轨道的演化与太阳系的形成

轨道的演化和太阳系的形成

刘 启 新

湖北省天文学会会员 北京相对论研究联谊会湖北联络站站长

《格物》杂志编委 湖北省科技进步研究中心 研究员

电 话: 0715 8338295 邮 编 437000 地 址 湖北咸宁学院 E-mail: [email protected]

摘 要 太阳系是在演化过程中形成的。但是现代科学理论都是对称的,守恒的,不能演化的。

所以太阳系的形成与对称理论相矛盾。但是在许多天文现象中,都包含有演化的迹象。我们把这些

天文现象集中起来,从中总结出演化规律,它就能告诉我们太阳系是怎样形成的。

关 键 词 轨道偏心率e 近日距q(近日点到太阳的距离) 远日距Q 行差位移

引 言 1609～1619年,开普勒从天体运行的实际情况综合出行星运动三大定律。1685

年,牛顿提出万有引力定律,认为天体轨道是二次曲线,天体运动遵从守恒定律。此乃现代科

学之源。但是,恩克彗星的公转周期不断缩短(能量不断下降),哈雷彗星总是迟到,都显示出

一种演化的迹象和能量涨落的规律。我们收集了许多异常的天文现象,并从中归纳出天体轨

道的演化规律和能量涨落规律,这可能是另一科学体系之源。

(Ⅰ) 异常的天文现象隐藏着的演化信息

1, 发现于1786年的恩克彗星,柏林天文台台长恩克用了毕生精力,不厌其繁地消除了摄动

影响,计算了它的轨道变化,结果发现该彗星的公转周期在不断缩短: 每公转一周,周期要缩

短3小时。恩克死后,后人继续他的研究,发现周期缩短值并非固定不变的,而是在不断减小:

由3小时变为2小时、再变为1小时。在60多次回归周期中,周期缩短的平均值是2小时/

周[1]。为什么恩克彗星的公转周期不断缩短呢?

2, 哈雷预言了哈雷彗星将在1759年初再次回归。是年,该彗星果然出现了。于是预报哈雷

彗星下一次回归时刻就成了天文学家的热门课题。天文学家们做了大量计算,预报了它1835

年回归近日点时刻。但是哈雷彗星却迟到了三天。天文学家们又计算了1910回归近日点时

刻。哈雷彗星又迟到了两天半[2]。为什么哈雷彗星不断迟到呢?

3, 先驱者10号宇宙飞船于1972年升空, 在近30年的飞行过程中一直在减速。太阳引力

F变大了,有ΔF存在。且ΔF不随距离的增大而衰减。先驱者11号,

尤里西斯号和伽利略号都有相同的异常。似乎非修改引力定律不可。

4, 在大行星的运行过程中却没有发现ΔF影响。

把引力定律与光行差效应结合起来就有ΔF生成。且ΔF与偏心

率e有关,e越大,ΔF 也越大,当e→0时,ΔF→0。大行星都是e→0,

故无ΔF影响。图一是光行差示意图, A点是地球,S是太阳,AB=v是

地球运行速度,c为光速。SS’与AB平行, AS’与矢量v、c 构成的平行

四边形对角线重合。在天文学上称SS’为“光行差位移”，表示太阳由

S移到了S’的位置。如果引力的传播速度为C,则有引力行差效应产生,

且SS’为“引力行差位移”，简称为行差位移,这既可表示引力行差位

移,也可以表示光行差位移,总是表示太阳由S移到了S’的位置。由于

SS’/AS＝v/C,所以有

SS’＝(AS×v)/C (1)

C为常数,行差位移SS’与天体运行速度v成正比,与天体到太阳的距离AS

成正比。这就是

行差位移规律: 距离R＝AS越远,行差位移SS’越大。

当e很大时,行差位移如图二所示,S为太阳,A,B是哈雷彗星轨道椭圆短轴上的两个端

点,彗星在A点的运动速度v＝

AC,是离开太阳S,行差位移是

太阳由S移到S’, S’与彗星A的

距离变近了,引力变大了,产生

了ΔF。彗星在B点的运动速度

v＝BD,是靠近太阳S,当太阳由于行差位移由S移到S”时, S”与彗星B的距离变远了,引力

变小了,即 -Δf,它与ΔF的作用结果完全相反:

① +ΔF的作用是: 使天体离开太阳时减速,靠近太阳时加速。使Q和q不断缩短。

② -Δf的作用是: 使天体离开太阳时加速,靠近太阳时减速。使Q和q不断变长。

当恩克彗星奔向远日点时(只与Q有关而与q无关),行差位移生成的FAS’使得Q不断缩

短(Q＞Q1＞Q2＞…)。当恩克彗星奔向近日点时, FBS”使得q不断变长: q＜q1＜q2＜…。又

由于BS”＞AS’,故｜FAS’｜＞｜FBS”｜,所以Q缩短的多而q增加的少。于是长轴就不断缩短。

这就是恩克彗星周期不断缩短的原因。若此规律正确,则哈雷彗星有更大的周期缩短值(下文

详述)。

哈雷彗星离开太阳时(行差位移生成ΔF)取①式的减速,哈雷彗星靠近太阳时(行差位移

生成-Δf)取②式的减速。所以哈雷彗星回归近日点时总是迟到。

q不断变长,Q不断变短。这种变化使得e不断变小,且当时间t→∞时,e→0 。由此可知

今日大行星的e→0是怎样演化来的。这就是天体轨道的演化规律。下面我们将列举许多大

偏心率彗星的轨道变化来证实天体轨道是这样演化的,太阳系也是这样形成的。

先驱者10号于1973年12月临近木星。木星的引力使先驱者10号高速沿抛物线轨道

离开太阳系。这时先驱者10号的运动相当于图二中A点处的彗星离开太阳的运动。行差位

移使得太阳和木星都像S’一样,紧追先驱者10号,于是就有两个大小不同的ΔF1和ΔF2跟随

在先驱者10号的后面,迫使它减速。这种减速度为什么不随距离的增大而衰减呢? 由于行差

位移SS’与距离AS成正比。所以这种减速度不随距离的增大而衰减。

(Ⅱ) △F使天体运行轨道不断演化

按牛顿理论,彗星在图二A,B两点处的速度方向相反,速率相等,即VA＝VB ,于是彗星

在这两点处的动能相等。若在A点处的势能以AS’计,在B点处的势能以BS”计,由于BS”

＞＞AS’,则彗星在B,A两点处的总能量EB＞＞EA 。这是由于 -Δf使能量不断上涨。过了

近日点之后,ΔF使能量不断下落。在-Δf变成ΔF时,能量急剧下落。仅当e＞0.99时,能

量涨落才会显著。笔者根据这一规律,于1996年6月,预报了海尔-波普彗星(e=0.9965)的轨

道变化: 海尔-波普彗星在过近日点之前,周期(按轨道参数a计算的周期)和e都渐渐变大。

过了近日点之后,周期将要缩短2000多年 。当时,距离该彗星过近日点的时间（1997年4

月1日）还有将近一年的时间,后来的天文观测证实了预报是正确的：美国《天空与望远镜》

杂志在1997年7月一期的第53-55页引用了D.K.Yeomans的研究: “海尔-波普彗星的周期

是4210年，但是下一次出现只要再过2380年就行了”。周期缩短了1830年,这只是ΔF在

1997年4,5,6三个月起的作用,ΔF还要继续起作用,就象先驱者10号一样,一直有ΔF追随

着。所以,周期还要继续缩短。过了远日点之后,-Δf才慢慢显示出来。预报材料现保存在

江苏省天文学会。下面是该学会的证明的复印件,文字为:

湖北咸宁师专(已改成咸宁学院)的刘启新先生所著“海尔-波普彗星轨道将发生显著

变化的预测”一文,于1996年6月20日转交到我会.经审阅,认为该文能够预测海尔-波普彗

星的轨道变化,较好地说明了过近日点后的实际轨道.这种独立研究的成果是难能可贵的,希

望这个理论模型能说明更多的天体轨道变化.

江苏省天文学会 1680年大彗星(e=0.999984)过近日点之前的周期是

(印章) 8814年。过近日点后的周期是575年[3]。周期缩短了8239

一九九八年五月十二日 年。该彗星于1680年12月8日12时04分过近日点([3]

891 ), 牛顿和哈雷用 12 月 日以后的观测数据计算出它的 12

周期是575年.在过近日点之前的11月4,6,11三日，德国

人开尔希(Kirch)作过三次观测([3] 896)。牛顿和哈雷也于

11月16,18,20,23日作过四次观测。但是近日点前后的数

据不在同一个椭圆上。牛顿对此变化不理解，所以他说：

“11月16,18,20及23日的各观测不正确(因为e≥1---引

者注),我们把它们都去掉了([3] 904),”。对牛顿把11月

份各观测抛之不顾的做法，德国人大为不满。后来,恩克根

据开尔希的三次观测数据,计算出过近日点之前的周期是

8814年.于是德人说英国人搞错了，英国人说德国人不正

确，其实他们都是对的，这正是e在作大幅度变化的历史

资料。

百武彗星(e=0.9998)于1996年5月1日过近日点,过

近日点之前的周期

是六万年,过近日点

之后的周期是一万五千年。周期缩短了四万五千年。

由于作者处地偏僻,消息闭塞,不知道百武彗星光临,

没有做出预报。就是预报了又有什么用呢? 笔者于

1998年6月13日,向中科院预报了先驱者10号存在

减速度。谁重视呢? 预报材料成了垃圾。右边是寄送

预报材料的快速专递存根的复印件。

2006年1月17日,冥王星探测器“新地平线”号升空,以每秒21公里的高速飞向木星

和冥王星。按行差位移规律,任何人都可预报它存在减速度。

1944出现的方根特彗星,世界各国天文学家都观测到e＞1,是双曲线轨道,周期＝∞。只

有前苏联处在该彗星过近日点之后的最佳观测位置,测得Q＝28万天文单位, q＝2.2天文单

位,周期≠∞。第一周期＝∞,这表明该彗星原来是远在“天外”，不是太阳系的成员,它无

拘无束,在宇宙空间漫游。一旦游进了太阳的引力范围,就会演出“周期越来越短”和t→∞

时, e→0的过程。由此过程可以看出,现在e→0的大行星,原来也是“天外之客”, 它们在

宇宙空间漫游,处在无拘无束的“童年”。可称之为童年的“游牧”行星。行星的童年,必然

是体积很大,密度很小。它们一边收缩,一边漫游。自到演出“周期越来越短”和t→∞时,e

→0的一幕,才形成现在的大行星和太阳系。

(Ⅲ) 太阳系的形成

当“游牧”行星第一次过近日点时,其壮观情景是我们从来没有想到的: 当时“游牧”

行星的近日距q很短,大约以每秒500km的高速在日面上掠过约150°，强大的起潮力在日

面上掀起高高的浪潮,浪潮随行星公转方向流动,当行星远去之后,潮落流存,沿日面流动一

周,就形成了日面赤道。流动渐渐向两极扩散,就形成了太阳自转。必然是赤道自转快而两极

自转慢。如果q太小,强大的起潮力会使行星碎裂成小行星。太阳的自转是各大行星的集体

贡献。太阳对行星的起潮力也使得行星产生了同方向的自转,而且行星直径越大自转越快。

当时间t→∞时,e→0

。就形成了现在的太阳系。行星的角动量是初始位能转化来的。这就

不必劳驾上帝来推一下了,

新假说的天文验证:《科技日报》2000年10月7日第三版报道,路透社华盛顿１０月５日

电《美天文学家在太阳系外发现１８颗“游牧”行星》美国科学家在距离地球大约１２００

光年的一个恒星区域内发现了１８个行星状物体,它们没有被束缚在任何恒星周围。奥索里

奥说,从这些星体的亮度和光谱特征可以看出它们的大小、温度和组成像行星,但它们不像传

统的行星那样被一颗位于中央的恒星的引力束缚。这些行星状星体的大小是木星的５到１３

倍不等。与年龄为50亿岁的太阳和45亿岁的地球相比,行星状星体都非常年轻,他们都处在引

力收缩阶段。该天区内的恒星也都很年轻,只有100万年到

500万年的历史。

奥索里奥说，新发现的这些“游牧”行星状物体的形成

难以用目前的行星形成模型来解释。地球等太阳系中的行星

是从太阳形成后的残留物演化成的，以此方式形成的行星将

被中央恒星的引力固定在特定的轨道上。美国亚利桑那州图

森国家光学天文观测台科学家纳吉塔说，这一发现非常重

要，它有可能改变现在的行星形成理论。

我们假设这18个“游牧”行星在一定的范围a(area)

内随机分布,a比起太阳的引力范围A来要小的多。当a斜

向接近A时,a就会沿着太阳的一侧靠近太阳,18个行星的

公转方向就是一致的。

当t→∞时,e→0,在恩克彗星、哈雷彗星的运行过程中

表中前六个数据出自陈遵妫《流表现得不明显。在沃尔夫Ⅰ(WolfⅠ)彗星、德阿列士特

星论》一书。后两个数据出自《天( D’Arrest )彗星和Pons-Winnecke彗星的运行过程中表现得

很显著。右表中列出了P-W彗星自1858年到1989年的e文爱好者》杂志。1951年的数据

和q的变化情况。可惜,该彗星历史资料不全,中间遗漏了不出自(前苏联)ПТКуликовий, . .

《天文爱好者手册》.紫金山天文少。后来的资料也未能找到。P-W彗星一百多年的记录,展

台译. 科学出版社. 1956 346 示了轨道偏心率e是在不断地变小。且有当t→∞时,e→0

的趋势。

按此演化过程,哈雷彗星的公转周期应该不断缩短。20世纪70年代,侨居爱尔兰的中国

天文学家江涛对哈雷彗星做了大量的计算,他发现哈雷彗星过近日点时刻与理论计算值存在

很大的偏差,而且计算的时间跨度越大,误差也越大。他计算的时间跨度上溯到公元295年,

发现推算的过近日点日期与历史记录的日期有两～三个月的误差[4]。(参见《天文参考消息》

(1970) 第一期)。按演化规律来分析,两～三个月的误差即是平均误差为2.5个月。而且,

误差的分布应该是由小到大,即是: 一个月、二个月、三个月和四个月,其平均误差是2.5

个月。四个月等于120日。自公元295年到1910年,哈雷彗星回归了21次。计算的295年

的过近日点日期,应该落后历史记录日期四个月即120日。这就可以计算出哈雷彗星的周期

缩短值: 假设每公转一周,周期缩短x日。则有方程x+2x+3x+…+21x＝120日。解得x＝

0.519日。这是按演化规律的计算值,它与天文观测的实测值符合的很好: 哈雷彗星1835年

回归近日点迟到了三天。1910回归近日点迟到了两天半[3]。如果ΔF＝0,则哈雷彗星应该在

1986年2月7日过近日点(推算值),实际上是在2月9日过近日点(迟到两天)。如此陈述只

是为了说明哈雷彗星的公转周期在不断缩短,缩短值是0.5日。与计算值0.519日符合的较好。

(Ⅳ) 行差位移规律的实际应用

ΔF的存在是天文事实,它使得先驱者10号飞行异常。人类早期登月飞行和火星之旅总

是失败,就是ΔF的影响: 前苏联的早期登月飞行由谢尔盖・科罗廖夫主持,发射了46

次只

有9次成功。人类早期“火星之旅”的失败率是2/3。2007年,我国的“嫦娥一号”也要去月球远征,如果对ΔF不了解,必然要失败。虽然遥控技术能更正ΔF的影响,这是一种诊治ΔF的方法。但是治的不好就完了。如果我们知道了ΔF的作用,就能防患于未然。在文革期间,ΔF却给笔者招来横祸: 前苏联要发射月球环绕飞船,由于ΔF的作用,“老大哥”必然要失败。藐视“老大哥”这还了得。没收了十余万字的《轨道的演化》书稿和财物,进学习班。可是“老大哥”的飞船在ΔF的作用下,不是成了人造行星,就是与月球相碰。后来采用遥控技术来更正ΔF造成的偏差,经多次失败,取得了经验之后才能作绕月飞行。 按行差位移规律,太阳由S移到S’(如图一),来自S’的引力FAS’ ＝F可分解成径向分力Fr和横向分力Fθ, Fr⊥Fθ . 令∠SAS’＝a ,于是有

Fr＝F cos a (2)

Fθ＝F sin a (3)

天文学家常将摄动力分解成径向分力Fr和横向分力Fθ ,法国天文学家勒威耶就是利用Fθ“算”出了海王星。各行星对水星的摄动力的横向分力Fθ能使得水星近日点每百年进动531″.54,百年岁差为5025″.64,合计是5557″.18。但是美国天文学家纽康(1835-1909),观测水星凌日发现水星近日点东进值是每百年5600″.18。比理论计算值多43″/百年。如果把(3)式的Fθ也考虑进去,就可能解决这一偏差。但是(3)式的Fθ还要使轨道偏心率e变小,还要使近日距q变长,只有其中的一小部份推动水星的近日点东进。就是这一小部份的Fθ来推动水星近日点,百年下来也大于43″。这是为什么呢? 这是因为我们没有考虑Fθ对地球的运动也起作用,Fθ也能使地球近日点进动,轨道长轴转动,这就使得轨道上的每一个点都在作同样的进动。实测值是多少? 没有这方面的资料,只好先借用广义相对论的

数据:

按1916年广义相对论公式

24π3a2

∆ω=22 (4) 2Tc(1−e)

计算出来的各行星近日点东进值是,水星: 43″/百年,地球: 3″.84/百年,

天王星: 0″.002/百年。其中Δω是近日点黄经的增量, a是半长轴,T是

周期,c是光速,e是偏心率。

按(4)式地球近日点每百年进动3″.84。即是地球轨道上任何一点的进动值,包括观测水星凌日的那个点。但是纽康死于1909年,他不知道观测点也有如此进动,所以他没有把地球进动计算进去。如图三: 小圆是水星轨道,中心是太阳,AC弧是地球轨道的一段。BD弧所对中心角＝AC弧所对中心角＝3″.84是地球进动的百年值。箭头所指方向是地球和水星的运行方向。纽康以为地球在A点测得水星在B点于t时刻凌日,按t时刻计算,水星只能在E点。B点比E点超前了43″。其实地球是在C点测得水星在D点于t时刻凌日。D点比E点超前了46″.84/百年。远大于广义相对论的计算值。

按广义相对论,天王星的进动值是0″.002/百年,而实测值为3″.13/百年。实验值比理论值大1565倍: 自1781到1845的64年间,天王星的位置偏离了理论位置120″,有人认为这是一个未知行星的摄动使天王星运行产生了偏离.于是勒威耶就以这120″的数据来计算未知行星的位置和质量.1846年果然在偏计算位置52角分的地方发现了一个新的行星,这就是海王星。但是它的质量只有勒威耶计算值的0.62,天文学家重新计算了海王星的摄动,只能使天王星在这64年间获得118″的东进，还有2″的东进找不到力学原因[5]。2″/64年=3″.13/百年.这就是天王星进动的实测值.它并未引起勒威耶的重视,因为他认为在海王星之外一定还有第九大行星存在,是它的摄动使得天王星产生了3″.13/百年的东进。1930年,果然发现了冥王星,但是它的质量太小,只有0.0024地球质量,对天王星的摄动几乎为零,

天王星东进

3″.13/百年成了不解之谜,它比广义相对论的计算值大1565倍。如果再加上地球观测点的进动,就更大了。(3)式的Fθ提供了解决这一问题的思路,是值得深入研究的。

(Ⅴ) 结束语

我们假设引力的传播速度为待定常数C,C不等于光速c会给我们留有迂回的余地。如果C＝∞,则ΔF＝-Δf＝0。则天体遵从二次曲线轨道和各种守恒定律。由此可见,守恒原则是在ΔF＝-Δf＝0的想象世界里成立。如果将光行差效应与库仑定津联系起来,就肯定要用光速c了。用量子论的话说海尔-波普彗星的周期由4210年变到2380年,就是轨道“跃迁”。行差位移规律使得天体运行与电子绕核运行有共同之处,借助能量算符和动量算符,用新轨道方程可推导出薛定谔波动方程[6]。其发展前境是非常诱人的。

参考文献

1, 《科学技术百科全书》6 天文学 北京 科学出版社 1981 77

2, 徐登里. 《彗星漫谈》. 北京 科学出版社 1975 62～63

3, 牛顿, 《自然哲学之数学原理》,郑太朴译 上海 商务印书馆 1931年初版 1957年重印 891 4, 王绶琯. 《绘图天文辞典》. 上海 辞书出版社 1994 35

5, 南京大学天文系《天文知识》编写组.天文知识.上海：人民出版社。1976. 210～211

6, 刘启新, 普适的行差效应和薛定谔方程的推导,《科技进步与对策》1998 第四期 66～68

本文是作者在湖北省天文学会上所作学术报告经多次修改而成。该学会挂靠在中国科学院测量与地球物理研究所,参会者多是中科院专家,有院士、博导、研究员教授等,都是天文学家.合影时刘某站在后面,但是大会秘书长却安排我在前排中就坐,左起第七人,足登白球鞋者是本文作者刘启新。刘某只是普通会员,安坐在前排中,是大会和专家们对创新思维的尊重。