宇宙的思考
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宇宙的思考. 杨清乙 PB06203082. 经过 2 个月的学习,我们结束了力学这门课程。她给我们留下了经典的知识,还有对物理问题思考的方法,而宇宙是力学知识应用非常广泛的一个领域,下面我就谈谈对宇宙的一些想法。. 人类仰望星空的时候,就试图对茫茫浩瀚的宇宙进行探索,而人类探寻的进程是漫长的而又艰难的。没有谁告诉人类应该怎样探索,只有靠人类自己一点一滴摸索,才能走向成功。在对宇宙的探索中,我们一刻也不曾停歇 ……. 一 宇宙的未来. 二 星系的形状. 三 关于四维空间. 一 宇宙的未来.

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Presentation Transcript

宇宙的思考

杨清乙

PB06203082


经过2个月的学习,我们结束了力学这门课程。她给我们留下了经典的知识,还有对物理问题思考的方法,而宇宙是力学知识应用非常广泛的一个领域,下面我就谈谈对宇宙的一些想法。


人类仰望星空的时候,就试图对茫茫浩瀚的宇宙进行探索,而人类探寻的进程是漫长的而又艰难的。没有谁告诉人类应该怎样探索,只有靠人类自己一点一滴摸索,才能走向成功。在对宇宙的探索中,我们一刻也不曾停歇人类仰望星空的时候,就试图对茫茫浩瀚的宇宙进行探索,而人类探寻的进程是漫长的而又艰难的。没有谁告诉人类应该怎样探索,只有靠人类自己一点一滴摸索,才能走向成功。在对宇宙的探索中,我们一刻也不曾停歇……

一 宇宙的未来

二 星系的形状

三 关于四维空间


一 宇宙的未来人类仰望星空的时候,就试图对茫茫浩瀚的宇宙进行探索,而人类探寻的进程是漫长的而又艰难的。没有谁告诉人类应该怎样探索,只有靠人类自己一点一滴摸索,才能走向成功。在对宇宙的探索中,我们一刻也不曾停歇

天文观测表明 , 宇宙正在膨胀 , 那么宇宙的未来会是什么样子?宇宙会一直膨胀下去,还是最终又会坍缩?


假设宇宙是球状的人类仰望星空的时候,就试图对茫茫浩瀚的宇宙进行探索,而人类探寻的进程是漫长的而又艰难的。没有谁告诉人类应该怎样探索,只有靠人类自己一点一滴摸索,才能走向成功。在对宇宙的探索中,我们一刻也不曾停歇,密度为常量ρ,有一星系 X 距球心的距离为R ,质量为 M ,则 X 受以 R 为半径的球内部的万有引力 , 球以外的物质对 X 引力的合力为 0 ,而以 R 为半径的球可看作是位置在球心的一个质点 Y , 质量为 :

所以 X 的运动方程为:

X 的运动等效的看成是在地球上火箭升天的运动,于是有公式 :


所以两个质点 人类仰望星空的时候,就试图对茫茫浩瀚的宇宙进行探索,而人类探寻的进程是漫长的而又艰难的。没有谁告诉人类应该怎样探索,只有靠人类自己一点一滴摸索,才能走向成功。在对宇宙的探索中,我们一刻也不曾停歇X 和 Y 的位置关系由 E 决定 , 由于 X 和 Y 的任意性 , X 和 Y 的位置关系也就体现了宇宙的未来 , 即 :

当 E<0 , X 和 Y距离增加到一个定值后将越来越近 , 即宇宙膨胀到一定程 度后将坍缩 ;

当 E =0 , X 和 Y 最终距离是个定值 , 即宇宙将膨胀下去,但最终静止 ;

当 E >0 , X 和 Y 将越来越远 , 即宇宙将一直膨胀下去 ;

综上所述,宇宙的未来由 E 决定,究竟 E 是正是负,有待进一步研究和观测……


二 星系的形状人类仰望星空的时候,就试图对茫茫浩瀚的宇宙进行探索,而人类探寻的进程是漫长的而又艰难的。没有谁告诉人类应该怎样探索,只有靠人类自己一点一滴摸索,才能走向成功。在对宇宙的探索中,我们一刻也不曾停歇

当遥望星空时,横贯天际、蔚为壮观的银河总能让人们欣然神往,思绪万千。

1926年哈勃按星系的形态进行分类,把星系分为椭圆星系、旋涡星系和不规则星系三大类。后来又细分为椭圆、透镜、旋涡、棒旋和不规则五个类型。


1 人类仰望星空的时候,就试图对茫茫浩瀚的宇宙进行探索,而人类探寻的进程是漫长的而又艰难的。没有谁告诉人类应该怎样探索,只有靠人类自己一点一滴摸索,才能走向成功。在对宇宙的探索中,我们一刻也不曾停歇关于银河系形状的讨论:

我们的银河系是盘状的旋涡星系 , 关于银河系形状的问题 , 老师在讲角动量时曾经讲过 , 这里再作一下思考:

银河系侧看图

银河系俯瞰图


虽然银河系中的恒星之间因为存在着万有引力而相互吸引,但银河系却不会塌缩并且是盘状的 , 这是因为各恒星以一定的速度饶中心旋转。

假设刚形成时是一球体,饶过质心的轴旋转 ,如图,对其中任意一个质点 Z ,Z 既受各恒星的引力的合力 F ,由受离心力 f

F 和 f 的合力使 Z 既向外运动,又沿着转轴方向坍缩,根据角动量守恒定律 :

  • 当 Mx = 0,则 Lx = 常量;

  • 当 My = 0,则 Ly = 常量;

  • 当 Mz = 0,则 Lz = 常量;

(1) 当 Z 向外运动(离心运动)时 ,L=R×P为常量 ,R增大 ,所以其动量减小,速度减小,这样可以保证外围恒星速度不至于太大,否则如果满足 v = r w , 则外围恒星速度最大,银河系将解体 。


2)当该质点 Z 沿着转轴方向坍缩时,角动量守恒定律 并不妨碍 Z 的坍缩 。

所以银河系最终成盘状 。

2 关于其它星系形状:

宇宙中的星系并不全是盘状的,共有椭圆、透镜、旋涡、棒旋和不规则五个类型。

在讨论银河系时,我们假设银河系刚形成时是一球体,饶过质心的轴旋转,这一假使显然太苛刻。


首先应认为各星系的物质是在运动的,原因有二:首先应认为各星系的物质是在运动的,原因有二:

(1)没有绝对静止的物体;

(2)如果星系的物质是静止的,则星系将因为引力坍缩。

所以有理由相信各星系的物质是在运动的。

星系在形成时有可能转轴上的物质分布多,这样会形成椭圆星系。

由定轴转动的知识,如果星系的转轴不是惯量主轴(这很有可能),则 L 与 w 将不在同一方向,若物质分布不均匀,将会形成棒旋星系、不规则星系等。


当然,星系形状的成因不会如此简单,还会有很多复杂的原因,如可能星系间及星系内部的相互作用有关,还可能与暗物质暗能量有关,这里仅能用所学知识对其进行较浅的讨论,想要真正理解星系形状的成因还需进一步学习。当然,星系形状的成因不会如此简单,还会有很多复杂的原因,如可能星系间及星系内部的相互作用有关,还可能与暗物质暗能量有关,这里仅能用所学知识对其进行较浅的讨论,想要真正理解星系形状的成因还需进一步学习。


三 关于四维空间当然,星系形状的成因不会如此简单,还会有很多复杂的原因,如可能星系间及星系内部的相互作用有关,还可能与暗物质暗能量有关,这里仅能用所学知识对其进行较浅的讨论,想要真正理解星系形状的成因还需进一步学习。

1 根据爱因斯坦的时空观 , 一个大质量的天体,如太阳,周围的空间将发生弯曲也就是三维空间将就、向第四维弯曲。

那么什么是第四维?以下是我的两种猜测:

(1)第一种猜测:

在微积分中,二重积分∫∫f(x,y) ds 是在平面上积分得到体积, 三重积分∫∫∫f(x,y,z) dv 是在体积上积分得到质量,也就是说,通过二重积分 由二维概念(平面)得三维概念(体积),通过三重积分 由三维概念(体积)得四维概念,也就是四维是一个“空间”的质量。

即在太阳周围,空间变重了,也就是空间的密度增大了,密度大的空间与密度小的空间 类似于 光密质与光疏质。


比如空气是光疏质,水是光密质,光从空气射入水中发生折射:比如空气是光疏质,水是光密质,光从空气射入水中发生折射:

这不类似于光从太阳旁边经过时将发生弯曲吗?


比如空气是光疏质,水是光密质,光从空气射入水中发生折射:2)第二种猜测:

先看这样一个例子:地球上一经线和一纬线相交,在地球上看α=90度,但如果将α所在的面展平,放在欧氏空间中, α将不在是90度。

所以我猜测,四维空间如图,

四个箭头相当于正四面体的四个顶点,那么四个坐标轴两两的夹角是90度吗?

在欧氏空间中不是,夹角约109度,但如果放在别的空间来看,夹角可能是90度,至于这个空间是什么空间,由于知识水平有限,我并不知道,只是一种猜测而已。


以上便是我关于宇宙的一些思考比如空气是光疏质,水是光密质,光从空气射入水中发生折射:,在写作中深感自己知识浅薄,对物理知识理解不够深入,对许多问题还有疑惑。如有不正确的地方还望老师指点。

在此感谢老师这两个多月的谆谆教导。

参考书目:[1]《力学》.杨维纮. 中国科学技术大学出版社

[2]《力学》.郑永令.高等教育出版社


比如空气是光疏质,水是光密质,光从空气射入水中发生折射:


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