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)絡上的專欄：http:///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）”旋轉類似。隨后，根據(jù)廣義時空相對論的理論結果，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

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。于是，恒星系中心存在巨大黑洞以及大量暗物質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：由于暗物質的存在，遠離星系中心的物質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個星系的共同結論，沒有一個例外。

目前，科學界都相信暗物質與黑洞肯定存在，其證據(jù)是：1）在漩渦星系中，星云旋轉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，星云的旋轉速度會相應的減慢。然而，天文觀測表明：存在著高速旋轉的局部星云；5）觀測UGC10214星系時發(fā)現(xiàn)：其中的物質不停地向外圍流出，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），在暗星系強大引力的作用下，才導致了UGC10214星系不停地有物質向外流出；……?？偠灾壳暗目茖W界普遍認為：銀河系中大約有90%以上的物質是暗物質，這些暗物質可能就是一些質量為太陽質量數(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量的黑洞轉動，這個黑洞的質量約為太陽質量的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成星球原始物質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，這一結論與上面提到的關于巨型黑洞“阻止了它周圍3到4光年范圍內難以有任何新星的形成”的結論之間存在著根本的對立！由此可見，現(xiàn)有的關于黑洞存在證據(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果（參見【2】§ 20～22），在相對均勻的引力場中，物質運動的微分方程

（ 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。設受力物體的質量為，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。在牛頓超距作用的基礎上，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?？墒牵镔|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?！v然，將來的科學發(fā)展發(fā)現(xiàn)了超光速物質，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運動的極限速度。毫無疑義，引力能本身也是一種物質，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。各種轉動方程與平動方程基本相似，例如，在剛體勻速轉動時，在時間內的角位移為。假設，不考慮引力滯后效應（類似于剛性的轉盤情況下）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。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，從而構成了速度很高的“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 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量中心旋轉，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。