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【交流】理想氣體和有引力相互作用的多質(zhì)點(diǎn)體系 已有3人參與
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理想氣體和有引力相互作用的多質(zhì)點(diǎn)體系 理想氣體是指：嚴(yán)格地遵從氣態(tài)方程 PV=(m/M)RT=nRT 的氣體。從微觀角度來(lái)看是指：分子本身的體積和分子間的作用力都可以忽略不計(jì)的氣體。 在宇宙學(xué)研究中如果把一個(gè)天體看成是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，則宇宙中的天體系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)有引力相互作用的多質(zhì)點(diǎn)體系。對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的有引力相互作用的多質(zhì)點(diǎn)體系，存在下列關(guān)系：2T+Ω=0，式中T為體系總的內(nèi)部動(dòng)能，Ω為體系總引力勢(shì)能。這就是維里定理。 通常在用物理理論對(duì)實(shí)際客體進(jìn)行研究時(shí)，我們需要對(duì)復(fù)雜的實(shí)際客體進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。在宇宙學(xué)的研究中，星系通常被簡(jiǎn)化成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)。不過(guò)我們要記住，這樣的質(zhì)點(diǎn)是有引力相互作用的多質(zhì)點(diǎn)體系中的質(zhì)點(diǎn)，而不普通氣體中的氣體分子。普通氣體中的分子之間的引力相互作用是被忽略不計(jì)的。處于平衡態(tài)的理想氣體遵從的物理定律是氣態(tài)方程： PV=(m/M)RT=nRT。而穩(wěn)定的有引力相互作用的多質(zhì)點(diǎn)體系，遵從的物理定律是維里定理：2T+Ω=0。 由于理想氣體和有引力相互作用的多質(zhì)點(diǎn)體系所遵從的物理定律完全不同，兩者之間的物理行為也是完全不同的。例如，對(duì)普通氣體系統(tǒng)，在沒(méi)有附加外來(lái)引力場(chǎng)的情況下，它的平衡狀態(tài)是物質(zhì)密度均勻分布，氣體有同一的溫度T和壓力P。物質(zhì)密度偏離平衡態(tài)的不均勻起伏一般是小幅度的隨機(jī)變化。如果沒(méi)有容器的邊界的限制，空間中的氣體通常會(huì)無(wú)限制地?cái)U(kuò)展。對(duì)于有引力相互作用的多質(zhì)點(diǎn)體系，由于質(zhì)點(diǎn)之間有引力的相互作用作用，它們有成團(tuán)的傾向。它們會(huì)形成各種不同尺度和層次的成團(tuán)結(jié)構(gòu)，而不會(huì)是無(wú)限地?cái)U(kuò)展。這些不同尺度和層次的成團(tuán)結(jié)構(gòu)，一般是隨時(shí)間的延續(xù)而加強(qiáng)。這也是宇宙中各種恒星，星系，星系團(tuán)能夠形成并長(zhǎng)期存在的物理基礎(chǔ)。只有在有其它物理過(guò)程在起主要作用時(shí)，這個(gè)成團(tuán)結(jié)構(gòu)才會(huì)受到破壞。例如在恒星這樣的成團(tuán)結(jié)構(gòu)中，由于恒星內(nèi)部激烈的核反應(yīng)過(guò)程引發(fā)了超新星爆炸，這樣的超新星爆炸可以導(dǎo)致這個(gè)恒星的成團(tuán)結(jié)構(gòu)被破壞。如果兩個(gè)星系相互繞轉(zhuǎn)但沒(méi)有發(fā)生碰撞，則兩個(gè)星系之間的引力相互作用可能會(huì)產(chǎn)生潮汐效應(yīng)，這可能導(dǎo)致相互繞轉(zhuǎn)星系的瓦解。如果兩個(gè)星系之間的引力相互作用導(dǎo)致它們迎頭相互撞上，則可能使兩個(gè)星系合并而形成成新的星系。 如果可以把宇宙中的物質(zhì)可以看成以星系為分子的理想氣體，則由于理想氣體的平衡狀態(tài)是密度均勻分布，引進(jìn)宇宙學(xué)原理可能是個(gè)合理的假設(shè)。但現(xiàn)在的實(shí)際情況是：宇宙中物質(zhì)是有引力相互作用的多質(zhì)點(diǎn)體系，在引力相互作用下它們形成了各種尺度和層次的成團(tuán)結(jié)構(gòu)。天文觀測(cè)也證明了這一點(diǎn)。因此俞允強(qiáng)教授的‘球?qū)ΨQ(chēng)’物質(zhì)分布假設(shè)是比愛(ài)因斯坦的宇宙學(xué)原理假設(shè)更符合客觀實(shí)際的假設(shè)。 在1933年Zwicky對(duì)后發(fā)星系團(tuán)中各個(gè)星系運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究時(shí)，就是把后發(fā)星系團(tuán)中的所有星系看成是一個(gè)有引力相互作用的多質(zhì)點(diǎn)體系，并用維里定理推斷出在后發(fā)星系團(tuán)中存在有‘missing mass（丟失物質(zhì)）’。在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中，這樣的處理方法仍然是研究所謂暗物質(zhì)問(wèn)題的一個(gè)主要方法。 有些理論宇宙學(xué)家為了說(shuō)明宇宙學(xué)原理的合理性，把宇宙中物質(zhì)分布看成是由星系為‘分子’組成的氣體。我認(rèn)為這樣比喻是不合適的。它容易使人混淆了理想氣體和有引力相互作用的多質(zhì)點(diǎn)體系之間的重要區(qū)別。誤以為這些由星系組成的成團(tuán)結(jié)構(gòu)會(huì)傾向瓦解而趨于均勻分布。實(shí)際上這些由星系組成的成團(tuán)結(jié)構(gòu)，在引力相互作用下，它們的成團(tuán)結(jié)構(gòu)是傾向于加強(qiáng)而不是瓦解。如果沒(méi)有這樣成團(tuán)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的傾向，就不可能形成恒星，星系和星系團(tuán)等天體系統(tǒng)。后發(fā)星系團(tuán)中子團(tuán)結(jié)構(gòu)的存在，表明后發(fā)星系團(tuán)可能就是由幾個(gè)比較小的星系團(tuán)合并加強(qiáng)發(fā)展而成的一個(gè)巨大的星系團(tuán)。 |
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