由力学看宇宙发展.doc

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1、由力学看宇宙发展物理与电子工程学院20071212班龙桂花摘要：本文主要从力学角度讨论了将来宇宙的发展。首先多普勒效应、哈勃定律牛顿动力学等方面详细地分析宇宙的膨胀，阐释了银河系不是宇宙的中心，提出宇宙膨胀的三种模型，预测了将来的宇宙将一直膨胀下去；其次描述了恒星的形成阶段及用角动量守恒解释了星云的形状；然后用逃逸速度的逻辑类推方式给出了科学合理的黑洞存在观；最后介绍了物理学在天文学研究上突出的重要性及物理学家在今后要作的努力!关键词：力学宇宙膨胀恒星形成星系形状黑洞存在“宇宙”一词，泛指天地万物

2、，亦即在浩瀚的空间中运动和变化着的全部物质世界的总称，现代宇宙学可以看作是把整个自然科学，特别是把物理学和天文学相结合起来，对大尺度空间进行研究的一门学科，它从整体角度研究宇宙的结构与演化，随着人类的视野向宇宙深处不断延伸，观测到宇宙的时间越来越早，温度越来越高，相应的物理学能量也随之也越来越大。这一点充分说明了现代宇宙学的发展是与物理学紧密联系在一起的，尤其力学理论对于宇宙的发展尤其重要，下面就对由力学看宇宙的发展问题谈几点看法!1宇宙是否在膨胀并一直膨胀下去？1.1多普勒效应与谱线红移河外星系

3、有一个很重要的现象——谱线红移。20世纪20年代，天文学家关注其它恒星的光谱时发现：它们与我们银河系的恒星相同，也缺了一组有特征的颜色，但它们都以相同的相对量向红端偏移。对此唯一的解释是，这些星系在离我们而去，因而由于多普勒效应，它们发出的光波频率降低，或者说发生了红移。那多普勒效应与谱线红移有着怎样的联系？怎样定出星系离我们而去的速度?我们知道声源和观测者的连线方向上有相对运动时，观测者接收到的声波的波长会发生变化，这就是多普勒效应。光源和观测者在两者连线方向作相对运动时，也有多普勒效应。当天体

4、离开我们时，谱线向光谱的红端位移，波长变长；当天体接近我们时，谱线向光谱的紫端位移，波长变短。波长的变化由下式确定：………………………（1）其中为天体光谱中某条谱线的波长，为谱线的正常波长，v为天体的视向速度，c为光速，Z为红移值。恒星和天体的运动可以分解成两种运动：在天球切线的分量称为自行，在视线方向的运动称为视向运动。视向运动所具有的速度称为视向速度。利用多普勒效应测得的天体运动速度称为视向速度。有了天体分光方法，视向运动原则上只需一张质量良好的天体光谱照片和静止的光谱照片进行对照，就能定出天

5、体离我们而去的速度。1.2哈勃定律与宇宙膨胀愈暗弱的星系红移愈大，愈暗的星系一般离我们愈远，而红移的退行速度与距离r成正比：=Hr…………………………（2）上式称为哈勃定律，H的估计值为H=50~100km/s，就是说，离我们百万秒的星系，其退行速度约为50~100km/s。越远的星系离去的速度越快，这也就意味着，宇宙不可能像人们设想的那样是静态的，实际上它是在膨胀的。同时由哈勃定律我们来分析银河系是宇宙的中心吗？哈勃定律告诉我们，星系的退行速度与星系到我们的距离成正比。这似乎表明，我们所在的银河

6、系就是宇宙的中心。在人类文明的初期，曾认为地球是宇宙的中心。自日心说问世后，有人认为太阳是宇宙的中心。现在又是银河系是宇宙的中心。我们有了前两次“以我们为中心”说失败的经验，这次也不能冒然相信银河系中心说。其实，根据运动的相对性不难看出，不论在什么星系上观察，其它星系都似乎以它为中心在向后退行。设在星系上观察时，根据哈勃定律，任一星系P(位矢为r)的速度为=Hr若在星系上观察，设=d,则星系相对的速度为u=Hd根据速度相加相加法则，星系P对星系的速度为=u=HrHd=H(rd)但rd=即为星系P以

7、为为原点的位矢，于是有=H此式表示星系的速度分布以为中心。由以上分析可见，银河系并不是宇宙的中心。就满足哈勃定律的运动而言，宇宙并无中心。这是由哈勃定律的性质决定的。1.3牛顿动力学看宇宙膨胀在上面我们可看出星系的运动及其所遵循的规律——哈勃定律。由于万有引力的作用，星系的退行速度不可能保持不变，而应越来越小。现在从动力学角度来考察这一问题。考察离观察者r处的一个星系P,设其质量为m，设想宇宙是球状的，其密度为常量，则星系P将受到以r为半径的球内部物质的万有引力，该球以外的物质对星系P的总引力为零

8、。而半径为r的球对其外一质点P的引力与质量全部集中在球心上的一质点对质点P的引力相同。于是P的运动方程为…………………………（3）式中=就是以为半径的球的总质量。由于宇宙密度的均匀性及星系运动的球对称性，可视为不变的量。这样，方程（3）就与质点m在质点的引力场中的运动方程无异，尽管质点实质上是不断膨胀着的宇宙的一部分。于是，星系P的运动完全类似于在地球场中的一个上抛物体的运动。星系P与球内物质的相互作用势能为,由机械能守恒定律：…………………………（4）式中E的值可由t=时r与的值