天體引力場淺析

摘 要:引力透鏡觀察到的是暗能量，暗能量是指流體態的物質——充滿空間和物體內部的爽子。

關鍵詞:天體引力場淺析

中圖分類號:P131文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(c)-0219-02

引力場是現代物理學中的一個概念，系統相對論認為，天體的引力場是指天體的輻射場。本文主要是用系統相對論基本原理，闡述天體的輻射場的結構、相互作用及幾個相關概念的本質。

1 天體的渦量場

系統相對論認為，所有天體都有渦量場，天體和它的渦量場是相互依存的、不可分割的。天體的渦量場大體可分兩部分:體內渦量場和體外渦量場，天體的體外渦量場又稱作輻射場。

1.1 普通天體輻射場的結構

普通天體的輻射場是一個遍布自身周圍的、發散的中性場。這個場由行星內部粒子發出的無數渦管(或稱作渦線、場線)構成，向外和向里運動的渦管平行、相間且呈均勻發散分布。從物體向外運動的渦管稱作出渦管，從外界向物體運動的渦管稱作入渦管，天體的出渦管和入渦管構成的場稱作天體的輻射場，即通常講的引力場，天體本身是其輻射場的渦源。天體輻射場的渦管一直向外延伸，直至與其它天體的渦管耦合，最終形成閉合環路—— 渦環。

1.2 普通天體的渦量強度

普通天體輻射場本質上是由爽子構成的一個能量場，并在空間上呈現出能量密度分布的靜態特征，系統相對論稱之為空間能量密度，簡稱空間密度，用ρ表示。普通天體輻射場的渦量強度簡稱輻射場強度，用B表示，它對應于空間能量的面積密度(《系統相對論》第三章第一節中表述有誤)，即:

B=ρ2/3(1)

普通天體的輻射場強度B與到天體中心距離的平方成反比，設天體表面渦量強度為B0(對應空間密度為ρ0)，天體半徑為r0，則在距離天體中心r(r≥r0)處的輻射場強度B可表示為:

(2)

將(1)式代入(2)式，則距離天體中心r(r≥r0)處的空間密度ρ可表示為:

(3）

從上式可以看出，天體周圍的空間密度ρ與到天體中心距離r的立方成反比。

實際上，構成天體的粒子產生的渦線，絕大部分在天體內部與其周圍粒子的渦線相互耦合，因此天體的渦量絕大部分束縛在天體體內，天體內部的空間密度遠大于體外。在天體表面臨界位置體內空間密度發生陡變，陡變前的空間密度稱作物體邊界空間密度，簡稱臨界空間密度ρc，對應的臨界渦量強度用Bc表示。

在天體內部，粒子間的邊界渦量強度稱作天體的體內渦量強度B，B除與Bc、B0和距天體中心的半徑r(r≤r0)有關外，還受粒子大小以及內部液態物質的規則流動狀態ωr等影響。建立天體體內渦量強度B估算公式如下:

(4)

根據公式(2)、(4)繪制天體渦量強度曲線。同理，天體渦量場的空間密度與圖2類似，只是曲線的曲率更大一些，在此不再累述。

1.3 輻射場間渦管的耦合

如圖3所示，有限距離的兩個普通天體，一個天體的出渦管與另一天體的入渦管總是在它們的等渦量強度(或等空間密度)位置耦合成一條渦管，即原來的兩條射線渦管變成一條兩端分別連接兩個天體的有限長度的耦合渦管，太陽與行星的每條耦合渦管都是兩頭細(太陽一端更細一點)、中間粗，耦合渦管最粗的位置(即等渦量強度點)離行星的距離稱作行星的耦合半徑。行星處于太陽的輻射場中，行星的表面渦量強度b0總是大于太陽在該軌道半徑R上的渦量強度B(否則行星將不復存在)。因此，行星和太陽的耦合半徑r大于行星半徑r0。不考慮行星對太陽輻射場結構的影響，則行星的耦合半徑公式可表示為:

（5)

從上式可以看出，所有等渦量強度點構成一個球面，球面的中心位于太陽和行星連線的延長線上。這個球面形成的封閉區域稱作行星的作用域，球面外面的區域是太陽的作用域，這個球面稱作太陽和行星的作用域分界線，也是二者的作用面。在行星與太陽連線上，行星的耦合半徑最短，用rm表示;在行星與太陽連線的延長線上，行星的耦合半徑最長，用rx表示。

實際上，行星和太陽渦管的耦合就是彼此渦量的吸收，這必然導致行星周圍太陽輻射場渦量強度的減弱。尤其在行星的背面，由于太陽直線過來的渦管已經在迎面耦合，因此行星背面的太陽渦管是繞行過來的。與直線相比，繞行的太陽渦管通過了更多的距離，渦量強度相應減弱，進而導致行星耦合半徑增大，行星與太陽的實際耦合面是一個類似的水滴狀體，一般情況下可以近似為一個橢球體。

式(5)給出的是不考慮行星運動狀態的耦合半徑公式，即行星的耦合半徑與耦合點到太陽的曲線距離成正比;耦合半徑的大小還與行星的自轉和公轉速度正相關，即行星的相對自轉和公轉速度越大耦合半徑越大，在此不再詳述。

2 天體間的相互作用

天體間的相互作用都是通過它們的輻射場傳遞的。

2.1 耦合渦管的引力作用

行星和太陽間的耦合渦管，實際是分別連接兩天體中粒子的若干渦環，每個渦環由兩條耦合渦管組成，根據流體理論，這些被極度拉伸的渦環對兩天體產生彼此相向的應力，稱作牽引力，簡稱引力Fq。行星受到引力Fq的大小，與行星的輻射渦量和太陽在該軌道的渦量強度成正比。設引力系數為kq，太陽和行星的半徑分別為R0、r0，太陽和行星的表面渦量強度分別為B0、b0，行星軌道半徑為R，則引力Fq的表達式為:

(6)

從上式可以看出，行星受到太陽的引力Fq與軌道半徑R的平方成反比。

對于地球表面運動的光子，它與外界的相互作用主要是周圍的光子、分子等各種粒子，由于這些粒子具有各向同性的特征，因此空中運動的光子所受合力為零，即光子沒有慣性，也就不存在慣性質量。地球對運動光子的作用與上述作用比較要弱得多，加之在極為有限時空下觀察，自然也就看不到地球對運動光子的作用了。

當然，如果在更大時空條件下觀察更大天體與光子的相互作用，天體對光子的累加作用效應就顯現出來—— 光線發生彎曲，這就是愛因斯坦時空彎曲理論的本質。

2.2 外場對天體的斥力作用

以太陽系為例，太陽的輻射場是行星的外場。行星橢球體的作用域處在密度并不均勻的太陽輻射場中，這個橢球體靠近太陽側的外場空間密度較高，遠離太陽側的外場空間密度較低。如同液體的浮力原理，由于橢球體各處受到的外界應力不同，行星的橢球體受到背離太陽的浮力，稱作行星受到太陽的斥力Fr。斥力Fr的大小是橢球各點受到外界渦量強度與作用面積乘積的矢量和，環帶所受斥力Fri的水平(即垂直外場方向)分量相互抵消，設斥力系數為kr，則斥力Fr可表示為:

Fr=2πkr’ΣBi×ri×a×sinθ(7)

根據公式(2)、(5)，上式變換為:

(8)

從上式可以看出，行星受到太陽的斥力Fr與軌道半徑R成反比。如果考慮行星的運行狀態，實際斥力還要大得多。

因此，行星受到太陽的作用力F是引力Fq與斥力Fr的合力，即:

F=Fq+Fr(9)

對于地球表面的物體，它受到的斥力遠小于引力，因此我們感受不到斥力的存在，僅觀察到引力作用。離開地球表面越遠，雖然引力和斥力都在減小，但引力減小得更快，相對引力斥力在增大;當離開地球足夠距離，例如同步衛星，引斥力達到平衡，因此衛星可以靜止在同步軌道上。但在這個同步軌道上的衛星是不穩定的，一旦偏離軌道引斥力平衡就被打破，高于軌道斥力大于引力、低于軌道引力大于斥力。由于外界的干擾的積累效應，同步衛星偏離軌道會不斷增大，因此，我們需要對同步衛星定期調整、及時復位。

由此不難得出結論:離心力不是虛擬力，它是斥力的一部分。更多論述見《系統相對論》。

3 萬有引力常數與荷質比

根據系統相對論的質量定義，天體的質量與天體對外輻射的總渦量成正比，也就是與天體表面積(4πr02)和表面渦量強度b0(或ρ02/3)的乘積成正比(系統相對論中[3.1]公式有誤)，設m=r02b0、M=R02B0，則(6)式變為:

(10)

將上式與萬有引力公式比較，得到關系式如下:

1/kq=4π/G =1.88345×1011

我們知道，密立根油滴試驗是通過重力計算出一個電子的電量。上式中kq的倒數值與電子的荷質比(1.7588×1011)相比較，可以發現二者數值非常接近，實際上它們是同一個物理量。后者比前者小約6.618%的原因解釋如下:

實際上，電場是一個中性的極化渦量場，引力場是中性的萬向渦量場(磁場是極性渦量場，詳見《系統相對論》有關章節)。即密立根實驗中的電場是在正負電極間渦量均勻分布的中性場，正電極上的渦量主要來源于原子核，負電極上的渦量主要來源于表面自由態的電子。在兩極間，原子核與自由電子的渦管耦合，形成密度均勻的渦量場。

負極上的自由電子處于自由運動狀態，在負電極的油滴投影區域，由于正電極輻射到該區域的渦管與油滴上的自由電子耦合，使得電子運動到該區域的幾率減小，即該區域的渦量強度減小，稱作油滴的投影效應。因此油滴在正極側的渦量強度大于負極側，又由于該電場的渦量強度遠高于地球表面，因此油滴受到電場的斥力作用是不能忽略的。這個斥力是指向負極板的，而油滴受到的庫倫力是指向正極板的，因此油滴受到的斥力抵消了部分庫倫力，進而導致測算的荷質比偏小。

對于正負電極板間距恒定的電場，在相同的位置，油滴的半徑越小，它在負電極上的投影效應越弱，受到電場的斥力也就越小，相應的e值也就越大。對此密立根通過修正斯托克斯定律擬合了數據，從而掩蓋了斥力的存在。當然，對于同樣大小的油滴，如果位置更靠近負電極板，或升高電壓同時相應增大極板間距，而保持油滴與負極板間距不變，我們同樣可以得到e值增大的結論。

4 作用域與提丟斯—波得定則

天體的作用域表明了天體輻射場在空間上的有限性，這是與我們的天文觀測相吻合的。實際上，太陽系八大行星的作用域彼此獨立、沒有重疊，因此無論它們的相對位置如何，它們之間都不會發生直接相互作用(否則積累效應會使它們不斷相互靠近而最終融合成一個行星，而不存在當前的穩定狀態);八大行星都處于太陽的作用域中，它們都只與太陽發生直接相互作用。同理，衛星處于相應行星的作用域中，因此衛星只與該行星相互作用，太陽和其它行星對其沒有直接作用。

雖然行星之間不存在直接相互作用，但它們之間存在引力效應。以地球為例，其軌道外側的行星位于太陽與地球連線的延長線上或附近時，地球所處的太陽渦量強度會略微增大，根據公式(8)地球受到太陽的斥力增大，而使地球略微遠離太陽，這就是外側行星對地球的引力效應;同樣，地球軌道內側的行星位于太陽與地球連線上或附近時，地球所處的太陽渦量強度會略微減小，導致地球受到太陽的斥力減小而使地球略微靠近太陽，這就是內側行星對地球的引力效應。

太陽的輻射渦量一部分與系內行星耦合(或被吸收)，剩余渦量會在更遠的距離上與其外界渦量耦合，因此從更大空間尺度上看太陽的作用域也是有限的。

行星和太陽的連線與耦合面的兩個交點的距離稱作行星的軌道帶，軌道帶的寬度用rt表示。則有:

rt=rx+rm(11)

軌道帶的寬度與行星自身質量和運動狀態，以及所處軌道位置均有關。作用域和軌道帶的概念或許為解釋“提丟斯-波得定則”提供了一些線索;同時，對海王星和冥王星與“提丟斯-波得定則”相差較大，提供了新的理解方式。

5 暗物質和暗能量

研究表明物質具有三種存在形態:普通物質、暗物質和暗能量，它們分別占宇宙的4%、23%和73%。

5.1 暗物質

大約66年前，弗里茲·扎維奇發現，大型星系團中的星系具有極高的運動速度，除非星系團的質量是根據其中恒星數量計算所得到的值的100倍以上，否則星系團根本無法束縛住這些星系。之后幾十年的觀測分析證實了這一點。盡管對暗物質的性質仍然一無所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大約20%的暗物質以被廣為接受了。

大量觀測顯示星系是有核體，如同太陽系結構，星系中心是質量(用渦量表述更準確)巨大的黑洞，這個黑洞決定了星系的規模。星系團是由若干規模不等的星系構成聚合體，它不存在有形的核，因此在大的時空跨度上它是不穩定的。根據系統相對論的作用域原理，每個星系中的恒星如同太陽系中的行星一樣，僅具有有限的作用域，它既不與星系內的其它恒星直接相互作用，更不會與另一星系的恒星發生直接作用，星系間的作用主要是指兩星系中黑洞間的直接相互作用。因此，星系間的作用引力的大小取決于黑洞的質量(即輻射渦量)，與恒星質量無關。

從對太陽系的觀測不難推出，星系中的黑洞質量遠大于各恒星質量之和，這與弗里茲·扎維奇的觀測是吻合的。由此可以得出結論:暗物質是指黑洞的質量即輻射渦量。

5.2 暗能量

2007年1月，利用引力透鏡技術，70位研究人員繪制出一幅三維“藍圖”，這無疑是人類認識宇宙的重大進展。但由于對暗物質和暗能量本質還了解不多，將圖中亮點理解成了暗物質。從圖中可以看到:這種物質聚集成團，并與星系的位置基本吻合。

從系統相對論基本原理可以知道，天體的體內空間密度遠大于體外，上述觀察到的物質實際上是天體內的渦量場。由于技術精度原因，體外低十幾個數量級的空間密度還觀察不到。天體的體內渦量決定著天體的存在和物態，天體的體外渦量決定著天體間的相互作用和運動。

由此得出結論:引力透鏡觀察到的是暗能量，暗能量是指流體態的物質—— 充滿空間和物體內部的爽子。

6 結語

根據系統相對論原理，還可以推得:我們在地球上觀察到的宇宙圖景并非真實，而是扭曲的圖像，這如同圓形魚缸中的魚看外界一樣;另外質量是相對的，取決于自身狀態和環境，在宇觀中用渦量代替質量更容易描述。