這是夏烆光先生用他的廣義時空相對論解釋的一個科學問題，臺風、星系，漩渦運動，更多資料請看他在山風網(wǎng)絡(luò)上的專欄：http://sea3000.net/xiaxingguang/
(*注：原文于 2005年刊登在物理科學探疑－世紀大討論之中，本文于2007年 9月修改。)
內(nèi)容提要：本文基于“接觸作用原則”而指出：在引力傳播速度有限性的前提下，必然產(chǎn)生引力作用結(jié)果的“滯后效應”。正是這一滯后效應造成巨大的恒星系的旋渦式運動狀態(tài)，這種情形就如同臺風繞著自己的“低壓中心（臺風中心）”旋轉(zhuǎn)類似。隨后，根據(jù)廣義時空相對論的理論結(jié)果，對這種旋渦運動的形成機制進行了簡要的分析，從而對于“銀河系中心可能存在著巨大黑洞”的觀點提出了疑義。
關(guān)鍵詞： 漩渦星系 黑洞 接觸作用原則 滯后效應 低壓中心 銀河系 暗物質(zhì)
一 引 言
早在上個世紀70年代初，天文學家就注意到銀河系外部星云繞其中心旋轉(zhuǎn)的速度比預期的要快一些，但人們并沒有從中發(fā)現(xiàn)任何物質(zhì)。于是，恒星系中心存在巨大黑洞以及大量暗物質(zhì)的觀點就成為當今宇宙學的熱門話題。正如美籍華裔物理學家李政道先生在《物理學的挑戰(zhàn)》一文中所介紹得那樣：由于暗物質(zhì)的存在，遠離星系中心的物質(zhì)的速度不隨距離的增大而減少。這種現(xiàn)象是對所有測量過的967個星系的共同結(jié)論，沒有一個例外。
目前，科學界都相信暗物質(zhì)與黑洞肯定存在，其證據(jù)是：1）在漩渦星系中，星云旋轉(zhuǎn)速度幾乎不隨星云盤徑向距離的增加而改變；2）對星系空間氣體輻射X射線的觀測發(fā)現(xiàn)，它的平均速度已經(jīng)大于其逃逸速度，但事實上并沒有出現(xiàn)逃逸現(xiàn)象；3）有些星系中可以看到的恒星數(shù)量很少，僅僅這些恒星不足以使它們維系在一起，可是它們并沒有散開；4）按照牛頓的引力定律，離開銀河系的中心越遠，引力就會變得越弱，星云的旋轉(zhuǎn)速度會相應的減慢。然而，天文觀測表明：存在著高速旋轉(zhuǎn)的局部星云；5）觀測UGC10214星系時發(fā)現(xiàn)：其中的物質(zhì)不停地向外圍流出，可是其外圍卻看不到任何別的星系存在，于是天文學家們紛紛猜測：在該星系的旁邊一定存在著暗星系（即暗物質(zhì)），在暗星系強大引力的作用下，才導致了UGC10214星系不停地有物質(zhì)向外流出；……?？偠灾?，目前的科學界普遍認為：銀河系中大約有90%以上的物質(zhì)是暗物質(zhì)，這些暗物質(zhì)可能就是一些質(zhì)量為太陽質(zhì)量數(shù)千倍的“中等大小的黑洞”，就是這些黑洞拖著年輕的恒星繞著銀心的巨大質(zhì)量的黑洞轉(zhuǎn)動，這個黑洞的質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的300萬倍。正是這種巨型黑洞的存在，阻止了它周圍3到4光年范圍內(nèi)難以有任何新星的形成。換言之，因為銀心黑洞的強大引力撕裂了構(gòu)成星球原始物質(zhì)的任何氣團或塵埃云。
然而，加利福尼亞大學洛杉磯分校的布拉德·漢森等人近年來卻發(fā)現(xiàn)，在距離銀河系巨型黑洞不到0.5光年的星團中，卻存在著許多年輕的恒星，它們的年齡都不足1000萬年（參見【1】）。顯然，這一結(jié)論與上面提到的關(guān)于巨型黑洞“阻止了它周圍3到4光年范圍內(nèi)難以有任何新星的形成”的結(jié)論之間存在著根本的對立！由此可見，現(xiàn)有的關(guān)于黑洞存在證據(jù)的種種解釋都不能自圓其說！有鑒于此，作為一種科學探索，這里應用廣義時空相對論的理論結(jié)果，對于黑洞的存在證據(jù)提出了一種新的解釋。
二引力場中物體的運動方程
根據(jù)廣義時空相對論的理論結(jié)果（參見【2】§ 20～22），在相對均勻的引力場中，物質(zhì)運動的微分方程
（ 1）
注意到： ，
，
，，以及，可以得出
（ 2）
上式右端的第一項是切向加速度，代表著物體的自旋；第二項是法向加速度，代表物體的勻速圓周運動。對傳播速度等于光速的引力作用，則有。設(shè)受力物體的質(zhì)量為，則該物體受到的引力為
（3）
在均勻的引力場中，是個取決于引力場特征的常數(shù)，所以切向力取決于引力場的特征；而法向力則同引力源到受力物體之間，引力傳播的時間（）成反比。
三引力作用的滯后效應
牛頓絕對同時性的時空觀念，導致了瞬時的超距作用的基本假設(shè)。在牛頓超距作用的基礎(chǔ)上，導致了萬有引力定律根本沒有考慮時間因素所帶來的影響?？墒?，物質(zhì)運動的速度總是存在著一定的極限，即便不是現(xiàn)在的光速，而是遠大于光速，它也不可能是個無窮大。——縱然，將來的科學發(fā)展發(fā)現(xiàn)了超光速物質(zhì)，也不會影響所提出的討論原則。所以，我們目前仍以真空中的光速作為物質(zhì)運動的極限速度。毫無疑義，引力能本身也是一種物質(zhì)，所以，它的傳播速度也決不可能是個例外。實際上，最近已經(jīng)有報道證實：引力的傳播速度的確等于真空中的光速。考慮到引力作用傳播速度的有限性，那么，引力傳播速度有限性所帶來的滯后效應肯定存在！
誠如所知，在物理學中，轉(zhuǎn)動的角位移、角速度和角加速度通稱角量。平動的位移、速度和加速度通稱線量。各種轉(zhuǎn)動方程與平動方程基本相似，例如，在剛體勻速轉(zhuǎn)動時，在時間內(nèi)的角位移為。假設(shè)，不考慮引力滯后效應（類似于剛性的轉(zhuǎn)盤情況下）的初角速度為，考慮到引力作用的滯后效應，則角加速度的方向應與的方向剛好相反。那么，在引力傳播所經(jīng)歷的時間過程所對應的空間位置上，其角位移可寫成
（4）
上式代表沿著銀河系徑向分布星云的角位移，隨引力傳播時間過程（或距離）而改變的變化規(guī)律。如圖 1所示。
圖1. 表示引力滯后效應的示意圖
換言之，這一曲線表明：恒星系外圍的所有星云，都圍繞著該星系的“引力中心”旋轉(zhuǎn)。其情形就如同地球上的臺風的運動形式類似，所有臺風中心以外的氣體，都以非常高的速度繞著空心的臺風中心旋轉(zhuǎn)，從而構(gòu)成了速度很高的“星云氣旋”，如圖2和圖3所示。
圖2. 漩渦星系及其中心的黑洞照片
圖3. 臺風及其漩渦中心的紅外照片
不言而喻，這一新解釋從根本上否定了漩渦星系的中心存在著巨大黑洞的觀點。當然，這里并不否認其它形式的黑洞可能存在，而是否認漩渦星系的中心肯定是黑洞的觀點。因為在事實上，認為漩渦星系中心存在著巨大黑洞的觀點缺乏天文觀測結(jié)果作證據(jù)。
四對萬有引力定律的粗略修正
誠如所知，牛頓的萬有引力定律表達式為
（5）
這是個不含時間因素的關(guān)系式。按照這個公式，引力源與受力物體之間相對距離的任何變化，其引力的改變都是瞬時的（或超距的）。從動態(tài)平衡的意義上講，任何一個巨大恒星系的引力場，都是均勻彌散在有限的空間范圍上，并構(gòu)成旋度等于零的梯度場。位于這個梯度場中任何位置的“引力”與“斥力”均應大小相等、方向相反、并作用在同一個物體上，從而確保這些天體始終處于動平衡之中。在這種平衡狀態(tài)，確實可以利用不含時間因素的萬有引力定律。
可是，當我們注意到：引力波的傳播速度等于真空中的光速，那么從某個時刻開始，自引力源發(fā)出擾動——如引力源的自轉(zhuǎn)所帶來的擾動——只有經(jīng)過有限的傳播過程（）才能到達預定空間位置。于是，引力擾動到達的“實際位置”與“理想位置”之間，就產(chǎn)生了一個滯后的“角位移”。假設(shè)初始時刻的角速度，則滯后到達的引力在理想位置上的投影（即法向分力）應為
（6）
假如引力傳播速度是無窮大，則等于零，上式還原為牛頓萬有引力定律。在太陽系這樣的尺度下，近似等于零，所以牛頓的萬有引力定律具有足夠的精度。
同理，角位移造成的切向分力為
（7）
上式給出的切向分力，同前一刻發(fā)出、此刻抵達的引力的矢量合成，是指定位置所承受到的實際引力。由此而來，任何位置上的星云，實際承受的萬有引力應為牛頓引力與附加引力的矢量合成，即
（8）
正是這個合力造成了銀河系外圍的星云產(chǎn)生了類似于臺風那樣的漩渦運動。
五 結(jié) 論
綜上所述：現(xiàn)有的天文觀測現(xiàn)象并不是黑洞存在的唯一證據(jù)，很可能是引力延遲效應的一種表現(xiàn)形式。在旋渦星系中，星云旋轉(zhuǎn)速度幾乎不隨星云盤的徑向距離而改變的觀測現(xiàn)象、以及星際氣體的平均速度大于其逃逸速度的觀測現(xiàn)象，都是由于引力延遲效應造成的；而引力作用不隨星云半徑的增加而減小的現(xiàn)象說明，引力延遲效應造成了所有星云都繞著空無一物的質(zhì)量中心旋轉(zhuǎn)，其情形就如同地球上的臺風類似；天文學家發(fā)現(xiàn)的UGC10214星系不停向自己的外圍流出物質(zhì)的現(xiàn)象，則是星系局部旋渦的解體；有些星系可看到的恒星數(shù)量很少但卻可以維系在一起的現(xiàn)象，則是局部旋渦的正在形成；總之，這種類似于臺風的旋渦不僅存在于整個恒星系的中心，而且也存在于恒星系的局部范圍之中，就如同大海中的湍流一樣。
參考文獻
【1】 中國科技網(wǎng)：銀河系中心可能存在黑洞。
【2】 夏烆光著，廣義時空相對論，人民交通出版社出版，北京 2003年1月第一版。
