按照萬有引力的實質,那行星繞著太陽轉不應該越轉越遠或者越轉越近,怎麼會保持不變?


先給題主看一張圖片,我們去遊樂園都玩過的項目,大輪盤不轉動的時候我們只受到重力的影響,所有繩子在我們上方。當大輪盤告訴運轉的時候繩子發生了角度上的偏移,這就證明我們不僅受到重力,另外還有一個力想要將我們向外拉。這個力就是離心力,圖中的離心力被重力和繩子的拉力抵消了,所以我們才能保持相對平衡。

萬有引力公式

離心力公式

我們可以從公式看出,影響引力大小的參數有:兩個物體的質量以及半徑。影響離心力的參數有:物體旋轉的角速度以及半徑。

太陽系能夠保持相對平衡是因為行星在高速運轉的時候產生了離心力,而這個離心力恰好和該行星和太陽之間產生的引力所抵消,所以才能保持相對平衡的狀態。

如果行星停止運轉,那麼就會被太陽吸引過去。如果行星運轉的速度過於快,就會掙脫太陽軌道,飛向其他位置了。所以太陽系的平衡是經過很長時間之後才達到的相對穩定的一種狀態。

但這裡還是要說一點,地球繞著太陽的軌道不是一個完美的圓形,而是一個橢圓形。所以地球到太陽的距離實際上是忽遠忽近的。

另外這種相對穩定的狀態理論上是不會一直持續下去的。因為太陽一直向周圍輻射的大量的能量,這就導致太陽的質量減少,進一步導致太陽對地球的引力減小,地球軌道應該是越來越大的。但太陽衰減的質量相對於其自身質量來說不值一提,所以這種軌道的擴張幾乎是微乎其微的。對我們也沒有任何影響。


按照牛頓力學,太陽對行星的萬有引力剛好用作行星繞著太陽作圓周運動的向心力,(當然行星大多是橢圓運動,這跟當初太陽系形成有關,行星在捕獲各小天體的形成過程中繞轉太陽的速度並不同於所在軌道上圓周運動所需的速度,只有大於這個速度的最終才得以留在該軌道且軌道呈橢圓,小於的落向更靠近太陽的軌道,被該軌道行星捕獲。)即GMm/r2=mv2/r得出r=GM/v2,我們知道向心力只改變行星的運動方向而不改變速率v,而G和M分別是引力常量和太陽的質量,它們都是常數,因而行星的軌道半徑是很穩定的,不會越轉越遠,也不會越轉越近。

而根據愛因斯坦的廣義相對論,所謂的引力不過是時空彎曲的幾何效應,大質量的太陽引起周圍時空彎曲,當然行星的質量也影響著彎曲的時空,行星沿著彎曲的時空運動的軌跡是一條測地線。走的是一條最短線,由時空結構決定,是唯一的路徑。只要太陽系沒有發生巨變,時空結構就不會變,行星軌道就不會變。我認為根本就沒有什麼引力,行星的運動就是在彎曲時空的一種不受力的「慣性」運動。

綜上不管是用哪一種理論解釋,行星的軌道都是不會變的,當然應該指出以上我們把太陽的質量看作是不變的。因為儘管太陽在每時每刻向外輻射能量,但這點質量損失比起它自身的龐大質量顯得微乎其微,完全可以忽略不計。


因為環繞的離心力等於其受到的引力,所以固定在一個高度運行。如果太陽系內的行星停止圍繞太陽旋轉,那麼這些行星就會被太陽拉過來「吃掉」了。

根據引力等於離心力可得GMm/r^2=mr4π^2/T^2其中G為引力常數,M為中心天體質量,m為環繞天體質量,r為環繞半徑,T為環繞周期。

可得r^3=GMT^2/4π^2,即太陽系內的行星環繞半徑僅僅和其環繞周期有關,因為GM都是固定不變的。


萬有引力只是牛頓物理學對行星繞恆星旋轉的一種解釋,是行星和恆星的所謂引力達到平衡點,所以軌道保持不變。其實只要想一想,地球繞太陽旋轉的軌道不是圓的,而是橢圓,太陽處在橢圓的其中一個焦點,而且地球在近日軌道和遠日軌道運行時的速度是不同的,就可以想到所謂引力平衡的說法是不正確的。所以才有了愛因斯坦的相對論,在相對論裡面,引力是一個場,叫引力場,而且由於天體的質量導致引力場空間的彎曲,正是這個引力場彎曲的拓撲結構,導致行星繞恆星旋轉。實際上隨著宇宙的膨脹,行星繞恆星旋轉的軌道不可能永遠不變,只是按天文尺度改變,實際上人類已經觀察到很多因為軌道改變使得行星,乃至恆星死亡的例子(比如白矮星)。由此可知,萬有引力理論其實很有局限性,並不準確。


這個用一個簡單的實驗就能解釋,用一根橡皮筋拴住一個小球,然後拿著橡皮筋的一頭讓小球旋轉起來。當小球的線速度越大時橡皮筋就被拉伸的越長,線速度小時橡皮筋拉伸的長度就小。橡皮筋的拉力和小球的旋轉速度保持了小球即不能飛離也不能靠近達到橡皮筋最短的程度。


太陽公轉時甩轉了太陽系,道理類似人用手甩轉繩子套住的物體,太陽系形成之初,符合牛頓力學V=√gr的天體都保存了下來,不符合的都消示在其它天體上,最終成了現在的太陽系。只要太陽公轉速度不變,它周邊圍繞的天體公轉速度和軌道都不會變,也就是說太陽公轉速度決定了周邊天體公轉的速度和軌道!


萬有引力是一種假象,本質上是暗能量推動物質熵變的過程,所以和距離平方成反比。而且萬有引力常數也在根據宇宙的膨脹而遞減,所以行星會逐步遠離太陽。(我的理論,不喜勿噴),就像月球會逐步遠離地球一樣。


推薦閱讀:

TAG:物理 | 萬有引力 | 天文 | 科學 |