为什么宇宙系数是G.doc

为什么宇宙系数为G马海龙.07级师范2班.学号：12007243988.Email:【摘要】“天”外有“天”,这是人们常用的一种口头语。但是，“天”外真的有”“天”吗？在我们观察到的宇宙之外，果真有其他的宇宙吗？如果有，这些表征不同宇宙。人类从来没有放弃过对宇宙的研究，对于宇宙内各星体间的相互作用及运动规律，一直持之以恒在探索着。自从牛顿的万有引力定律的提出。宇宙中的任何一物体都受其他物体吸引，无论大到天体还是小到微粒。万有引力定律表述任意两个质点间从在这相互吸引力，其大小与两质点质量乘积成正比而与两个质点距离的平方成反比，力的方向沿着两质点连线的方向。在这个过程中引入了比例系数G（G=6.67*10-11牛顿米2千克-2.），并称其为引力系数或宇宙系数。为什么宇宙系数为G？这是经过牛顿等众多科学家怎样用实验计算出来的？本文将给出一些见解。【关键词】 宇宙系数、万有定力、天体的运动、宇宙的内外等。【历史背景】宇宙，人类一直不断的在研究和探索中，自从牛顿提出万有引力定律后。宇宙更加引起了人们兴趣，宇宙外有其他的宇宙吗？宇宙可以分内外吗？宇宙内天体是怎么样运动的？狄拉克的宇宙学中提出随着宇宙的变大，宇宙系数逐渐在减小等。一内外宇宙概念的提出为了便于把总星系作为一个宇宙系统进行研究，我们首先在主观认识上要对宇宙的概念加以讨论。我们认为，客观宇宙应当在主观概念上分为内外宇宙两部分。这里的“内、外”一方面是为了区分自然科学研究的部分宇宙的范围的内外、另一方面是便于从系统出发，在无限的宇宙中把总星系作为一个有限的宇宙系统，研究其本质、运动规律及其与外界环境即外界宇宙之间的辩证关系与相互作用。这种认方法是以有限的总星系和无限的宇宙客观关系为基础的，同时也符合人类的认识规律 。 内外宇宙的分界面是一个无形的数字表面，我们称之为视界面。视界面以内的宇宙部分，我们称之为内宇宙，视界面以外的宇宙称为外宇宙。或者说，内宇宙就是自然科学研究宇宙部分，而内外宇宙和就是哲学研究无限宇宙，视界面是人类利用现有的一切科学手段能够“观测”到的宇宙的部分极限。对目前来说内宇宙是以地球为中心的半径达二百亿光年左右宇宙部分（参见把握自己发展的总画面，新湘评论 1982年第5期，第57业）。视界面即确定又不确定的，确定他是为了更好的研究内宇宙的本质即其运动规律，如同天文学对内宇宙的的观测大致是以地球为中心进行的一样，宇宙学乃至一切自然科学为了满足研究的需要，都要求确定自身的范围。当然现代宇宙已开始 探讨内宇宙以外的一些问题，如边界条件内外之间的能量与分子的交换等等。但是：这些问题的涉及的终究 只是靠近内宇宙附近等。（马克思恩格斯全集第20卷，第95页）我们认为，在研究对象上内外宇宙形成了同一客观宇宙 客观物质宇宙：在客观上，他们不存在任何分界面，是客观的有机整体，在研究的方法上，研究内外宇宙是依据科学观测得到的的观测事实，在此基础上得出科学理论:研究外宇宙是根据研究内宇宙科学成果。因此对内内宇宙的研究是探讨外宇宙的基础，而外研究宇宙有为研究内宇宙提供了科学的指导方法。二宇宙系数在变小吗 根据牛顿引力定理，宇宙中的任何一物质都吸引着其他的每一微粒，吸引力的大小与微粒的质量大小成正比，与微粒间的距离的平方成反比方程如下：方程中关键的一项是引力常数，他确定了这个比例的准确值。一般认为G既是普适的，又是不变的。然而我的宇宙是在膨胀着，除了某些局部得例外，宇宙所有天体行星、恒星，星系都在彼此远离，G的值真的与膨胀无关保持不变吗？或许物体间的引力正随膨胀逐渐减小？某些引力理论预言，G值正在减小。现在某些观测也符合这种观点，如果这种得到确认，那么对物理学意义就深远了 。(引力在变弱吗第3卷，第5期.) 牛顿定理断言，在力与质量之间存在着两个关系尺。牛顿第二定律F=ma表示，作用在被加速物体的力等于质量和加速度的乘积。牛顿引力定理表示为：质量M有一个引力场，他将吸引任何其他质量m。其引力等于两质量乘积乘上某个常数（引力常数G）再除以两者距离R的平方这种定理的基本假设只一是：量第一个方程的质（惯性质量），第二个方程的质（引力质量）是一回事，换句话说，物体抵抗加速度的 能力与他的吸引力成正比，对小物体来讲，这个假设在很高的精度上得到了验证；对大物体则并未正实。在牛顿的之后的两个世纪，爱因斯坦发表了他对时空本性初步描述狭义相对论，在此基础上他又提出了广义相对论，这个理论描述了引力的行为将如何偏离牛顿定理的预言。这种偏离有几种类型。广义相对论的一阶预言包括三个经典的判据；第一由于太阳的引力的作用，经太阳附近的光线的弯曲牛顿预言值的两倍;第二水星椭圆的近日点在公转方向运动数值，比起根据其他行星的引力慑动所计算出来的数值，每年要大43弧秒；第三强引力场内的钟要比若引力场钟走得慢，最后只一点等于说“爬出”引力场的光将失去能量，因此其波长将向光谱的红光移动。所有这三个一阶段预言都已在百分之九十五精度上得到验证。广义相对论的高阶段预言应给存在与电磁波似引力波。广义相对论还预言；在时空结构中应当导致黑洞存在的奇点天体一直塌缩道密度如此之高，引力场如此之强，光线将不能逃逸出去，他还预言G应给是个常数。然而狄拉克在1937年提出理论称为大数假说理论，只是第一个预言引力的强度随时间减小的理论，狄拉克的理论是哲学新的。假定有有一组质量。长度和时间的基本的单位，所有物理的常数都能用这些表示，于是可以对不同量纲的常数进行比较，狄拉克选择了电子质量为为基本质量单位，氢原子的轨道的半径为长度单位，光子以光速走过半径所用时间为时间单位。狄拉克发现，迄今为止，人们发现的物理规律，总是或多或少的地包含着一些常数。例如光速c，普朗克常数h，质子电荷e，质子质量mp，电子质量me牛顿万有引力系数G，氢原子中静电力和万有引力的比值a(a=2.3*1039).从这些常数里面就可以(G=c2/mp*mea=6.67*10-11牛顿米2千克-2.)相反可以相互进行互推。（大数之谜第3卷，第7期，525页）。然而物理的基础在于实验，一切物理学都必须受到实验的验证。要检验大数假说，要解决大数之谜，归根结底还是必须依靠实验。而这个最关键的实验在于验证引力常数是否随时间而改变。按照狄拉克宇宙学，引力常数G随时间的变化率为G/G大约等于10-11这是很小的数目，要准确测量他是不容易的。但由于G随时间t而变化，G1/t也带来一系列其他天体心底质的变化，月球绕地球的运动轨道的变化，地球绕太阳运动的轨道的变化，甚至发往金星的雷达波反射的时间都发生了变化等等，目前随着等月后，利用放在月球上的激光发射器，有可能较准确的测量地月距离，但是仍然没有达到要测出G随时间而变化的所需要的准确值。特别是 潮汐等其它因素还会对测量的准确度有影响，所以我们还不能从实验上判定G是否随时间的变化。但是应给说，目前有不少人正从实验上考虑这个问题。他们不仅从宇宙这个大实验室中设计实验来考察G的变化，而且有不少人在我们的普通物理实验室涉及各种灵巧的实验。以求直接或间接地找到G是是否随时间而变化的迹象。例如在美国的佛吉尼亚大学就有这种考虑。可以预期的是，最后从实验得出G是否随时间而变化的结论，可能不会为期太远。（引力在变小吗第3卷，第5期）（大数之谜第3卷，第7期527页）三宇宙内（太阳系）天体是怎么样运动的万有引力是普遍存在各种物体之间的一种相互作用力。例如球表面的附近的物体和地球之间的相互作用力，使物体获得恒定的加速度，地球和太阳之间的相互作用力，是地球围绕太阳旋转。这些表面看来不相同的现象，牛顿总结了他们共同的性质，把他们称万有引力。在历史上是一个重大的发现。通过万有引力表述，我们知道了两个天体间存在着这万有引力。引力的大小跟两物体的质量的乘积成正比，跟他们的距离的平方成反比。方程式为：（G为宇宙系数）。M R m虽然万有引力只适用于质点但是当质点的距离R很大时，我们可以近似把一些物体看做质点来对待，如地球绕太阳运动，月亮绕得球运动等等。在浩瀚的宇宙中，无数的天体是怎么样运动的呢？在日心说推翻了地心说后，人们认识到太阳是宇宙的中，各天体围绕它做运动，是在做什么样的运动呢？起初人们提出，行星围绕太阳的运动是圆周运动。直到开普勒三定律的提出。太阳系中行星在绕太阳的轨道服从开普勒三定理。把太阳和行星都看作质点，在一级近似情况，从牛顿的万有引力定理推出，在太阳的有心力作用下，质量为行星所受的引力为：F=-GMsm/r2MS是太阳的质量r是两质心的的距离,力心O为坐标原点。力F相对力心的力矩M=Rf.因此，行星相对于力心O的角动量L不随时间变化（3.1）：L=rmv=常数结果，行星在平面轨道上运行，该平面与L垂直由此可知（3.6）:， L=rm这里的是行星的横向速度，因此，行星的轨道运动满足条件：R2= 这里的r和是行星的极坐标。第二个条件来自于机械能守恒;Ek+Ep=E=常数因此得到行星的第二个满足条件(3.3)： （ ）2+（）=MS=行星的轨道方程（在极坐标r和下）是：R=此处(,）行星的总机械能E0,因此e1，行星的轨道是椭圆。开普勒三定律的表述：第一定律表述：太阳系所有行星围绕围绕椭圆运动，太阳处在该椭圆一个焦点上。行星掠过的速度是常数：r2=常数开普勒第二定律，所有行星围绕太阳公转的周期的二次方和它长半周的三次方的成正比：开普勒第三定律的表述行星围绕太阳运动的过程中，单位时间内行星围绕太阳运动所扫过的面的相等:（开普勒三定律） 其中和是椭圆轨道的长半周和短半周。 行星 太阳为了使物体成为地球的人造卫星，必须使物体有最小速度是轨道速度。因为它等于人造卫星在不计大气摩擦力的情况下，在绕地球运动的圆周轨道上速度，故称为圆周轨道速度，其速度为：此处是地球质量，r是地球轨道半径，在地球表面：=7.9/s. 为了使物体克服地球的引力吸引，成为太阳的人造卫星，在无任何其力的情况，物体必须有最小速度是逃逸速度。因为在地球引力场中，物体发射的轨道是抛物线，因此也成为逃逸速度为抛物线速度，其值为： 此处r是物体发射地点的地心半径，在地心表面=11.2/s. 从地球表面发射到宇宙飞船，为克服太阳的吸引力，离开太阳系所必需的最小速度是太阳逃逸速度，其值为:/s.虽然天体的运动是椭圆，但在我们处理一些问题时，总是把它看做圆周运动来解决无难题这样就可以求出它的周期或者是轨道半径。人造卫星，当卫星质量为m,地球质量为G，卫星的速度为v，卫星围绕地球运动的周期T，万有引力系数G，R的求取如下：GMm/R2=mv2/R R=GM/ v2周期的求取：GMm/R2=m(2 R/T)2*R【为什么宇宙系数为或万有引力系数G】 1万有引力的引出自从16091619年开普勒相继发表了从观察行星的大量资料中归拉出来的著名的“开普勒三定律”以后，许多科学家开始从力学角度去观察天体的运动，从伽利略的惯性运动出发，开普认为太阳与行星之间必有力的相互作用，发过一天文学家于1645年也曾假说，开普勒力与行星与太阳的距离的平方成反比。其后，胡克、雷恩、哈雷、惠更斯等都对此问题做出了深刻的研究。胡克还曾在矿井中和高山上做过实验，试图找出物体重量随高度的变化关系，惠更斯根据摆的运动和圆周运动的实验指出，当以物体以速率V做半径为R的圆周运动时，必受到一个指向圆心的力，该力产生的加速度等于V2/R.16651666年由于鼠疫蔓延而不得不回到家乡的牛顿，集中精力考虑了天体间的引力问题。牛顿自己的果园中看到苹果落地受到了启示，他想，既然在最深的矿井里和高山上都有重力，那么地球对物体吸引有多远呢？以水平抛出的石子速度越大落地点就越远，那么速度更大的物体是否飞出地球，在地球的引力下向月球一样运动？二十三岁的牛顿根据当时月球和地球的资料进行推算，因月球的偏心率很小=0.0167，可近似看做圆轨道。月球和地球的距离大约是地球60倍，地球的半径大约是5534公里，月球的运转周期是27日7小时43分，由V2/R算出1克物体随月球绕地球公转所需要的向心力为0.23 达因，而一克物质在地球上的重量为980达因，按地球引力随之地心的距离平法反比计算，一克物质在月亮高度上受到地球的引力是0.27达因，两者不完全符合。这种不一致的原因何在呢？是天体间的引力与地球上的 重力起因和不同?还是由于计算中的问题呢？如果计算中的问题，那么是用了不精确数据，还是计算中近似不合理呢？尤其是考虑地球表面上物体受重力的时候，把地球视为质点更难使人信服。直到1862年，哈雷登门求教，问与距离成反比的力是否导致行星按椭圆轨道运动，牛顿当即作了肯定回答，由于手稿的遗失，牛顿重新进行做了计算。他假设，把地球的质量看做集中在他的中心，并改用了皮卡尔关于地球半径的新数据，从而得到了月球上的一克物体绕地球运转所需用的向心力为0.27达因，这与地球重力相吻合，从而是牛顿加强了关于天体间引力与地球重力起因相同的信念，并集中精力论证均匀实心球引力与质点等效的问题。1865年，他终于克服了数学上的问题，证明了这种等效，至此把太阳，行星，月亮等看待的简化方法就变得完全合理了。并根据之一结果客观上做出了引力的表达式：其中G万有引力恒量，负号表示引力，引力的方向它相对于另一点的相反方向。2万有引力系数的实验测定 尽管牛顿从理论上认为宇宙万物之间都从在这一种引力，并且与天体间的引力属一同性质的力，但是由于地球上的万有引力太弱，当时又无法测量中必须消除的一切可能的静电力的影响，直到牛顿去世七十年代后，才又杰出的实验学家开文迪许经近十年的艰苦奋斗测出万有引力恒量G的值为6.71*N*m2/2,从而验证了万有引力的正确性。当时，人们把这个实验叫“称量地球”。 开文迪许用两个质量为M=158千克的大铅球和质量为m=730克的小铅球。小铅球由一根细长的带有小反射镜的石英悬挂着。固定的大铅球和小铅球处于同一水平面中，同一半径为R的圆周上，实验是通过是大小球间的引力矩和石英丝的扭转力矩平衡来测量G的值。实验室装置如图所示。已知石英丝的扭转系数为D，若测知扭转角角为。则有： D=2RGMm/r2r是临近的大小铅球平衡时的中心的距离，可得：G=Dr2/2MmR根据当时实验结果，测得G值是（6.67200.0041）*10-11牛顿米2千克-2. 从牛顿提出万有引力到开文迪许用实验的方法证方法，人类总算明白了不管是大道天体小到粒子，物体间总是存在万有引力。这也推动了人类认识世界和研究世界前进了一步。 万有引力定理阐明了许多自然能现象和物理现象，如天体的运动，地球重力，潮汐，地球的椭形形状岁差等，但是最有奇迹般的成就还是海王星的发现，那是1846年轰动世界的一件大事。当时人们观测到天王星的轨道于仅仅考虑太阳的引力计算的结果不符，天王星总是有微小的加速或减速。1846年勒维叶与亚当斯分别根据万有引力定理独立计算提出，只要假定天王星的外侧某确定的轨道上有一颗确定质量的新行星，则天王星的反常现象就可以得到完满的解释。勒维叶把解方程写信给柏林天文台的加勒。加勒就在9月23 接到勒维叶信的当天晚上，在离预言方位仅差一度的方位观察到了海王星。 总而言之，将来的人类会宇宙更深入，更透彻。对宇宙中出现的一些问题的能够跟好理解。不管是狄拉克提出的宇宙中的万有引力系数或宇宙系数是否在随着时间在减小，是因为宇宙的空间再增大。还宇宙出现的黑洞问题是不是由于当一个天体的密度很大时光将也不能丛它内不能射出呢？发现一些新天体等，这些问题将会在接下来人类会一步一步探讨和研究明白，宇宙也将会变得越来越小的。 最后为什么宇宙系数为G这个数我想大家很清楚，这是爱牛顿提出有万有引力之后，数代的科学家通过艰辛的工作，和他们的智慧，卡文迪许用扭秤实验测出来来的。G的测出不仅表明牛顿提出的万有引力的正确性，也预示着人类文明更进了一步。3由万有引力系数引出的展望随着牛顿万有引力的提出，人类将会对宇宙