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旋涡里的宇宙

第一篇 旋涡论 第二章 旋涡论

一、旋涡的定义

本书把周围物质有规律地不断地改变运动方向并且向中心聚集的自然现象定义为旋涡,能产生旋涡的力定义为旋涡力。

二、旋涡的结构

1.旋涡的平面结构

旋涡是流体绕着中心向一个方向旋进而形成的一种近圆形构造。自外向里,依次为:旋涡边缘、旋涡外围和旋涡中心。旋涡边缘为运动速度较慢的一个环形区域。旋涡外围为运动速度较快的一个环形区域,由两个、四个或更多个旋臂组成。旋涡中心是一个物质密集区。核心部位是一个洞,可以分为洞沿、洞壁和洞眼。

整个旋涡好似中国的太极阴阳鱼。不同的是,太极阴阳鱼是两条鱼,而旋涡是两条鱼共用一个鱼头,鱼眼为中心洞,鱼头为中心区;一条鱼就是一个旋臂,鱼身为外围区;鱼尾向外甩开并开叉。如果通过中心洞画一条S线而去掉两条鱼的腹线就成为太极阴阳鱼。

在旋涡边缘之外,相对于旋涡中心区的速度为零的物质已经不属于旋涡的范围了。

2.旋涡的立体结构

旋涡为中心凹陷成洞眼,四周翘起的一种漏斗状构造。太空旋涡是地球旋涡的结合。

台风是最典型的旋涡。两条巨大的旋臂上浪起云涌,中心区雨暴风狂,但中心区的台风眼里却风平浪静。

旋涡控制着与自己的直径相同的球形空间。物质在这个球形空间中沿各自的轨道运动。

三、旋涡三定律

1.旋涡力定律

旋涡和旋涡力是客观存在的。旋涡力的大小与旋涡的自旋角速度的平方成正比,与旋涡中的旋力质量成正比,与旋涡波及的距离成正比。即:

F=MRω2(1.1)

式中:F-—旋涡的旋涡力(牛顿);

R-—旋涡波及的距离(米),0<R<∞;

M-—旋涡中的旋力质量(千克);

ω——旋涡中心的自旋角速度(度/秒)。

这个公式的意义在于具体描述了旋涡力的存在及大小。旋力质量就是物质和暗物质的质量。这种暗物质是永远看不见、找不到的,只能够感觉到其引力效应。在星系中心,有时根本看不见什么天体,质量的大小也不随距离的改变而改变,说明这种质量集中在核心。核心特别大的质量就是这种旋力质量。旋力质量永远大于物质质量。旋涡中心可能存在一个中心物体,但这个物体的质量不能完全代替旋力质量,这个物体只是旋力质量的一部分,因为这个物体本来就是旋涡力形成的。当物质质量约等于旋力质量的时候,旋涡就要消失了。

太阳系之所以以太阳为中心,外围有绕行的行星和小行星带,就是由于星系级旋涡力的作用。原子之所以中心有原子核,外围有绕行的电子和光子,也是由于有原子级旋涡力的作用。

需要指出,旋涡的自旋角速度是一个变量,随着R的增大而变小。这里特指旋涡中心区的最大值。

旋涡力的平面分布就像一个围绕中心轴旋转的蜘蛛网。越靠近中心轴,网扭曲得越厉害。中心轴附近的网密度比外围的大得多。网上的蜘蛛具有明显的波粒二象性。

如果假定旋涡第一大圈层的宽度为2的话,那么,第二大圈层的宽度就是4,第三大圈层的宽度就是8。也就是说,第一大圈层里有2个小圈层,第二大圈层里有4个小圈层,第三大圈层里有8个小圈层。每个小圈层最多只能容纳2个形态不同的物体,即泡利不相容原理。多于2个的就要进入更高一级的小圈层,这就是宇宙的二进制。

旋涡中的物体都要受旋涡力的作用,处于相对平衡状态、具有稳定速度的单位质量物体所受的旋涡力的大小与旋涡的旋力质量成正比;与物体和旋涡中心的距离的N次方成反比。

F1=GM/rN(1.2)

式中:F1——旋涡单位质量物体所受的旋力(牛顿/千克);

r-—物体到旋涡中心的距离(千米);

G-—旋力系数。

(1.2)式与牛顿的万有引力定律的表述不完全一样,主要区别在于去掉了“万有”二字。式中G不是常数;M不是中心物体的质量,而是旋涡的旋力质量。旋力质量远大于中心物体的质量。中心物体的质量可以为零,但旋力质量不为零。旋力质量一旦为零就意味着旋涡的消失。

2.旋力定律

旋力是旋涡力的近法向向心力。旋力可以分为指向中心的向心力、切向力和轴向力三个分力。促使大量物质向旋涡中心聚集的旋力定律可用公式表示为:

F11=Iβ/r(1.3)

式中:F11——旋涡中心附近单位质量物体所受的旋力(牛顿/千克);

I——旋涡的转动惯量(千克/平方米);

β——旋涡的自转加速度(度/秒的二次方);

r——物体到旋涡中心的距离(千米)。

3.喷力定律

旋涡中的物体都要受喷力的排斥,喷力的大小与物体的质量成正比,与物体的速度成正比,与物体运动时间成反比。喷力是旋涡中心的外向喷发力,可以分为轴向离心力、法向离心力和切向力三个分力。喷力的方向向外,但不同于物体的离心力。即:

F21=mV/t+FZ(1.4)

式中,F21——作用在物体上的喷力(牛顿);

V——物体的运动速度(米/秒);

t——物体运动的时间(秒);

FZ-—作用在物体上的合阻力(牛顿),包括摩擦力和(弹性)变形力。

喷力线沿轴向向外弯曲并且发散,再进入涡面与旋力线衔接。在喷力作用下,物体像子弹一样沿喷力线前进,一直做减速运动,直至进入涡面。物体的运动规律可以用抛射体的三维运动方程来描述。假设初速度相同,抛射角大于45度的物体一般会落到旋涡中心区或外围,抛射角小于45度的物体一般也会落到旋涡中心区或外围,只有抛射角等于45度的物体才会落到旋涡边缘。这是旋涡中心物质密度特大的一个原因,也再次证明宇宙和星系都是喷发出来的。

4.物体的运动方向

在旋涡力控制下的物体不论在哪里、不论怎样运动都不能改变其旋转轴的方向,除非被撞倒。在原子旋涡里,质子、电子和光子的旋转轴的方向都是一致的。在太阳系,各行星的旋转轴的方向也都是一致的。就像磁铁先按磁极顺序排列好然后再运动一样,旋涡中的物体也要先按旋涡极性排列好然后再运动。想一想操场上的操练队伍的运动,如果要求队员绕指挥员运动,那么,其运动方式就只有公转、自转、起蹲和聚散四种,每一个队员都要确保头朝上才能开展其他的运动,即使有人偶尔来个头朝下,也会很快调整过来。

1)旋涡中物体的运动方向

旋涡中物体的运动方向与旋涡的旋转方向相同。主要是圆周运动、法向运动和轴向运动。

(1)当物体承受的旋力大于喷力时,就会向内做加速圆周运动,有可能干扰内层其他物体,或者碰撞、俘获其他物体,或者被其他物体碰撞、俘获。

当物体承受的旋力大大超过喷力时,就会迅速向内做加速运动,进入旋涡中心,并且一去不返。

(2)当物体承受的旋力等于喷力时,会做匀速圆周运动。但做匀速圆周运动的物体很少见。只有在旋涡的边缘,旋力才会等于喷力,物体的加速度为零,当然做匀速圆周运动。所以,在星球、星系的表面,物体都会做匀速圆周运动。

(3)当物体承受的旋力小于喷力时,会向外做减速圆周运动——逃逸。有可能干扰外层物体,或者碰撞、俘获其他物体,或者被其他物体碰撞、俘获。

当物体承受的旋力大大小于喷力时,会迅速向外做减速运动,直至逃到旋涡边缘。

旋涡力作用的结果是物体做匀变速圆周运动,即椭圆形轨道。诞生地的旋涡力决定了物体终身的位置和运动轨迹。这种匀变速圆周运动就是星系、行星系、小行星和彗星乃至电子沿椭圆形轨道运动的原因之一。

在旋涡平面上,旋力的方向为沿着旋臂的方向,向里指向旋涡的中心,喷力的方向为沿着旋臂的方向,向外背向旋涡的中心。旋涡中的物体既会在旋力的作用下做向心运动,又会在喷力的作用下做离心运动。物体的运动方向要视旋力和喷力的大小而定。宇宙第一速度、第二速度就是施加给飞船的绕地球飞行和挣脱地球系旋力的速度,第三速度就是施加给飞船的挣脱太阳系旋力的速度。由此,可以求出地球系和太阳系的喷力。

旋涡中的物体除了明显的径向运动之外,还有不太明显的轴向运动,即上下波动。

2)一个旋涡就是一个惯性系

一个旋涡只有一个旋向,凡处于同一个旋涡中的物体就处于同一个惯性系,其绝对参照点就是旋涡中心。顺之者昌,逆之者亡。有些逆行的物体可能是外来的强力者,有些则是观察和认识的误差。太阳系里有些行星的卫星看起来是逆行,实际上,有可能是迟缓的正转,也可能是碰撞的结果。

在同一个惯性系里,由于旋力的作用,同向流相吸,异向流相斥。行星、星球、星系是这样,通电导体是这样,原子中的质子或电子也是这样。尽管质子相互之间的排斥力极大,但是,在原子的旋涡中,旋力克服了斥力的影响,迫使质子或电子同向流动,彼此靠近,形成重元素。一旦离开旋涡,质子或电子就会迅速分离和衰变。

涡面以外的物体的运动主要是沿旋涡旋转轴的上下运动和法向运动。就像抛物体的运动。由于喷力的作用,同向流相斥,异向流相吸。两极喷出的粒子彼此排斥,各奔东西。

四、旋涡两定理

1.旋涡力定理(类似于电学中的高斯定理)

在旋涡力场中,通过任何曲面内的力量等于这曲面所包围的质量m及加速度a的代数和。

F=f3∮Scosθds=Σma(1.5)

式中:f3——旋涡单位面积上的力(牛顿/平方米);

θ——力的方向与物体运动方向间的夹角(度);

ds-—旋涡面积(平方米)。

推论1——物体相对静止时,说明未受旋涡力的作用。即牛顿第一运动定律。

推论2——因为旋力线和喷力线都不是闭合的,所以,通过任何曲面内的旋力和喷力都不会等于零。通过平行于旋涡平面的曲面内的喷力最大,旋力最小,几乎等于零。通过垂直于旋涡平面的曲面内的旋力最大,喷力最小,几乎等于零。

推论3——通过旋涡中心横切整个旋涡的曲面内的旋涡力的代数和为零。

2.旋涡力做功定理(类似于电学中的环流定理)

在旋涡力场中,旋涡力对物体所做的功只与物体的质量及路径的起点和终点有关,而与其运动的路径无关。

A=F∮Lcosθdl=0(1.6)

推论1——旋涡中的物体永远无法返回原处。

推论2——能穿过旋涡中心的物体一定不是旋涡里原有的物体。

五、旋涡力的特征

(1)旋涡力是有限的,对旋涡以外的物体的影响应该忽略,不需要无限远处和无限大的概念。一个电子的旋涡力不可能形成无限大的电磁场。一个星系的旋涡力也不可能形成无限大的引斥力场。任何物理定律都只能适用于旋涡。在旋涡之外,物理定律就失灵了。

(2)旋涡力的传播不一定需要载体。旋涡力客观存在。旋涡中的物体会截留、转化旋涡力,影响旋涡力继续传播的速度。旋涡力的传播不是瞬间的,也不一定非要是光速。即使旋涡中心的物体速度达到光速,旋涡边缘的物体的速度也会降低到零。当然,所谓的零是指与旋涡内的物体速度相比较而言。

(3)自然界已经发现的三种力——引力、电磁力(含弱力)和强力都是旋涡力,只是所处的位置不同,作用不同,大小不同。引力在宏观世界的旋涡中起作用,电磁力和强力在微观世界的旋涡中起作用。

(4)旋力和喷力的关系。轮动则风生,风吹则轮动;前者有风扇,后者有风车。轮速越快,风速就越大;反之,风速越大,轮速就越快。旋力和喷力就是这样同生死、共消长,互相依存。儿童都爱玩风车,他们都知道,风越大,风车转得越欢;所以,要玩风车,要么到风口去,要么跑一阵。当我们给电子加速时,实际上电子的旋转速度也在增加。在星系中,物质旋转则两极喷发,反过来,喷发则引起物质旋转。

正是由于旋涡力的作用,旋涡才会具有圈层和两极。

六、旋涡中的物质

旋涡中的物质不由自主地随旋涡的运动而运动。旋涡生则物质聚集,旋涡灭则物质失散。聚集则相互渗透产生新的物质或物质形态,这就是物质的起源。聚集则相互摩擦产生或保存热量,这就是热的来源。

物质主要分布在旋涡平面即赤道面上。旋涡平面是旋涡系统的基面,旋涡中的物质不管运动到哪里都会被迫向旋涡平面降落,而物质的聚散也在这个旋涡平面上进行。

旋涡力可以使旋涡平面中的物质重新分布。绝大多数物体向旋涡中心聚集,形成扣碟状、球状或橄榄球状堆积,可以使一小部分物体在旋涡外围做圆周运动。在特殊情况下,聚集到旋涡中心的流体会在喷力的作用下向两极喷发,形成中心空洞。旋涡力形成的最稳定的物质是不能流动的固体物质。

1.圈层性分布

太阳系行星之间的距离存在着明显的倍数关系,即外圈层的宽度是相邻内圈层的2倍。原子的电子层也基本符合这种规律。这是旋涡固有的规律,是旋力和喷力共同作用的结果。在旋涡力的作用下,旋涡中的物质会从径向上分裂,形成一个个物质圈层。圈层的宽度或者小圈层数为2的圈层号次方。小圈层的宽度实际上是不相等的,但为了方便计算,姑且认为是相等的。例如:在第1圈层,宽度为2,即2个小圈层;在第2圈层,宽度为4,即4个小圈层;在第3圈层,宽度为8,即8个小圈层。外侧小圈层的宽度依然是相邻内小圈层的2倍。次级小小圈层也是不相等的,只是可以看成相等。旋涡边缘对应着旋涡核心。有核心就有边缘,有边缘就有核心。宇宙就是这样。

根据流体力学原理,旋涡是紊流状态下的产物。布拉德肖(P.Bradshaw)1971年提出旋涡的“家谱图”来描述紊流状态的发展过程。我的看法与布拉德肖的理论不谋而合。一个大旋涡形成后,会在外围形成2个次一级的旋涡,即第一级旋涡。依次发展下去,第二级有4个更次一级的旋涡……第六级有64个小旋涡。旋涡数量越来越多,旋涡尺度越来越小,直至大旋涡边缘。

圈层的位置决定了物质的分布。距旋涡中心越近,物质的密度越大;距旋涡中心越远,物质的密度越小,直至为零。造成这种现象的主要原因是旋涡力。斥力把物质喷向两极,然后落回赤道;旋力又把物质旋向中心。距旋涡中心越近,旋力越大,物质密度当然越大;距旋涡中心越远,旋力越小,物质密度当然越小。原子、太阳系、星系、宇宙、质子都具有这种特征。

2.旋臂式分布

每个圈层或者小圈层里的物质会继续旋聚在一起,形成新旋涡。星系的旋臂(以旋涡中心为中心对称分布的阿基米德螺旋线)和核外电子的排布就符合这种规律。星系的旋臂里发生的是把小物体旋聚成大物体的过程。由此,可以导出泡利不相容原理:在旋涡力的作用下,一个小圈层里不可能形成两个完全相同的物体。要么形成一个物体,要么形成两个或两个以上不同的物体,要么保持原来的分散状态。一段旋臂可以旋成一个实体,几段旋臂也可以旋成一个实体,旋臂也可以旋不成实体,如光环。核外电子层里发生的是物体重新排布的过程,有可能充填不满。旋臂的数目与小圈层的数目相同。

两个旋臂是宇宙中最普遍、最稳定的旋涡结构。天文学家们发现的一些双子褐矮星、双子中子星和双星系统就是星系第一层的状态。

旋臂上的物体既受旋力的吸引又受喷力的排斥。

3.车轮式分布

旋涡中的物质大部分分布在旋涡中心的车轮上。车轮上物体的运动规律近似于刚性圆盘。旋涡力越大,旋涡转动就越趋于车轮式,旋涡中心的车轮就越大。太阳、行星和原子核都处于车轮上,它们在旋涡力的作用下被动地向东运动,运动速度低于旋涡的速度,所以,在水星、土星、木星上总是观察到猛烈的西风。有人还以为是西风推着星球转呢?地球也处于车轮上,水圈和大气圈其实就附着在一个大大的车轮上,所以高空西风的速度比低空的大。火星的卫星火卫一,木星的卫星木卫十六、木卫十五,天王星的卫星天卫六、天卫七、天卫八直到天卫十四,海王星的卫星海卫三、海卫四、海卫五、海卫六、海卫七都是处于行星系旋涡的车轮上,所以,公转速度大于或等于行星的自转速度。

4.球形分布

旋涡中很小的一部分物质分布在旋涡平面之外,形成球形的物质空间。

5.物质分布与波

波是旋涡力的传递效应。当物质在旋涡力的作用下向前运动时,就会在径向形成旋涡。从沿轴纵剖面上看,波浪呈箭头形,鱼前进时形成的波浪就是这样子;从沿轴横剖面上看,波浪呈近圆形,是一个完整的旋涡,鱼跃起落下时形成的波浪就是这样子。

波是旋涡力形成的物质分布状态的体现。车轮式分布、圈层性分布、旋臂式分布都是一种物质波形,是物质的被动态。

波的传播与物体的传播并不同步。波起浪涌,只是表明旋涡力传递过来了,但物体并没有随之而来。大海里的波浪就是这样传播的。人们会错误地认为海水在向前运动,其实,海水只是波动。在海面上放一个葫芦,你就能看到葫芦的运动速度远小于波的传播速度。海啸是海水向上运动形成的圆形激波对海岸的冲击。如果部分海底地壳突然隆升(通常伴随地震),巨大的推力就会推动海水猛然向上运动,周围的海水就会迅速过来补充,形成海洋旋涡,引起海水的大幅度后退;向上运动的海水还会下落,推动补充过来的海水向海边运动,引发海啸。如果那块海底地壳一直有规律地上下运动,那么,海啸就反复不停。有人说海啸是由地震引起的,这种说法不对。正确的说法应该是海啸是由海底部分地壳突然隆升引起的,地震是海啸的伴生现象。海底地壳的水平运动可以引起地震,但上下运动不剧烈,就不一定会引起海啸。

七、物体的运动形态

在旋涡中,物体的运动轨迹为螺旋线,具体形态可以分为五种:公转、自转、轨道进动、绕心进动和上下波动。其中没有直线运动,所谓的直线只能是近似的,或者把一段曲线硬看做直线,使问题简单化,如光线。

物体的运动不管是什么形态都是被动态。旋涡力决定着物体的运动和生死,除非它离开了旋涡。

1.公转

旋涡中的物体不由自主地要做变速圆周运动,绕心公转,这是向心力与离心力斗争的结果。一方面,旋力要把物体旋向中心;另一方面,喷力要把物体分散到整个旋涡。物体总在旋涡力的作用下忽里忽外,变速公转,形成椭圆形轨道。物体公转的方向都是一致的。有少数物体看起来是反向公转,但实际上,仍然是正向公转,只是公转速度太小。公转物体所受的旋涡力可以用(1.2)式计算。

2.自转

在旋涡中,物体都会被迫自转。自转的根本原因是旋涡力的存在。在旋涡中,物体的运动轨道呈圆形,外侧的切向力大于内侧,物体自然要向内自转,所以绝大多数星球都向内自转。有个别的物体会向外自转,那是因为被撞后翻倒180度。有少数物体看起来不自转,但实际上,仍然有自转,只是速度小而已。物体核心自转的线速度约等于公转速度。需要指出,距离旋涡中心越近,切向力差越小,物体自转难度越大。在旋涡中心,切向力差很小,物体自转速度和公转速度几乎相同,如月球、卡戎。在旋涡外围区,物体的运动轨道变扁,切向力差较大,自转速度要大一些,如太阳系的几大行星,越向外自转速度越大。

3.轨道进动

由于变速圆周运动,在近心点和远心点,旋涡力会使物体产生相对于中心的力矩。公转轨道就会向前移动一个角度。这就是公转导致的轨道进动。物体公转的轨道变化并不大。任何物体都有轨道进动。水星有,太阳也有,电子也有。

4.绕心进动

物体绕心自转时,自转轴会发生一定幅度的摆动,即进动。绕心自转都会产生绕心进动。

5.上下波动

由于旋涡力波动式向外传递,所以,旋涡中的物体都会不由自主地上下波动。这就是物质具有波粒二象性的原因。

6.旋进黑洞

当物体接近黑洞时,就会被旋进黑洞,撕成碎块。

7.逃逸

当物体的运动速度达到逃逸速度时(如受到撞击),物体就会逃离旋涡。

八、旋涡的诞生和消失

根据流体力学原理,紊流具有随机性、有涡性、耗散性和扩散性。扩散方程是流体力学中的一个重要方程。系统内物质浓度的变化与系统的物质流进和流出、凝聚和扩散有关。当一个旋涡的物质凝聚大于扩散时,这个旋涡就会逐步扩大。当一个旋涡的物质凝聚小于扩散时,这个旋涡就会萎缩。当一个旋涡的物质凝聚等于零时,这个旋涡就要扩散殆尽。

1.旋涡的诞生

形成旋涡的必要条件:一是有大量的可动介质,二是有可以使之运动的外力。

在地球上,池水下泻可以引起旋涡,这里有重力在起作用;搅动池水可以引起旋涡,这里有人力在起作用;河水流动可以引起旋涡,这里有冲击力在起作用;气流上升可以引起旋涡,这里有热力在起作用。

河水流动时会在两岸形成旋涡。这是因为河水流速中间大,两边小。速度大的水流会自动向两侧运动,形成旋涡。一个旋转着的物体不仅在自己周围形成一个旋涡,而且运动方向会自动向向后运动的一侧偏转,形成公转的态势。这是旋涡的特性。

旋涡的周围还会对称产生双倍的次一级的小旋涡。其原理有两个方面。一是旋涡力的圈层和旋臂效应;二是旋涡中物质运动速度的不同产生力矩。旋涡中心和外围为近似车轮式的转动,物质会形成和旋涡中心旋转方向相同的次一级的小旋涡。

宇宙中充满粒子。粒子都是可动的介质。当本身带着力的粒子运动速度过大时就会引起旋涡。尘埃等离子体的运动能产生旋涡,玻色—爱因斯坦凝聚体的运动、费米子凝聚体的运动也能产生旋涡,当然,非物质的运动也会产生旋涡,产生物质粒子。

2.旋涡的消失

旋涡的消失有两种原因。一是强旋涡的侵略。弱旋涡会损兵折将,疆域沦丧而消失。旋涡的合并主要是吞并,物体互相碰撞和纠缠,物体的运动状态发生变化,并不能增加强旋涡的旋涡力和面积。二是旋涡力的减弱导致旋涡的消失。旋涡迟早是要消失的。不仅旋涡的能量会从大尺度的旋涡向小尺度的旋涡传递和耗散,旋涡的动量、能量、物质浓度和温度也会向各个方向传输和扩散,而且一旦遇到阻拦,旋涡的速度会迅速降低,能量会立即衰竭。这就是台风登陆,风力大减的主要原因。

宇宙是一个大旋涡。这个大旋涡也会因太多的难以运动的固体物质和非物质过分消耗旋涡力而衰竭、消亡。

旋涡从无到有、从小到大,又从大到小、从有到无,有一个完整的生命周期。人类的生命周期只占太阳系旋涡生命周期的微不足道的一小部分。旋涡也有一定的运动形态。首先,旋涡在整体自旋;其次,旋涡还会公转,可以是匀速圆周运动,也可以是变速椭圆周运动;再次,旋涡也有上下波动和进动。

旋风、台风、龙卷风时而出现,时而消失,就是这个道理。太阳系、银河系和宇宙的诞生、成长和消亡也符合这个规律。

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