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探讨宇宙斥力

北京快三 ??吴东敏

20世纪20年代,天文学家埃德温·哈勃在星光光谱红移与蓝移的观测上,发现越远的星系以越快的速度离开我们,表明整个宇宙正处于不断膨胀的状态之中,并提出”哈勃定律“,开创了现代宇宙学。

爱因斯坦意识到,在静态宇宙中,星系之间的万有引力会使宇宙收缩。于是,爱因斯坦在他的引力场方程中添加“宇宙常数”项来平衡万有引力的作用,以保持宇宙的稳定。这个“宇宙常数”到底是什么?爱因斯坦认为它是“反引力”,它不像其它的力,不发源于任何特别的源,而是时空结构所固有的。后来的理论物理学家又捡起了“宇宙常数”,认为“宇宙常数”这个反引力是驱动宇宙膨胀的力学原因,具体来说,它就是时空中的“暗能量”。暗能量是什么?暗能量如何与星系发生作用的具体机制,始终没有作出定论。对于相信唯物主义哲学的研究者来说,更多的是从其他各个方面来考量,我发现星系的光辐射斥力可能是宇宙膨胀的力学原因。

星系的辐射压力是星系中恒星,中子星等具有强烈辐射的天体对周围时空产生的排斥力,主要是光子辐射产生的斥力。星系间的光的辐射斥力与其万有引力都是长程力。很显然,星系之间的万有引力是星系相互吸引的力,能使星系相互接近,而辐射斥力是星系相互排斥的力,能使星系相互驱离。所以,本文主要对星系之间的万有引力与辐射斥力的力度作出分析。如果辐射斥力大于万有引力,则表示我们已经找到了宇宙膨胀的力学原因。

一,光子的动量与动量定理

1905年,爱因斯坦提出“光子说”,成功地解释光电效应。1917年,爱因斯坦又提出光子具有动量的假设,被1923年康普顿X射线散射实验所证实。光子的能量,动量,冲量可用下面的公式计算:由E=mc2?与p=mc得到 p=E/c ,由I=F·t ,F·t=Δp?得到F=Δp/t ?其中:E为光子能量(焦耳J),p为光子动量(牛秒Ns或公斤米/秒kgm/s),m为质量(公斤kg),c为光速常数(2.998×108 米/秒m/s),t为时间(秒s),Δp为动量变化量(牛秒Ns或公斤米/秒kgm/s),I为冲量(牛秒Ns或公斤米/秒kgm/s),F为作用力(牛顿N)。

天体的辐射压可以理解成天体接受光子辐射后,由于光子动量发生变化而产生的作用力,也可称为碰撞力。作用力的方向与光辐射方向相同,作用力的大小取决于动量变化量的大小。如果光子被吸收后,其动量变化量则等于光子初动量,即:F·t=Δp=p=E/c ,得到F=E/c·t ,天体接受的辐射压力的大小等于它每秒钟接受的能量除以光速。

二,估算太阳对地球的辐射斥力

据实验资料表明,在地表阳光直射下,测量到可获得辐射功率约为每平方米1000瓦,即每秒钟获取1000焦耳的能量,在大气层外,测到的辐射功率为每平方米1368瓦。地球半径6378km,加上携带的大气层厚度以1000km计,地球整体半径为7378km(7.378×106m),计算:

可获取的太阳辐射功率为: 3.1416x(7.378×106)2x1368=2.345×1017W(J/s)

太阳对地球的辐射斥力为:F=E/c·t=2.345×1017/2.998×108x 1=7.822×108N ??然而,太阳地球之间的万有引力,经计算为:3.51×1022N,对比之下相差14个数量级,辐射斥力实在是微乎其微!

我正处于迷茫的时候,想到,星系里为什么会有如此之多的恒星相聚在一起?我开始研究星系的辐射斥力,于是作出如下草图,加以思考,我突然发现,受辐射的面积与辐射强度同时都与恒星数量有关,辐射斥力提升的倍数将是两个星系恒星数平方的乘积。只要恒星数足够多,辐射压将超过万有引力。这一发现,使我无比激动,久久不能平静,记得那天是中国航天员杨利伟驾驶飞船返回地面的第二天。也是我研究史蒂芬·霍金著作《时间简史》所取得的第一个收获。

 

 

三,辐射压的表达式

1,两个恒星之间万有引力的大小与它们质量的乘积成正比,与距离的平方成反比,类比之下,两个恒星之间的辐射斥力的大小与它们相互辐射的光子数的乘积成正比,与距离的平方成反比。然而,受辐射恒星单位面积的光子数与辐射源恒星的总动量或总能量成正比。于是得到表达式:F=k·S1?· S2?·p1 · p2 /R2???或 ???F=k·S1·S2·E1·E2/R2·c2???S1 ?S2 ?为两恒星的受辐射面积 ?p1??p2为两恒星的辐射总动量 ??E1 ?E2?为两恒星的辐射总能量 ?R为两恒星的距离 ?c为光速常数 ?k为修正常数 ?F为辐射斥力。

2,同样,两个星系之间的万有引力的大小与星系质量的乘积成正比,与距离的平方成反比,类比之下,两个星系之间的辐射斥力的大小与它们相互辐射的光子数的乘积成正比,与距离的平方成反比。在含有x颗恒星的星系1里,辐射的总动量由p1?变为xp1?,受辐射面积由S1?变为xS1 ,在含有y颗恒星的星系2里,辐射总动量由p2?变成yp2?,受辐射面积由S2?变成yS2?,星系之间的斥力:F斥力=K·xS1·yS2·xp1·yp2/R2=K·x2·y2·S1·S2·p1·p2/R2???同理,?F斥力=K·x2·y2·S1·S2·E1·E2/R2·c2??这表明,含有多个恒星的星群,星团,星系里,辐射斥力将迅速增大,它与相互辐射的恒星数量的平方的乘积x2?y2?成正比,而万有引力的增加只与恒星数量的乘积xy成正比。随着星系恒星数量的增多,其辐射压力比万有引力增加快xy倍,结果说明,只要星系里恒星数量足够多,其xy数值足够大,星系的辐射斥力将会超过万有引力。通常星系的恒星数量为50亿颗到100万亿颗(5×109?-1014?颗)。其辐射斥力比万有引力提升的幅度xy数值达1020倍以上是绰绰有余的。

为什么会得到上述结果呢?1,受辐射面积与恒星数成正比。2,单位面积的光子数,由于辐射叠加,强度增大,也和恒星数成正比。所以,相互作用的光子总数会变得很大。

四,银河系与仙女系(编号M31)之间的辐射斥力估算

对星系辐射斥力作定量计算:在F斥力=K·x2·y2·S1·S2·E1·E2/R2·c2?中,修正恒量K的数值犹如万有引力恒量G,须由实验测定,希望寄托有实验条件的科学家中,早日出现第二个卡文迪许式的人物。

本文对星系斥力的计算,避开修正恒量K,而是采用F=E/c·t 作出计算。由于太阳是普通的恒星,质量1.989×1030?kg,半径6.963×108?m,光子辐射总功率3.847×1026?W(J/s),其数据作为星系里恒星的平均值来计算。在现有不全面也不十分准确的天文数据资料的范围内做出估算。银河系:质量4.177×1041?kg,直径1.3011×1021?m(以14万光年计,1ly=9.2938×1015?m),恒星数3×1011?颗。仙女系:质量8.354×1041?kg,直径2.0446×1021?m(以22万光年计),恒星数4×1011?颗,与银河系距离为2.3504×1022?m(以253万光年计)。银河系对仙女系辐射功率为:仙女系受辐射面积/大球表面积x银河系总辐射功率=(2.0446/2×1021)2?·π/4·π·(2.3504×1022)2?x3x1011?x3.8×1026?= 5.39×1034?(W或J/s)。银河系对仙女系的辐射斥力F1?=E/c·t=5.39×1034?/2.998×108?·1=1.799×1026?(N)。仙女系对银河系辐射功率为:银河系受辐射面积/大球表面积x仙女系总辐射功率=(1.3011/2×1021?)2?·π/4·π·(2.3504×1022)2x4x1011x3.8×1026=2.911×1034(W或J/s)。仙女系对银河系的辐射斥力F2?=E/c·t=2.911×1034/2.998×108·1=0.971×1026(N)。合斥力F=F1+F2=1.799×1026+0.971×1026=2.77×1026(N)。

 

五,银河系仙女系万有引力与辐射斥力相比较?

经计算,银河系与仙女系之间的万有引力为4.22×1028N,与其辐射斥力2.77×1026N相比较,差距仍然较大。万有引力为万亿亿亿牛顿级,辐射斥力为百亿亿亿牛顿级,相差2个数量级。有以下原因加以探讨:

1,本星系群(银河—仙女星系群)尺度1000光年以内,含有50多个星系。以仙女星系为中心的卫星星系含有M33,M110,M32,NGC185,NGC147及其她多个仙女座矮星系,构成次级星系群;以银河星系为中心的卫星星系含有大小麦哲伦星系,大犬座,人马座,Crater 2,天龙座,大小熊座,船底座,天炉座,御夫座,牧夫座,六分仪座,狮子座等二十多个矮星系,也构成次级星系群。参与两个次级星系群相互辐射的恒星数量增加,其xy 数值增大,辐射斥力加强。

2,太阳是超新星遗迹演化形成的第二代甚至第三代恒星,重物质含量约为3%,相当10000个地球质量,光度与质量的比值较小(经计算为1.934×10-4W/kg),超巨星的光度质量比值可以达到太阳的5000倍(9.67W/kg),与爱丁顿临界值近似相等。星系里第二代恒星的数量明显少于第一代恒星,如果用太阳光度(辐射总功率)和质量来度量星系总光度与总质量误差很大,所以,应当酌情考量。

3,银河系中心银球尺度约2万光年,光度很大,其中银核AGN光度(包含X射线γ射线光度)约是太阳光度的1011倍以上,质量约是太阳质量的2×106倍,计算其光度质量比约为9.67W/kg,与爱丁顿光度近似相等。仙女系中心的AGN光度质量比与银河系类同。

虽然缺乏有关天文数据供作定量计算,但由于上述3个原因可以看出,它们能大幅提升银河系与仙女系的辐射斥力与万有引力的比值,能使辐射斥力与万有引力处于同一数量级或辐射斥力略小于万有引力。这与科学观测,仙女系,蓝移光谱,约以每秒300km的速度向银河系运动相吻合。遥远的将来,银河一仙女星系群合并成一个更大的星系,具有更大的辐射斥力,存在于宇宙之中。

 

2019,07,18于浙江