炸”,也不会“影响”到“视界”之外。

    如果把“光子球”上产生的“负压”考虑进去,那么对于一个在“足够长”的时间内保持稳定的“奇点”来说,可以形成“稳定的”“视界光子球”——“奇点视界光子球”,并且能够满足“奇点光子球超巨量”,所以应该是“W=-1”,即有:

“W=-1”。    

 

“状态方程(宇宙学)”讨论
图5 “视界光子球”

    这与“爱因斯坦的宇宙学常数或真空能预言状态方程w(压强与能量密度之比值)不随时间而变、且恒为W=-1”是一致的。 [7][8]

 

 

参考资料:

[1]《广义相对论中的开普勒问题》维基百科(http://zh.wikipedia.org/wiki/广义相对论中的开普勒问题

[2]《黑洞》维基百科

http://zh.wikipedia.org/wiki/黑洞

[3]《引力奇点》维基百科

http://zh.wikipedia.org/wiki/引力奇点

[4]《伯努利定律》百度百科

(http://baike.baidu.com/view/1077258.htm)

[5]《视界》百度百科

http://baike.baidu.com/view/132984.htm

[6]《事件视界》百度百科

(http://baike.baidu.com/view/24907.htm?fr=aladdin)

[7]《状态方程 (宇宙学)》维基百科(http://zh.wikipedia.org/wiki/状态方程_(宇宙学)

[8]《高能所等在暗能量研究方面取得新成果》中科院高能物理研究所(http://www.cas.cn/ky/kyjz/201210/t20121030_3673887.shtml)

[9]相关资料请您参考《“引力场”与“空间场”》

(http://blog.sina.com.cn/u/2494755301)

(杨明昆 王严学 杨昭国期待您的交流、讨论  ygyzg@126.com)

 

 

 

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