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本文编号：050116000009
本文分类编号：050116muc001
漩涡星系的中心不是黑洞
夏烆光
意义：对于黑洞的存在证据提出了相反的物理解释，从而否定了某些黑洞的存在
内容提要：基于接触作用原则，本文指出：在引力传播速度有限性的前提下，必然产生引力作用的滞后效应。正是这一效应造成巨大的恒星系都将表现出旋涡式的运动状态，其情形同台风绕自己的低压中心旋转相似。随后，根据广义时空相对论的理论结果，对这种旋涡运动的形成机制进行了简短地分析，从而对某些黑洞的存在提出了质疑。
关键词：黑洞 漩涡运动 接触作用 滞后效应 台风 低压中心 银河系 暗物质
一 引 言
早在上个世纪70年代初，天文学家就注意到银河系外部星云绕其中心旋转的速度比预期的要快一些，但人们并没有从中发现任何物质。于是，恒星系中心存在巨大黑洞以及大量暗物质的观点，就成为当今宇宙学的一个热门话题。正如美籍华裔物理学家李政道先生在《物理学的挑战》一文中所介绍得那样：由于暗物质的存在，远离星系中心的物质的速度不随距离的增大而减少。这种现象是对所有测量过的967个星系的共同结论，没有一个例外。
目前，科学界都相信暗物质与黑洞存在，其证据是：1）在漩涡星系中，星云旋转速度几乎不随星云盘径向距离的增加而改变；2）对星系空间气体辐射X射线的观测发现，它的平均速度已经大于其逃逸速度，但事实上并没有出现逃逸现象；3）有些星系中可以看到的恒星数量很少，仅仅这些恒星不足以使它们维系在一起，可是它们并没有散开；4）按照牛顿的引力定律，离开银河系的中心越远，引力就会变得越弱，星云的旋转速度会相应的减慢。然而，天文观测表明：存在着高速旋转的局部星云；5）观测UGC10214星系时发现，其中的物质不停地向外围流出，但其外围却看不到任何别的星系存在。于是，天文学家们猜测：在该星系的旁边必定存在着暗星系，这些物质流就是在暗星系引力的作用下流出来的；……。总之，科学界普遍认为：银河系中大约有90%以上的物质是暗物质，这些暗物质可能就是一些质量为太阳质量数千倍的“中等大小的黑洞”。正是这些黑洞拖着年轻的恒星绕着银心那个巨大质量的黑洞转动。估计，这个黑洞的质量约为太阳质量的300万倍。正是这种巨型黑洞阻止了它周围3到4光年范围内任何新星的形成，——因为它的强大引力撕裂了构成星球原始物质的气团或尘埃云。
然而，加利福尼亚大学洛杉矶分校的布拉德·汉森等人近年来却发现，在距离银河系巨型黑洞不到0.5光年的星团中，却存在着许多年轻的恒星，它们的年龄都不足1000万年（参见【1】）。那么，它们又是如何在巨型黑洞的眼皮底下形成的呢？——显然，这是一个极为突出的矛盾！因此说，现有的关于黑洞存在证据的科学解释，并没有自圆其说！有鉴于此，这里用广义时空相对论的理论结果，对于黑洞的存在证据提出了截然相反的另类解释。
二 引力场中物体的运动方程
根据广义时空相对论的理论结果（参见【2】§20～22），在相对均匀的引力场中，物质运动的微分方程
（1）
注意到：
，可以得出
（2）
上式右端的第一项是切向加速度，代表着物体的自旋；第二项是法向加速度，代表物体的匀速圆周运动。对传播速度等于光速
的引力作用，则有
。设受力物体的质量为
，则该物体受到的引力为
（3）
在均匀的引力场中，
是个取决于引力场特征的常数，所以切向力取决于引力场的特征；而法向力则同引力源到受力物体之间，引力传播的时间
成反比。
三 引力作用的滞后效应
牛顿绝对同时性的时空观念，导致了瞬时的超距作用的基本假设。在牛顿超距作用的基础上，导致了万有引力定律根本没有考虑时间因素所带来的影响。可是，物质运动的速度总是存在着一定的极限，即便不是现在的光速，而是远大于光速，它也不可能是个无穷大。——纵然，将来的科学发展发现了超光速物质，也不会影响所提出的讨论原则。所以，我们目前仍以真空中的光速作为物质运动的极限速度。毫无疑义，引力能本身也是一种物质，所以，它的传播速度也决不可能是个例外。实际上，最近已经有报道证实：引力的传播速度的确等于真空中的光速。考虑到引力作用传播速度的有限性，那么，引力传播速度有限性所带来的滞后效应肯定存在！
诚如所知，在物理学中，转动的角位移、角速度和角加速度通称角量。平动的位移、速度和加速度通称线量。各种转动方程与平动方程基本相似，例如，在刚体匀速转动
假设，不考虑引力滞后效应（类似于刚性的转盘情况下）的初角速度为
，考虑到引力作用的滞后效应，则角加速度
的方向刚好相反。那么，在引力传播所经历的一段时间过程
所对应的空间位置上，其角位移
可写成
（4）
上式代表沿着银河系径向分布星云的角位移，随引力传播时间过程（或距离）而改变的变化规律。如图1所示。换言之，这一曲线表明：恒星系外围的所有星云，都围绕着该星系的“引力中心”旋转。其情形就如同地球上的台风的运动形式类似，所有台风中心以外的气体，都以非常高的速度，绕着一个空心的台风中心旋转着，从而构成了速度很高的“星云气旋”。——这一点，正是所有恒星系外围的星云都具有非常高旋转速度的根本原因。
四 对万有引力定律的粗略修正
诚如所知，牛顿的万有引力定律表达式为
（5）
这是个不含时间因素的关系式。按照这个公式，引力源与受力物体之间相对距离的任何变化，其引力的改变都是瞬时的（或超距的）。从动态平衡的意义上讲，任何一个巨大恒星系的引力场，都是均匀弥散在有限的空间范围上，并构成旋度等于零的梯度场。位于这个梯度场中任何位置的“引力”与“斥力”均应大小相等、方向相反、并作用在同一个物体上，从而确保这些天体始终处于动平衡之中。在这种平衡状态，确实可以利用不含时间因素的万有引力定律。
可是，当我们注意到：引力波的传播速度等于真空中的光速，那么从某个时刻开始，自引力源发出扰动——如引力源的自转所带来的扰动——只有经过有限的传播
才能到达预定空间位置。于是，引力扰动到达的“实际位置”与“理想位置”之间，就产生了一个滞后的“角位移”。假设初始时刻的角速度
，则滞后到达的引力在理想位置上的投影（即法向分力）应为
（6）
假如引力传播速度是无穷大，则
等于零，上式还原为牛顿万有引力定律。在太阳系这样的尺度下，
近似等于零，所以牛顿的万有引力定律具有足够的精度。
同理，角位移造成的切向分力为
(7)
上式给出的切向分力，同前一刻发出、此刻抵达的引力的矢量合成，是指定位置所承受到的实际引力。由此而来，任何位置上的星云，实际承受的万有引力应为牛顿引力与附加引力的矢量合成，即
(8)
正是这个合力造成了银河系外围的星云产生了类似于台风的漩涡运动。
五 结 论
综上所述：现有的天文观测现象并不是黑洞存在的唯一证据，很可能是引力延迟效应的一种表现形式。在旋涡星系中，星云旋转速度几乎不随星云盘的径向距离而改变的观测现象、以及星际气体的平均速度大于其逃逸速度的观测现象，都是由于引力延迟效应造成的；而引力作用不随星云半径的增加而减小的现象说明，引力延迟效应造成了所有星云都绕着空无一物的质量中心旋转，其情形就如同地球上的台风类似；天文学家发现的UGC10214星系不停向自己的外围流出物质的现象，则是星系局部旋涡的解体；有些星系可看到的恒星数量很少但却可以维系在一起的现象，则是局部旋涡的正在形成；一句话，这种类似于台风的旋涡，不仅存在于整个恒星系的中心，而且也存在于恒星系的局部范围之中，就如同大海中的湍流一样。当然，这并不是否认某种形式的黑洞可能存在，而是认为：这些天文现象并不是黑洞存在证据的唯一解释。
参考文献
【1】 中国科技网：银河系中心可能存在黑洞。
【2】
夏烆光著，广义时空相对论，人民交通出版社出版，北京2003年1月第一版。
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