关于地球椭圆轨道形成和自旋季节性变化成因的探讨

                        司 今

（广州毅昌科技研究院 广州 510663 E-mail:jiewaimuyu@126.com）

摘 要 ：本文从开普勒定律分析入手，指出牛顿力学体系存在缺陷—物体没有自旋性，不能解释地球运动椭圆轨道形成及其自旋季节性变化这二个基本现象。为此，引入刚体运动平动动能和自旋动能守恒并相互转化，圆满解释了地球椭圆运动和自旋变化这二种现象产生的原因。

关键词：自旋动能、平动动能、动能守恒与转化、圆周运动、椭圆运动

中文分类号：0412 文献标识码：A

 

0、引言

浩瀚的宇宙是人类诞生的空间，美丽的地球是我们生存的家园。人类自诞生之日起曾没有停止对宇宙探索的脚步，但真正引领人类步入宇宙探索新纪元的是哥白尼和开普勒，特别是开普勒，他的行星运动三大定律奠定了现代天文学基础，但三大定律只是对行星运动现象规律的描述，是伽利略运动学的延续，没有涉及“为什么会运动”的问题。牛顿为了解释行星运动为什么会出现三大定律运动现象，将惠更斯的圆周运动公式与开普勒的第三定律融合，推出了万有引力定律；但万有引力定律存在一个缺失，那就是没有考虑行星自旋和银河中心体引力场存在二个重要因素，因此在这种意义上说，牛顿万有引力定律只是一种静态的孤立的力学理论模型。

随着人类探索的不断深入，发现地球不但绕太阳自旋和运动，而且太阳也不是静止不动的，它也在自旋和绕银河中心体运动着，这时牛顿静态力学理论模型就显出很多弊端，如面对地球自旋季节性变化问题就无法给出合理解释。时至今日，我们还在承袭这一静态理论并为此作很多繁琐的论述和推导来弥补这一理论的缺陷。

本文正是想通过扬弃牛顿静态力学理论，引入银河中心体引力场和地球自旋这二个被忽略的因素来尝试性地解释：(1) 为什么地球要绕太阳作椭圆运动而不是圆周运动？(2) 为什么地球自旋会存在季节性变化？并以此重新审视、理解开普勒定律和万有引力定律。

1、开普勒定律和牛顿万有引力定律

1.1、开普勒三定律

行星绕太阳作椭圆运动是由开普勒发现出的，行星运动都必须遵循他的“三大定律”，因此他也被后人尊称为“天空立法者”。

(1) 椭圆轨道定律：行星绕太阳运动的轨迹为一椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。

(2) 等面积定律：从太阳指向行星的直线在相等时间内扫过的面积相同，即s=v.r.

(3) 和谐定律：行星运动周期的平方与它长半轴的立方成正比，即T²=ka³.

1.2、牛顿万有引力定律

万有引力公式是牛顿将惠更斯的圆周运动公式和开普勒第三定律公式相结合的产物，也就是说牛顿把开普勒的椭圆运动简单化地处理成了惠更斯的圆周运动形式，即：

依据开普勒第三定律k=r³/T²，可得：

.令4π²k=GM，则有：

其中，G=.4π²k/M.

从牛顿万有引力公式推导过程来看，他没有看到银河中心体影响的存在、也没有引入太阳自旋与公转及地球自旋等这些重要因素，而是将开普勒椭圆运动看作是半径为椭圆长轴a的简单圆周运动（牛顿用半径为a的圆代替了椭圆，可称其为牛顿等效圆），如图-1。

牛顿万有引力定律描述的行星运动与开普勒描述的行星椭圆运动是存在很大差别的，万有引力定律是无法真实描述行星椭圆运动状态，不能解释行星为什么要绕太阳作椭圆运动而不是圆周运动?更无法解释地球自旋角速度为什么会存在季节性变化问题。

2、地球运动的自旋变化现象及目前的解释

目前天文学观察和测量证明：地球自旋角速度确实存在季节性变化，即在夏季7、8月份地球自旋表现得比较快，在春季1、2月份则表现得比较慢的特点。

对产生上述现象的原因目前流行的解释是：因为高空大气流速存在季节性变化造成的；他们认为，大气是地球的组成部分，如果把大气和地球看作是一个整体时，这个整体的自旋角动量是守恒的。在冬、春季，由于季风变化原因全球大气的角动量会增大，这样固体地球的角动量就必然会减小，从而造成固体地球自旋变慢；反之，在夏、秋季全球大气的角动量会减少，固体地球的角动量就会增加，致使固体地球自旋变快。

仔细分析，上述解释不能让人信服：

（1） 地球大气流速变化的能量来自于太阳光能而不是来自于固体地球，不考虑太阳能量的存在、认为地球自身会产生角动量（即角动能）守恒下的自旋变化岂不违反地球系统能量守恒原则？

（2）大气季风的流速变化是以经向为主而不是以纬向为主。

（3）大气总质量与固体地球相比小得可怜，如此小的质量、当其速度变化时如何能撼动那么庞大的自旋着的地球而让它变慢呢？

由此看来，季风变化改变地球自旋之说应存在不合理或者说是不全面性。

3、地球椭圆运动和自旋变化运动现象的新解释

3.1、刚体运动简述

牛顿力学是没有自旋的力学，这是它最大的缺陷。依据牛顿力学基本概念建立起来的刚体力学是对牛顿力学的重要补充。

刚体力学研究的主要对象是刚体质心运动和刚体组成质点绕质心转动二部分内容。

刚体质心运动的动能是E=mv²/2,刚体绕质心转动的动能是E=Iω²/2；一般刚体运动是既有平动又有转动的运动，它运动的总动能包括转动和平动动能二部分之和，即∑E= mv²/2+E=Iω²/2.

如刚体平面平行运动就是刚体一般刚体运动的一个特例（图-2），刚体在固定平面上作平动和转动，且自旋轴始终垂直于运动平面并保持方向不变。对一个不受任何外力影响的平面平行运动刚体来说，它是一个自由运动，其在运动中∑E保持不变下刚体处于平面直线匀速运动状态，它的总动能是∑E= mv²/2+E=Iω²/2.

如果自旋刚体处于有心力场中作闭合曲线运动，如图-3，它的总动能仍与其自由运动状态下一样保持不变，即∑E=mv²/2+E=Iω²/2，只是它的自旋角速度ω、线速度v与自由运动态下不同罢了，即ω0≠ω、v0≠v，但有

.因此，对一个自旋刚体来说，不论是自由平动运动还是自由曲线运动，它的总动能都始终保持不变，但在引力场中，它的自旋动能和平动动能在总动能守恒下可以相互转化，这是宇宙间所有自旋运动物体必须遵守的基本规律，这也是对牛顿力学的一点补充。

地球可以近似地看作刚体，它在黄道平面上绕太阳运动是既有平动又有转动的运动，且自旋轴方向保持不变，按刚体理论地球运动的总动能应是∑E=mv²/2+E=Iω²/2.

3.2、地球四季点与远日点、近日点、等圆点的划分

地球四季划分是以春分点为起点的，春分点就是春季地球运动的黄道面与其赤道面相交的点，它是在3月20-22日；以春分点为准，然后地球在黄道面上沿椭圆轨道运动90°的点为夏至点，它是在6月22-23日，再运动90°的点为秋分点，它是在9月22-24日，再运动90°到达冬至点，它是在12月21-23日，再运动90°就回到春分点（如图-4）。

地球远日点、近日点、等圆点划分是以太阳处在椭圆一个焦点上固定不变为准，当地球运动到椭圆长轴上时，远离太阳的位置点为远日点，靠近太阳的位置点为近日点；当地球运动到椭圆短轴上时其位于短轴上的二个位置点称为等圆点，这个圆指的是以太阳质心为圆心，以长轴为半径（即R=a）所得的圆，它又称为牛顿等效圆。

地球四季点和远日点、近日点、二个等圆点是不重合的，二者相差10天左右。

如夏至点是在6月22-23日而远日点是在7月2-3日，秋分点是在9月22-24日则秋季圆点就是在10月2-4日，冬至点是在12月21-23日则近日点就是在1月3-4日，春分点是在3月20-22日则春季圆动点就是在3月30到4月1日。

3.3、地球椭圆运动形成的原因

开普勒与牛顿时代，人们通常没有意识到银河中心体的存在，认为太阳是静止不动的。

现在我们知道：太阳不是静止的，它在绕银河系中心体自旋和飞快运动着，银河中心体也是在自旋和运动着，如图-5，但现在人们讨论地球绕太阳作椭圆运动是没有虑银河中心体、太阳自旋和运动、地球自旋等诸因素，要真正找出地球椭圆形成的机制就必须考虑以上因素。

地球椭圆运动形成的真正原因是具有自旋磁场的三体运动相互影响的结果，如果将三体相互影响产生的运动简单地视作二体运动，我们是没有办法找出它产生椭圆运动原因的。

为此，我们可以做以下实验予以比拟（弹簧未受力时的长度忽略不计）：

（1）、如图-6（R=a），弹簧B端连接一个磁铁B，弹簧A端连接在一个摩擦力极小且可绕固定轴自由转动的中心磁铁A上，我们匀速转动磁铁A，磁铁B就会绕磁铁A在同一平面上作匀速圆周运动。

在这个圆周运动系统中，磁铁B所受的向心力为F=mv²/r=kf，所具有的动能是E=mv²/2，势能是E=kr²/2,总能量是∑E=mv²/2+ kr²/2，为常量。

（2）、如图-7所示，如果我们在图-6的匀速圆周运动系外左边放置一块磁铁C，并保持外磁铁C的N、S极分界面与圆周系统的磁铁B、磁铁A的N、S极分界面在同一平面上，则我们可以看到，原来绕A作圆周运动的B就会变成绕A作椭圆运动，这是圆周运动和弹簧运动二者合成的结果，外磁铁C对作圆周运动B的影响力符合胡克定律f=k.x的形式。

（3）、如图-8所示，如果我们在图-6的匀速圆周运动系外左下方放置一块磁铁D，使D磁铁的N、S极分界面与圆周系统的磁体B、中心磁体A的N、S极分界面不在同一平面上，则原来B绕A的圆周运动就会变成与磁铁A的N、S极分界面产生有夹角存在的椭圆运动，且磁铁A的中心磁轴会向左倾斜、磁铁B的中心磁轴会向右倾斜的运动姿态。

椭圆运动也是一种闭合曲线运动系统，故在图-7、图-8运动系统中，磁铁B运动也应遵守能量守恒，即它们所具有的总能量仍为∑E；但不同的是，由于受到外磁铁C或D的引力场影响，磁铁B绕A运动的v和r不再是常量，即:

在椭圆运动的远点，磁铁B受弹簧引力最大，因r远﹥R（R=a），故有v（远）﹤v（R），但如果考虑外磁铁C或D引力场影响，则磁铁B所受的向心合力应为：

在椭圆运动的近点：磁铁B所受的弹簧引力最小，因r（近）﹤R，故有v（远）﹥v（R），但磁铁B所受的向心合力应为：

可见，椭圆运动中绕体远、近点所受向心力合力是相等的，仍是它在R=a时作圆周运动的向心力；通过力的合成同样也可证明：磁铁B在椭圆其他各点所受向心力合力都是不变的。这说明有心力的椭圆运动可以类似地看作是弹簧运动和圆周运动合成的运动，磁铁B所受的“弹簧”引力是外引力场引力(C或D)和中心引力场引力(A)合成的结果，且磁铁B的向心合力不变。因此说，椭圆运动中绕体仍保留了它在圆周运动时向心力不变的要素，一旦外力场（C或D）消失，则它又恢复原来的圆周运动状态，因此牛顿用牛顿等效圆（R=a）代替开普勒椭圆运动而推出万有引力定律也有合理性一面。

我们再看看地球、太阳、银河中心体所组成的三体运动系统，将它们与图-8类比就可以表现为图-9所示的运动形式：自旋的地球绕自旋的太阳运动，自旋的太阳又带着自旋的地球绕自旋的银河中心体运动，在这个运动系统中它们有一个共同特性，那就是自旋，自旋会怎样？自旋产生自旋磁场，有了磁场就会产生磁场力，正是自旋磁场将它们的运动联系在一起；同时，地球长周期的自旋变化、地磁场的漂移和翻转、黄道角变化、扁心率变化、自旋轴与磁轴夹角变化等都与它们的自旋和位置变化有关，具体分析我会在《太阳系与原子系中绕体量子化轨道产生的原因》一文中论述。

地球远、近日点观测事实表明：远日点v最小、r最大，近日点v最大、r最小，这符合开普勒第二定律s=v.r守恒。同时，现在科学家用原子钟测定发现，地球自旋在夏季7、8月份表现得比较快，在春季1、2月份则表现得比较慢的特点；如果将这个特点与其在夏季7、8月份轨道速度表现得比较慢，在春季1、2月份则表现得比较快的特点相比较就不难发现：地球绕太阳作椭圆运动时地球运动的总动能∑E=mv²/2+E=Iω²/2应是守恒不变的，即：

这说明地球在远日点轨道速度最小、距离太阳最远、自旋速度最大，在近日点轨道速度最大、距离太阳最小、自旋速度最小。

如果太阳对地球的引力变化也象弹簧变化一样符合胡克定律，则可令mg=f=kr，那么∑E=mv²/2+kr²/2，因弹簧运动中k是常量，因此mg/r=k也必须是常量，但这好像不符合现行的“地-太系”运动理论；不过，我们仔细分析可以看出，在有银河中心体外引力场存在的椭圆运动中，由mg=kr=mv²/r可得k/m=Ω²(Ω为地球公转角速度)，因Ω是变量，故k也是变量，它的大小与地球公旋角速度变化有关，这说明有银河中心体影响的“地-太系运动”有类似于弹簧运动的特点，但又不同于k为常量的弹簧胡克理论。

如果地球、太阳、银河系中心体三体运动同上述实验一样，则地球在椭圆运动轨道上就会表现出∑E=mv²/2+kr²/2的动、势能守恒，同时它又遵守∑E=mv²/2+E=Iω²/2的另一种能守恒。公式∑E=mv²/2+kr²/2和∑E=mv²/2+E=Iω²/2本来都是用来描述地球在椭圆运动中遵守能量守恒性，为什么前者的表现不符合现行物理理论，后者却符合?这只能说明：

（1）、地球和太阳间的引力形成机制不同于弹簧运动，但又表现出弹簧运动的特点来。

（2）、在椭圆运动中，地球与太阳间的引力变化和它们的自旋变化应有确定的对应关系。

（3）、∑E=mv²/2+kr²/2和∑E=mv²/2+E=Iω²/2应是从不同侧面描述了地球运动的能守恒性，二者之间必定存在可以统一的表达形式（这要从公转与自旋守恒角度来解决这一矛盾，但因论述篇幅较长，我在另一文中作以详述）。

在银河中心体引力场存在下，银河中心体与太阳分别对地球所产生的引力矢量和应为地球绕太阳作椭圆运动的向心力，即

如果地球绕太阳运动时在轨道的不同位置所受的向心合力不变，即

则存在

具体表现就是：远日点地球受银河中心体和太阳引力都是最大状态（太阳对地球的引力处于最大状态是由于地球的自旋动能和运动动能在守恒下相互转变而产生力变化的结果），这时r最大、v最小、ω最大；然后从远日点开始按逆时针向秋分点运动，在这个运动过程中地球受银河中心体和太阳引力逐渐减小，到近日点地球受银河中心体和太阳引力都处于最小状态，这时v增至最大、ω减至最小、r也减至最小。从近日点向春分点、远日点运动的情况与从远日点向秋分点、近日点运动的情况相反，将地球运动一个周期的过程连线就是一个椭圆轨迹，这就是地球绕太阳作开普勒椭圆运动的实质。可见，地球绕太阳作椭圆轨道运动的真正原因是银河中心体自旋引力场影响造成的，同时也可看出地球自旋季节性变化也与它有关。同样，太阳系的其他行星也会对地球运动轨迹产生影响，那就表现为地球的摄动。如果不存在银河系中心体的影响，地球绕太阳运动就只能象牛顿万有引力定律所描述的那样作圆周运动了，忽略银河中心体对地球运动的影响正是牛顿对开普勒运动解释的失误所在。

3.4、地球自旋季节性变化原因的解释

开普勒第二定律告诉我们：远日点地球绕太阳运动的轨道速度最小、近日点则最大，地球在一年时间里绕太阳作椭圆运动的轨道速度变化是：

夏至点是在6月22-23日，远日点是7月2或3日，远日点正好是夏季开始后的第十天，这时地球绕太阳运动的轨道速度最小，在以后时间里，地球按逆时针方向沿椭圆轨道向秋分点和冬至点运动，其轨道速度会逐渐增大，直至近日点速度增加到最大。依据惯性原理，因此它整体上就会表现出7月、8月份这段时间内其轨道速度比秋、冬季要慢的特点。

近日点是1月3-4日，冬至日是12月21或22日，近日点正好是冬季开始后的第十天，这时地球绕太阳运动的轨道速度最大，在以后时间里，地球按逆时针方向沿椭圆轨道向春分点和夏至点运动，其轨道速度会逐渐减小，直至远日点速度减小到最小。依据惯性原理，因此它整体上就会表现出1月、2月份这段时间内其轨道速度比春、夏季要快的特点。

依据地球总动能E=mv²/2+Iω²/2守恒原理，地球自旋存在季节性变化的现象就很容易理解了。它就像地球轨道速度变化一样，从远日点自旋最快开始到7、8月份这段时间内整体上会表现出比秋、冬季快的特点；从近日点自旋最慢开始到1、2月份这段时间内整体就会上表现出比春、夏季慢的特点。

以上分析可见：

（1）、地球自旋速度季节性变化的根本原因是地球绕太阳作椭圆运动时地球运动的总动能E=mv²/2+Iω²/2守恒、自旋动能与平动动能随r变化而产生相互转化的结果，不是高空大气季风变化引起的，当然季风变化也可能在起作用，但只是极小的作用。

（2、地球自旋速度变化不仅仅存在于1、2月和7、8月间，在10、11和4、5月间也有变化现象，同时二日之间也存在变化，只是变化幅度不那么明显而已。

（3、开普勒第二定律所揭示的角动量守恒就是地球总动能E不变下受银河中心体引力场影响而作椭圆运动的结果，其轨道速度和自旋速度随r变化而产生相互转变并表现出s=v.r守恒，即E总=mv²/2+Iω²/2不变时，当v增大则ω变小、r减小，当v减小则ω增大、r增大。

4、对开普勒定律和万有引力定律的再讨论

1. 椭圆轨道定律：反映的是一个稳定的圆周运动当受到外力场影响时，会做椭圆运动。但开普勒和牛顿只看到太阳对行星的影响，没有看到银河中心体引力场对行星的影响，故找不出地球产生椭圆运动的本质。

2. 等面积定律：在二体运动中，太阳引力场不变，行星绕太阳作圆周运动；当此运动空间外存在另一个引力场（如银河中心体引力场），它就会改变运动轨迹，由圆周运动变成椭圆运动；在外引力场不破坏此空间的闭合性下，行星运动遵守角动量和自身总动能守恒、但平动动能和自旋动能存在相互转性。

3.和谐定律：反映的是中心体的引力场按g=4πk/r²=C/r²规律分布（C为常量），处在此引力场下的绕体运动必须遵守k=r³/T²，这也是中心体“荷量”不变的必然结果。

5、总结和推论

从以上分析中可以得出如下结论和推论：

5.1 地球椭圆运动的形成和自旋季节性变化是银河中心体引力场影响及地球自旋动能与平动动能守恒转化的结果。

5.2万有引力不适于精确描述行星的椭圆运动，要精确描述行星的椭圆运动必须考虑行星、太阳的自旋因素和外引力场即银河中心体的自旋磁场影响；同理，库仑定律也不适于精确描述核外电子的椭圆运动，要精确描述核外电子的椭圆运动必须考虑电子、原子核的自旋因素和外磁场的影响。

5.3牛顿和相对论力学体系都存在缺陷，即他们所研究的物体对象不存在自旋和自旋磁场性；刚体力学是对牛顿力学体系的重要补充，但缺失了自旋磁场的存在；量子力学虽然引入了自旋磁场但没有看到自旋速度与运动速度存在守恒与转化。

 

参考文献：

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司 今：男，1966年10月出生，皖蚌埠市人，机械工程师，主要从事理论物理学研究，先后发表有《陀螺及磁性陀螺运动的研究》、《物质自旋与力的形成》、《量子力学磁矩的含义》、《太阳系与原子系中绕体量子化轨道产生的原因》、《洛伦兹运动及其几种存在形态》、《波粒二象性的本质》等多篇论文。

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Discussion On The Earth's Elliptical Orbit And Spin Change Causes

Si Jin

( ChangYi Technology Group Research Institute, Guangzhou 511450 E-mail:jiewaimuyu@126.com)

Abstract: This paper use Kepler's law to analyze Newtonian’s mechanics systems of flaw,that is the objects do not spin, it can not explain two basic phenomena about the Earth's movement elliptical orbit formation and spin the seasonal variation. So the paper introduced the laws these are rigid body motion translational kinetic energy , spin kinetic energy conservation and transformed into each other, they explan the two causes on phenomena of the Earth's elliptical motion and the spin change in successfully.

Keywords: spin kinetic energy, translational kinetic energy, kinetic energy conservation and transformation, circular motion, the elliptical motion