宇宙的思考 杨清乙 PB06203082

经过2个月的学习，我们结束了力学这门课程。她给我们留下了经典的知识，还有对物理问题思考的方法，而宇宙是力学知识应用非常广泛的一个领域，下面我就谈谈对宇宙的一些想法。

人类仰望星空的时候，就试图对茫茫浩瀚的宇宙进行探索，而人类探寻的进程是漫长的而又艰难的。没有谁告诉人类应该怎样探索，只有靠人类自己一点一滴摸索，才能走向成功。在对宇宙的探索中，我们一刻也不曾停歇…… 一 宇宙的未来 二 星系的形状 三 关于四维空间

一 宇宙的未来 天文观测表明 , 宇宙正在膨胀 , 那么宇宙的未来会是什么样子?宇宙会一直膨胀下去,还是最终又会坍缩?

X 的运动等效的看成是在地球上火箭升天的运动,于是有公式 : 假设宇宙是球状的,密度为常量ρ,有一星系 X 距球心的距离为R ,质量为 M ,则 X 受以 R 为半径的球内部的万有引力 , 球以外的物质对 X 引力的合力为 0 ,而以 R 为半径的球可看作是位置在球心的一个质点 Y , 质量为 : 所以 X 的运动方程为: X 的运动等效的看成是在地球上火箭升天的运动,于是有公式 :

当 E<0 , X 和 Y距离增加到一个定值后将越来越近 , 即宇宙膨胀到一定程 度后将坍缩 ; 所以两个质点 X 和 Y 的位置关系由 E 决定 , 由于 X 和 Y 的任意性 , X 和 Y 的位置关系也就体现了宇宙的未来 , 即 : 当 E<0 , X 和 Y距离增加到一个定值后将越来越近 , 即宇宙膨胀到一定程 度后将坍缩 ; 当 E =0 , X 和 Y 最终距离是个定值 , 即宇宙将膨胀下去,但最终静止 ; 当 E >0 , X 和 Y 将越来越远 , 即宇宙将一直膨胀下去 ; 综上所述,宇宙的未来由 E 决定,究竟 E 是正是负,有待进一步研究和观测……

二 星系的形状 当遥望星空时，横贯天际、蔚为壮观的银河总能让人们欣然神往，思绪万千。 二 星系的形状 当遥望星空时，横贯天际、蔚为壮观的银河总能让人们欣然神往，思绪万千。 1926年哈勃按星系的形态进行分类，把星系分为椭圆星系、旋涡星系和不规则星系三大类。后来又细分为椭圆、透镜、旋涡、棒旋和不规则五个类型。

1 关于银河系形状的讨论: 银河系侧看图 银河系俯瞰图 我们的银河系是盘状的旋涡星系 , 关于银河系形状的问题 , 老师在讲角动量时曾经讲过 , 这里再作一下思考: 银河系侧看图 银河系俯瞰图

当 Mx = 0，则 Lx = 常量； 当 My = 0，则 Ly = 常量； 当 Mz = 0，则 Lz = 常量； 虽然银河系中的恒星之间因为存在着万有引力而相互吸引，但银河系却不会塌缩并且是盘状的 , 这是因为各恒星以一定的速度饶中心旋转。 假设刚形成时是一球体,饶过质心的轴旋转 ，如图，对其中任意一个质点 Z ，Z 既受各恒星的引力的合力 F ，由受离心力 f F 和 f 的合力使 Z 既向外运动，又沿着转轴方向坍缩，根据角动量守恒定律 ： 当 Mx = 0，则 Lx = 常量； 当 My = 0，则 Ly = 常量； 当 Mz = 0，则 Lz = 常量； (1) 当 Z 向外运动(离心运动)时 ,L=R×P为常量 ,R增大 ,所以其动量减小,速度减小,这样可以保证外围恒星速度不至于太大,否则如果满足 v = r w , 则外围恒星速度最大,银河系将解体 。

宇宙中的星系并不全是盘状的,共有椭圆、透镜、旋涡、棒旋和不规则五个类型。 （2）当该质点 Z 沿着转轴方向坍缩时，角动量守恒定律 并不妨碍 Z 的坍缩 。 所以银河系最终成盘状 。 2 关于其它星系形状: 宇宙中的星系并不全是盘状的,共有椭圆、透镜、旋涡、棒旋和不规则五个类型。 在讨论银河系时，我们假设银河系刚形成时是一球体,饶过质心的轴旋转，这一假使显然太苛刻。

首先应认为各星系的物质是在运动的，原因有二： （1）没有绝对静止的物体； （2）如果星系的物质是静止的，则星系将因为引力坍缩。 所以有理由相信各星系的物质是在运动的。 星系在形成时有可能转轴上的物质分布多，这样会形成椭圆星系。 由定轴转动的知识，如果星系的转轴不是惯量主轴（这很有可能），则 L 与 w 将不在同一方向，若物质分布不均匀，将会形成棒旋星系、不规则星系等。

当然，星系形状的成因不会如此简单，还会有很多复杂的原因，如可能星系间及星系内部的相互作用有关，还可能与暗物质暗能量有关，这里仅能用所学知识对其进行较浅的讨论，想要真正理解星系形状的成因还需进一步学习。

三 关于四维空间 那么什么是第四维？以下是我的两种猜测： （1）第一种猜测： 三 关于四维空间 1 根据爱因斯坦的时空观 , 一个大质量的天体，如太阳，周围的空间将发生弯曲也就是三维空间将就、向第四维弯曲。 那么什么是第四维？以下是我的两种猜测： （1）第一种猜测： 在微积分中，二重积分∫∫f(x,y) ds 是在平面上积分得到体积， 三重积分∫∫∫f(x,y,z) dv 是在体积上积分得到质量，也就是说，通过二重积分 由二维概念（平面）得三维概念（体积），通过三重积分 由三维概念（体积）得四维概念，也就是四维是一个“空间”的质量。 即在太阳周围，空间变重了，也就是空间的密度增大了，密度大的空间与密度小的空间 类似于 光密质与光疏质。

比如空气是光疏质，水是光密质，光从空气射入水中发生折射： 这不类似于光从太阳旁边经过时将发生弯曲吗？

先看这样一个例子:地球上一经线和一纬线相交，在地球上看α=90度，但如果将α所在的面展平，放在欧氏空间中， α将不在是90度。 （2）第二种猜测： 先看这样一个例子:地球上一经线和一纬线相交，在地球上看α=90度，但如果将α所在的面展平，放在欧氏空间中， α将不在是90度。 所以我猜测，四维空间如图， 四个箭头相当于正四面体的四个顶点，那么四个坐标轴两两的夹角是90度吗？ 在欧氏空间中不是，夹角约109度，但如果放在别的空间来看，夹角可能是90度，至于这个空间是什么空间，由于知识水平有限，我并不知道，只是一种猜测而已。

以上便是我关于宇宙的一些思考,在写作中深感自己知识浅薄，对物理知识理解不够深入,对许多问题还有疑惑。如有不正确的地方还望老师指点。 在此感谢老师这两个多月的谆谆教导。 参考书目： [1]《力学》.杨维纮. 中国科学技术大学出版社 [2]《力学》.郑永令.高等教育出版社

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