关于宇宙体旋转的几点猜想

魏鼎文

（中国科学院大气物理研究所）

摘    要

通过对模拟涡旋台风与涡旋星系深入的比较和分析，本文提出了宇宙体在旋转的猜想，并由此提出了宇转偏向力的概念，它是涡旋星系生成旋臂的最根本原因之一。因此，宇宙体不仅是膨胀的，而且也是旋转的。本文还进一步指出，由于宇宙体过于庞大，其旋转角速度在各部位可能是不同的，且距离我们越远，这种差异就越大。

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引    言

在天气晴朗的夜里仰望天空时，漫天无数的星斗总使我们的心灵感受到无法言喻的震撼，也让我们强烈地意识到宇宙的浩瀚与神秘。自古以来，人类就怀着敬畏之情面对星空，同时也不断地遐想，渴望了解它。因此对外太空的科学探索从没有停歇过，目前也已取得了一定的成果。

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我们生活的地球与其他7颗大行星一起围绕着恒星——太阳旋转，它们所构成的体系及其所占有的空间区域就叫做太阳系。而太阳系存在于一个更庞大的系统之中，即银河系。银河系是一个巨大的涡旋星系，它含有千百万颗恒星，但令人震惊的是人们在银河系之外也已发现了数以亿计的、形态各异的星系。此外，这些星系又组成更大的星系团，大的星系团由上千个星系构成，小一些的星系团可由十几到上百个星系构成。

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而另一方面，在星系团之内及之间还存在着大量星际物质。20世纪60年代，天文学家在距地球约100亿～200亿光年的地方发现了似星非星的天体，它的光度和质量实际上又和星系相仿，能量甚至更大，因此天文学家称之为类星体，至今已发现数千个这样的天体，但人们对它们的详情还不甚了解。

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大约在同一时期，天文观测和研究还表明：宇宙中不仅有通常意义上的物质，还可能存在着我们无法直接观测到的暗物质（也包括暗能量）。它竟占到宇宙总物质的90％以上，并会影响到宇宙的运动、变化和发展。

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综合以上讲述，由行星、恒星、星系、星系团、星云和星际物质、类星体，还有可能的暗物质等构成了浩瀚的宇宙。宇宙中的个体不是孤立的，它们通过各种自然基本规律相互影响、相互制约，因而我们有理由把它看成是一个整体。于是我们提出了一个新名词——宇宙体。根据观测，宇宙体的空间尺度达数百亿光年。本文最关心的是其中的涡旋星系。

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以相似原理为根本依据，在20世纪70年代至90年代，我们在实验室内对地球上猛烈的气体涡旋系统——台风（或飓风）进行了一系列的模拟实验研究。例如在台风的形成、台风螺旋云带的形成、双台风的相互作用、南半球的飓风等方面，获得了一系列的成果，受到国内外好评[17]。

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十分有趣的是，在我们调研了众多星系之后，发现它们精彩纷呈，特别是涡旋星系，有中心、有旋臂，有顺时针旋转的，也有逆时针旋转的，与我们模拟的台风的各种形态十分相似。同时也发现双涡旋星系的碰撞合并，也与双台风的模拟结果相似。因此，根据自然规律的普适性，两者在形成机制上也应是相似的。由此我们以为在宇宙体内，必然存在一种重要力的作用，即类似于地转偏向力的作用。也就是说庞大的宇宙体不仅是膨胀的，而且也是旋转的，由此产生的力，我们称之为宇转偏向力，这是本文最重要和最根本的一个观点。

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一、模拟台风的涡旋形态及其他

在20世纪70年代至90年代，我们进行了一系列的实验室内的台风模拟实验研究。模拟实验最根本的依据是相似原理，它要求模拟台风在动力学上和热力学上都要与自然台风具有相似性，同时也要求几何相似[1]。模拟台风最重要的设备，是一个旋转的平台，平台上放着实验的容器。平台的旋转是模拟地球的自转，它给予地转偏向力或叫柯氏力，柯氏力会改变气流运动的方向，这对台风涡旋的形成是极为关键的。模拟台风中心装有红外加热装置，使得台风外侧，在中下层的气体向中心运动，这也是台风涡旋形成的另一个关键。

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1.1模拟台风涡旋

下面给出模拟台风形成过程中的照片，如图1、图2和图3。它们都是中下层的涡旋的流场。

图1 模拟台风[4]

图2 模拟台风[4]

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图3 模拟台风[4]

图4 螺旋云带[2]

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在图1中，虽然我们看到了有些弯曲的螺旋云带，但它们比较松散，这是由于中心三个小热源，还不是很集中，径向内流速度还不大，可是在柯氏力的作用下，仍然出现了旋臂，而在图2和图3中，三个小热源己相对集中，中心眼区已经形成，向内的径向气流速度明显加大，螺旋己更加清晰和紧密，且大体上可以看出是2～3条主旋带组成。这里应强调指出，由于热力作用，气流的向内运动和由于平台旋转给出的地转偏向力，是螺旋云带形成的两大关键因素。

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现在我们观测螺旋云带形成的大致过程。图4是螺旋云带形成的初期，这时期一些上升的烟云在适当区域，它们就会被卷入云带，被卷入的烟云在带的末部较多，因而沿着螺旋云带向外，越来越宽，同时我们也测出螺旋云带是旋转的，其旋转的速度是半径R的函数，亦即它有角差运动，越向外，ω越小，亦即"?ω" /"?R" "<0" 这就使得螺旋的旋臂是曳式的。下面我们会看到星系的螺旋旋臂也是曳式的。

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我们还作过南半球的飓风模拟试验，由于在那里柯氏力方向与北半球的相反，或者说我们观测涡旋的相对位置与北半球的情况相反，因而看到的旋转与北半球的相反，呈顺时针旋转。如图5所示。

图5 南半球顺时针旋转的模拟台风

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图6 双模拟台风[3]

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1.2模拟涡旋的相互作用

我们作了两个以上台风涡旋的相互作用的较详细的实验研究，其重要的结论是：①当涡旋接近到一定成度时会发生互相吸引并开始相互旋转。②由于相互吸引，越来越近，互旋也逐渐加速，最终会合并为一。③在相互作用及合并的过程中，较小的云系会被卷入较大的旋带中，并随它旋转运动。图6就是一个双台风互相作用的例子，从中可以看出两个模拟台风涡旋已相互接触并开始互旋，最终将合二为一。

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1.3没有地转偏向力就没有涡旋或螺旋云带的产生

图7 模拟台风眼的形成条件[5]

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在模拟台风实验研究中，关于台风眼的产生，实质也是关于螺旋云带的产生，作了一系列的研究，图7是这个研究结果的集中表现。图的纵坐标表示模拟台风中心热源的大小，其作用是使气流向中心流动，流动的速度与热源的大小成正比。横坐标是实验的旋转速度（单位rpm，表示转盘每分钟旋转圈数），主要是模拟地转偏向力的强弱。非常有趣的是，在图中阴影部的左边，模拟台风无法形成中心，亦即不论热源有多大，都无法形成螺旋云带；如实验转盘处于静止状态，则我们在中下层只能看到流向中心的径向气流，而不会产生任何弯曲。这一系列实验中，我们得出了一个极为重要的结论：转盘旋转的存在，并且大于某一临界值，对于螺旋云带的形成，或台风涡旋的形成，具有根本性的作用。

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二、自然规律的普适性

我们人类在地球上进行的自然现象研究，是通过观测、实验、演译、推理、再证实等一系列过程而得出一些基本自然规律。它们不仅在地球上是正确的，而且在宇宙尺度上也应该是正确的。例如，万有引力定律是研究宇宙间星体、星系及其他物质运动、变化、演化的最根本的规律之一；再如红移规律、哈勃定律是宇宙大爆炸理论的基础；还有利用某些元素的光谱，某些同位素衰变的规律，估计宇宙的年龄，等等。同理，我们通过实验得到的模拟台风涡旋运动的一些规律，也可运用于宇宙中某些类似现象的研究，这些规律也具有普适性。

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三、涡旋星系

3.1银河系——一个巨型涡旋星系

图8 银河系[7]

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众所周知，地球是太阳系的一颗行星，而太阳系则处于一个巨大的涡旋星系——银河系中。如图8所示，这是一个顺时针旋转的大涡旋，共有4～5条旋臂，我们的太阳系处于其中的一条旋臂里，它就是猎户旋臂。

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银河系的中心是星系一个很亮的球状凸出部位，直径约两万光年，厚度约一万光年，宇宙学家相信其内部存在巨大的黑洞，估计其质量达到太阳质量的几千万倍以上，因而它对系内的恒星及其它物质有着强大的引力作用。而太阳所在的旋臂部位，绕银心1周约需2.5亿年。这里的问题是：那么巨大质量的旋臂，是受什么力的作用，形成弯曲，并绕银心运转的呢？银河系是一个顺时针旋转的涡旋星系，这种星系我们已观测到很多，下面给出一个例子。

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图9 波江座涡旋星系（NGC1232）[6]

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图9是波江座涡旋星系，编号为NGC1232。这是一个距地球大约1亿光年，且比银河系大1倍的顺时针旋转的涡旋星系。我们可以看到巨大而密实的中心部位，这是因为引力的作用必然会吸引周边星体向中心运动。同时我们也看到多条亮丽的由星体组成的旋臂。同样的问题是：是什么力的作用让旋臂形成了弯曲？

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3.2逆时针方向旋转的涡旋星系

因为我们生存在银河系内，所以我们首先论述了顺时针旋转的星系，现在我们来讨论逆时针旋转的涡旋星系，如图10和图11。

图10 猎犬座涡旋星系（M51）[6]

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图11 涡旋星系M100[6]

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图10是属于猎犬座星系，编号为M51，从图中可以看出：它有一个明亮而突出的中心部位，特别是它有2～3条美丽而清晰的螺旋星带，逆时针方向旋转与模拟的台风涡旋（图2）十分相像。图11是一个美丽的涡旋星系，它的编号是M100，它也有突出密实的中心部位，并有两条明亮的、清晰可见的、逆时针方向旋转的旋臂。同样的问题是：巨大质量中心可以吸引星系周围的星体向中心运动，那么是什么力的作用，使周围庞大质量的星体群受到切向力的作用产生弯曲，而产生螺旋星带呢？

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四、宇宙体应该是旋转的

4.1模拟台风涡旋与星系涡旋的相似性

最重要的是我们看到两者在形态上非常相似，从图10、图11与图2、图3的比较，可以看到两者的涡旋旋臂是何等的相似，它们都围绕中心旋转。

其次，我们已明确台风涡旋与星系涡旋形成的机理中有一条肯定是相似的，而且它们都具有决定性的作用，这就是：对前者而言，中心部位的加热，吸引外围气流（中下层）向中心部位运动；对后者而言，具有极其庞大的质量中心，因而产生极强大的引力，吸引周围的星体，向中心运动。

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第三，模拟台风涡旋的云带与星系涡旋的旋臂还有一个重要的共同之处，就是它们都有角差运动，即旋臂的角速度 与它们距中心的距离R有函数关系， 随着R增大而减少，即 ，所以它们的螺旋旋臂都是曳式的。

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图12 双涡旋星系（NGC4567与NGC4568）的相互作用[6]

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第四，我们也看到了双涡旋星系的相互作用，如图12。同样是非常重要的一点，对于台风涡旋，我们在北半球看到的是逆时针旋转的涡旋，而在南半球观测到的，则是顺时针涡旋。其实，很显然，地球的自转是没有变的，只是我们观测的相对位置发生了相反的变化。由此我们可以推断：在宇宙体中，由于人在地球上去观测宇宙中的星系，那么一定会有相对位置的不同，因而一定会观测到呈顺时针方向的运动涡旋星系和逆时针方向运动的涡旋星系，这在上面的图12中，已有肯定的展示。

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4.2实验上的证明

在1.3节中，我们已清楚地由实验证实，如果没有足够大的地转偏向力的作用，气体只作向中心的直线运动，而模型台风的螺旋云带就根本不能形成。同理，我们推定：在星系中，如果只有星系中心巨大的质量，因万有引力的作用，只会将周围星体吸引向中心，作直线运动，而不会有涡旋星系的产生。

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综上所述，我们看到了模拟台风涡旋与星系涡旋，有那么多的相似性，所以我们相信它们形成的机制也有相似性，因此我们有理由猜想宇宙体应该是旋转的，由此产生了一种偏向力，我们姑且称之为宇转偏向力。在它的作用下，星系外围的星体受到切向力的推动，产生了旋臂的弯曲，结合引力的作用，最终形成了涡旋星系。

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五、结论与讨论

我们认为，宇宙是一个有互相紧密关系的整体，这里称之为宇宙体。通过对多年模拟台风的结果与对星系的比较研究，我们猜想：宇宙体不仅是膨胀的，而且是旋转的，由于它的旋转，产生了宇转偏向力。再结合星系中心的强大引力作用，就形成了涡旋星系。由此我们推测：如果在我们一侧，观测到了顺时针的涡旋星系，那在相对的另一侧就会观测到逆时针旋转的涡旋星系，这应当是具有较大概率的事件。但是由于宇宙体太庞大，其旋转的角速度ω可能是不一致的。而且由于宇宙的奥秘太多了，不知道的机制也太多了，在我们的同一侧，不能排除看到相反方向旋转的星系的可能。

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这里我们还想作如下讨论。

由于我们猜想宇宙体是旋转的，且其旋转的角速度ω在各部位可能是不同的，在它的边缘部分（暂且称我们能观测到的最远地方为边缘），这种差异应当最为明显。现在作一个定量的估计（仅仅是估计，带有一些随意性）：如果在距地球约200亿光年处的两个类星体，它们每1亿年中，由其运动导致的角差为1度。则我们可以估算出：它们的分离速度可达到1200000千米/秒，这个定量估计表明：距我们100亿～200亿光年的极遥远的类星体，其速度可达到600000～1200000千米/秒的量级，这个速度超过了光速值（300000千米/秒）。事实上，天文学家确实观测到了若干个类星体，其分离速度超过光速[7]。但是至今为止，人们一直认为光速是不能被超越的，这使天文学家和科学家感到困惑。今天我们关于宇宙体旋转的猜想，或许能为这种困惑提供一些思路。

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最后，我们还应指出，模拟台风涡旋是在实验室内完成的，基本涡旋形态特别是螺旋云带均在数分钟内即可形成。而星系涡旋的形成则以数亿年、数十亿年乃至数百亿年的量级计算，且我们未能确切了解。所以两者在时间尺度上存在十分巨大的差异，这也给我们在两者时间尺度上的比较分析带来了不可逾越的困难。

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致谢：首先提出要进行这一工作的，是我的老师叶笃正院士。后经过多次相互讨论，形成了一些重要想法或概念，并最后成文。但由于老师秉持一贯支持帮助学生的宗旨，不愿署名，作者在此对老师致以深深的谢意。

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参考文献

[1]张捷迁,魏鼎文,何阜华.台风结构和中国东南沿海地形对台风影响的初步实验研究[J].中国科学,1975:302-314

[2]魏鼎文,叶笃正.热带风暴的结构及其螺旋云带的形成——模拟实验研究[J].气象学报,总37期,1979:16-27

[3]魏鼎文,张捷迁.双台风相互作用的流体动力学模拟实验研究[J].中国科学,B辑,1982年第一期

[4]魏鼎文,W.M.Gray.热带气旋形成的多尺度组合理论——流体动力学实验模拟与合成分析的结合[J].大气科学,1988:VOL.12,No.2

[5]Wei Dingwen.PROGRESS ON THE LABORATORY HYDRODYNAMIC MODELLING OF TROPICAL CYCLONE IN CHINA[C].Proceedings of the International Conference on Fluid Mechanics.Beijing.China.1987

[6]（日）株工会社学习研究社.宇宙[M].王先进,边冬梅译.郑州:河南科学技术出版社,2004.5(2009.5重印)

[7]传奇天下·未解之迷编委会.宇宙之迷[M].北京:京华出版社,2009

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[1] 《光对空间带电粒子产生斥力的一种假说与太阳风的起源》，魏鼎文著，科学通报，1977，No.7

[2] 《斥力论——关于一个基本自然律的学说》，魏鼎文著，中国水利水电出版社，2004

[3]带电粒子是指带有电荷的微粒，又称等离子体。等离子体中的微粒都是带有电荷的。它是物质在宇宙中最普通的型态，并被认为是物质的第四态，因为它的性质不同于固体、液体和气体。本文所讲的带电粒子都是指在气体或空间里的粒子，而不是在液体或固体里。

[4] 大气物理研究所是20世纪60年代从中国科学院地球物理研究所分离出来的。

[5] 日冕位于太阳的最外层，属于太阳的外层大气。

[6] 太阳表层各种扰动现象的总称。包括太阳黑子、日珥、光斑、日冕、谱斑的出没和耀斑的爆发等现象。

[7] 电离层是地球大气层被太阳射线电离的部分，它是地球磁层的内界。由于它影响到无线电波的传播，因此它有非常重要的实际意义。

[8]由太阳耀斑引起的地球高层大气的扰动，同时引起地球磁场的强度和方向发生急剧不规则变化，称为磁暴。

[9] 功的单位，国际符号为erg，1尔格=10-7焦耳。

[10] 19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦提出电磁场的理论，预见了电磁波的存在，并提出电磁波传播的速度等于光速，并且提出“光波是一种电磁波”。1888年赫兹用实验验证了电磁波的存在，并测得它传播的速度等于光速，证实了光的电磁波说是正确的。

[11] 运动电荷会受到磁场的作用力，这个力通常叫做洛伦兹力，它为荷兰物理学家H.A.洛伦兹首先提出，故得名。

[12] 数学推导过程请参看《斥力论——关于一个基本自然规律的学说》，魏鼎文著，中国水利水电出版社，2004

[13]绝对静电系单位制简称“静电单位制”，是电磁学中一种以静电力为基础的绝对单位制。它选取长度、质量和时间为基本量。基本单位是厘米、克和秒。

[14] 由观测者正上方，整个大气柱内大气分子所散射向下的光。

[15] Qing-Bin, Lu: Physical Review Letter, March 19, 2009

[16]热力学温度单位，符号K，起点为-273.15摄氏度。

[17]曾先后获得中国科学大会重大成果奖，中科院自然科学二等奖。