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摘要：本文通过太阳旋转质量场的作用机制，阐述了太阳系角动量的转移过程，即在太阳涡旋力作用下，实现了角动量由太阳向行星的转移。据此原理，本文还对水星的进动现象重新作出了解释。
关键词：行星椭圆形轨道 涡旋力 太阳角动量转移 水星进动
一、 行星椭圆形轨道的启示
早在十七世纪，科学家们就注意到了行星的椭圆性轨道问题。素有“天空立法者”盛誉的德国天文学家开普勒，于1609年发表了两条关于行星运动的定律，其中第一条定律说：每一行星都沿着椭圆轨道绕太阳运行，太阳位于椭圆轨道的一个焦点上。那么，行星的运动轨道为什么是椭圆形，而不是标准的圆形呢？这一问题在万有引力定律问世之前，曾困扰了许多科学家。1684年，当时著名的科学家惠更斯、胡克和哈雷等人，虽然他们都认为天体间的引力作用存在着“与距离的平方成反比”的关系，但是，却难以解释行星的椭圆形轨道问题。据说，当哈雷登门拜访牛顿时，才知道这个问题牛顿早己在两年前解决了。
牛顿是如何解决这一问题的呢？根据物体的初始速度和位置，牛顿通过计算证明，在万有引力的作用下，物体的运动轨迹有三种：椭圆轨道、抛物线轨道和双曲线轨道。如果行星的初始速度很大或离太阳很远，就会形成抛物线轨道或双曲线轨道，它们都属于非闭合轨道。在抛物线与双曲线的轨道上，行星只能在太阳附近出现一次，以后就消失了。而太阳系诸行星之所以能够在椭圆形轨道上运行，就是因为行星最初离太阳不是很远，或者运动的初始速度不是特别大。
问题似乎顺理成章地解决了，然而一经分析就会发现，牛顿在解决行星椭圆形轨道问题时，运用的是太阳系起源的俘获说。行星椭圆形轨道的形成是有前提的，即在太阳系的演化过程中，行星必须是具有一定初始速度和位置的外来客体，这是俘获说的观点。而现代太阳系起源学说认为，行星是在原始星云盘中诞生的，星云盘在绕星云核的旋转过程中形成星云环，然后再由星云环演化为行星。行星和太阳是由同一原始星云演化而来，这样诞生的行星只能运行在标准的圆形轨道上。行星与太阳的同源性，使牛顿对行星椭圆形轨道的解释失去了理论前提。
如果说行星不是按牛顿的俘获说演化而来的，那么行星的椭圆形轨道又是如何形成的呢？答案是太阳旋转质量场的作用结果。
行星绕太阳公转，将受到来自太阳两种力的作用，其一是万有引力，力的方向垂直于行星的运动方向，它为行星的圆周运动提供了向心力。其二是太阳旋转质量场产生的涡旋力，力的方向与行星的运动方向相同，因而这种力将使行星圆周运动的线速度不断增大。
根据经典力学，做圆周运动的物体，在向心力不变的情况下，其轨道半径与线速度的平方成正比；所以当行星线速度增大时，其轨道半径将同时增大。因此，在太阳两种力的作用下，行星发生了非匀速圆周运动，由初始的圆形轨道进入了椭圆形运动轨道。行星的这一轨道演变，与银河系恒星的轨道演变过程完全相同。
其实，我们在这里讨论行星的椭圆形轨道问题并不是目的，而是以此引起人们对太阳旋转质量场作用效应的注意。在传统观念中，人们只注意到质量场随物体的平行移动，对于旋转物体，却忽略了质量场的运动行为，没有意识到质量场应该随物体一同旋转。在太阳系中，旋转质量场的动力学效应，不仅仅在于它改变了行星的运动轨道，更主要的是它完成了太阳系角动量的转移。
二、太阳系角动量的转移
太阳系角动量的分布问题，是不同太阳系演化学说争论的焦点。早在1862年，法国科学家巴比涅就太阳系角动量分布对星云说提出了质疑，为什么质量占太阳系总质量99.86%的太阳，其角动量只占太阳系总角动量的0.6%；而行星的质量总和仅是太阳质量的1/700，其角动量之和却超过太阳的100倍？正是在康德—拉普拉斯星云说遇到困难的情况下，二十世纪初叶，灾变说又一度盛行起来。到了二十世纪四十年代，随着天文观测手段和研究方法的进步，形成了现代星云说理论体系。
现代星云说对太阳系角动量异常分布的解释是，在由星云向太阳系的演化过程中，由于原始太阳收缩，自转加快，磁场增强，并且发生激烈的对流，于是一部分物质被抛射出来。这种物质是带电的，可称其为早期的太阳风，沿着太阳磁力线运动，而磁力线随着太阳快速旋转，迫使抛出的物质也快速旋转。随着距离的增大，抛出物质的角动量也随之增大，太阳角动量因此而减小，即在磁场的作用下，太阳角动量向外发生转移，而且只要抛出少量的物质，就能带出很大的角动量，使环绕运动的星云角动量不断增大，于是形成了现在这样太阳系角动量的分布状况。
针对上述论点，一些研究人士指出，以早期太阳磁场作用来实现太阳向行星物质的角动量转移，原始太阳的磁场强度至少要比现在太阳磁场强度大15万倍，这在理论上很难成立。
那么太阳旋转质量场作用是如何实现太阳向行星角动量转移的呢？按照星云学说，在太阳系演化初期，原始星云中的大部分物质都被吸引到原始太阳上，它的自转角动量占原始星云角动量的99%以上，新诞生的行星公转角动量不足1%。行星形成之初，其公转速度比现在慢得多，轨道半径也比现在小得多。但是，在太阳旋转质量场作用下，行星的匀速圆周运动变成了加速圆周运动——椭圆运动，公转速度逐渐加快，轨道半径逐渐增大，太阳自转角动量逐渐由旋转质量场传输给了行星。与此同时，受行星公转运动的逆向牵引，太阳自转角动量不断减小。这样，太阳系在几十亿年的演化过程中，逐渐实现了角动量由太阳向行星的转移。
太阳旋转质量场产生的涡旋力为： F=Gωk Mm /R2=G’Mm/TR2
其中：式中M为太阳质量，m为行星质量，ω为太阳旋转角速度，T为太阳自转周期，R为行星的轨道半径，k = 0.40为比例系数，G’= 2πkG，G为万有引力常数。
在太阳旋转质量场的作用下，行星将在圆周运动的切线方向上获得一个加速度a：
a=F/m= G’M/TR2
因而，行星运动速度增大值为： △v=at=G’Mt /TR2
行星公转角动量增加值为： △L=R m△v = G’Mmt /TR （1）
太阳现在的自转角动量： L = rMV = 2πMr2/T (r为太阳半径)
公转角动量变化系数： f = △L/L = kGmt/ Rr2 （2）
公式（1）表明，太阳向行星转移的角动量，与行星在轨道上的运行时间t成正比，与太阳的自转周期和行星的轨道半径成反比。其中太阳的自转周期和行星的轨道半径为变量，随着太阳系角动量的转移，太阳的自转周期在逐渐增长，行星的轨道半径逐渐增大。通过计算公式（2），所得出角动量变化系数f值，与目前太阳系角动量的实际分布状况相符。
当诸行星从太阳处不断获取角动量后，太阳系的半径随之增大，整个太阳系处在一种轨道膨胀状态之中。这一点可以从水星的自转周期与公转周期的关系予以证明。
按照水星相对太阳的运动关系，水星的自转周期应该严格地与公转周期相等，就如同月球相对于地球一样。但是，如果水星处在一种变速运动状态，公转速度加快，轨道半径增大，那么，公转周期就将增大，即公转周期大于自转周期。反过来说，若水星的公转周期大于自转周期，那么就意味着水星的轨道半径处在增长之中。而事实正是如此，水星的公转周期为88天，而自转周期只有58.6天。如若把这一推论扩大到太阳系，所有的行星都遵循相同的规律，那么就可以得出这样的结论，整个太阳系处在轨道膨胀之中。
通过分析行星的运动还可以发现，太阳旋转的质量场不仅改变了行星的圆周运动状态，而且还产生一种次级运动效应，那就是行星在近日点的进动。
行星近日点的轨道位移：S =1/2 a to2 = G’M to2 /2TR2 （ to为行星的公转周期）
很明显，在周期性的公转运动过程中，行星每运动到近日点一次，在太阳旋转质量场的作用下，近日点的位置都要向前发生一次位移，椭圆轨道的短轴半径与上一周期的短轴半径不能重合，在质量场的旋转方向上形成了一个夹角，它就是行星在近日点的进动夹角。这一规律对太阳系内所有行星都适用，只是水星的进动表现得更为明显而已。
参考文献：
[1] 李啸虎《科学风云录》 上海科技教育出版社，2001.
[2] 朱永焕《神秘的涡旋力》 江西少年儿童出版社(二十一世纪)，2005. |
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匿名
发表于 2011-6-2 17:02
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狗仔卡
发表于 2011-5-10 18:45
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