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【交流】理想气体和有引力相互作用的多质点体系 已有3人参与
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理想气体和有引力相互作用的多质点体系 理想气体是指：严格地遵从气态方程 PV=(m/M)RT=nRT 的气体。从微观角度来看是指：分子本身的体积和分子间的作用力都可以忽略不计的气体。 在宇宙学研究中如果把一个天体看成是一个质点，则宇宙中的天体系统应当是一个有引力相互作用的多质点体系。对于一个稳定的有引力相互作用的多质点体系，存在下列关系：2T+Ω=0，式中T为体系总的内部动能，Ω为体系总引力势能。这就是维里定理。 通常在用物理理论对实际客体进行研究时，我们需要对复杂的实际客体进行必要的简化。在宇宙学的研究中，星系通常被简化成一个质点。不过我们要记住，这样的质点是有引力相互作用的多质点体系中的质点，而不普通气体中的气体分子。普通气体中的分子之间的引力相互作用是被忽略不计的。处于平衡态的理想气体遵从的物理定律是气态方程： PV=(m/M)RT=nRT。而稳定的有引力相互作用的多质点体系，遵从的物理定律是维里定理：2T+Ω=0。 由于理想气体和有引力相互作用的多质点体系所遵从的物理定律完全不同，两者之间的物理行为也是完全不同的。例如，对普通气体系统，在没有附加外来引力场的情况下，它的平衡状态是物质密度均匀分布，气体有同一的温度T和压力P。物质密度偏离平衡态的不均匀起伏一般是小幅度的随机变化。如果没有容器的边界的限制，空间中的气体通常会无限制地扩展。对于有引力相互作用的多质点体系，由于质点之间有引力的相互作用作用，它们有成团的倾向。它们会形成各种不同尺度和层次的成团结构，而不会是无限地扩展。这些不同尺度和层次的成团结构，一般是随时间的延续而加强。这也是宇宙中各种恒星，星系，星系团能够形成并长期存在的物理基础。只有在有其它物理过程在起主要作用时，这个成团结构才会受到破坏。例如在恒星这样的成团结构中，由于恒星内部激烈的核反应过程引发了超新星爆炸，这样的超新星爆炸可以导致这个恒星的成团结构被破坏。如果两个星系相互绕转但没有发生碰撞，则两个星系之间的引力相互作用可能会产生潮汐效应，这可能导致相互绕转星系的瓦解。如果两个星系之间的引力相互作用导致它们迎头相互撞上，则可能使两个星系合并而形成成新的星系。 如果可以把宇宙中的物质可以看成以星系为分子的理想气体，则由于理想气体的平衡状态是密度均匀分布，引进宇宙学原理可能是个合理的假设。但现在的实际情况是：宇宙中物质是有引力相互作用的多质点体系，在引力相互作用下它们形成了各种尺度和层次的成团结构。天文观测也证明了这一点。因此俞允强教授的‘球对称’物质分布假设是比爱因斯坦的宇宙学原理假设更符合客观实际的假设。 在1933年Zwicky对后发星系团中各个星系运动进行研究时，就是把后发星系团中的所有星系看成是一个有引力相互作用的多质点体系，并用维里定理推断出在后发星系团中存在有‘missing mass（丢失物质）’。在标准宇宙学模型中，这样的处理方法仍然是研究所谓暗物质问题的一个主要方法。 有些理论宇宙学家为了说明宇宙学原理的合理性，把宇宙中物质分布看成是由星系为‘分子’组成的气体。我认为这样比喻是不合适的。它容易使人混淆了理想气体和有引力相互作用的多质点体系之间的重要区别。误以为这些由星系组成的成团结构会倾向瓦解而趋于均匀分布。实际上这些由星系组成的成团结构，在引力相互作用下，它们的成团结构是倾向于加强而不是瓦解。如果没有这样成团结构加强的倾向，就不可能形成恒星，星系和星系团等天体系统。后发星系团中子团结构的存在，表明后发星系团可能就是由几个比较小的星系团合并加强发展而成的一个巨大的星系团。 |
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