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user: 5. 土星光环的成因探索 百科新华网介绍：“土星那美丽的光环十分引人注目，它让土星看起来像戴了一顶草帽。天文学家经过观测后发现，那些美丽的光环其实是由碎冰块、岩石块和尘埃颗粒组成的，它们排成一系列的圆圈，环绕在土星的外围，看上去非常漂亮。”、“人们根据地面观测和空间探测，把土星环划分为7层。距土星最近的是D环，亮度最暗；其次是C环，透明度最高；B环最亮；最后是A环。在A环和B环之间就是著名的卡西尼环缝，缝宽约5000千米。在A环之外有E、F、G三个环，最外层的是E环，十分稀薄和宽广。”、“土星的‘七环’是如何形成的呢？最初天文学家推测，它们可能是由小行星、彗星或者较大的卫星相撞后产生的碎片形成的。光环也许含有一定的水分，由大大小小的雪球及冰块组成。一些光环也会受到附近卫星的影响，让自身的结构发生一定的变化，比如土星的F环。而土星的B环十分宽阔，环上带有放射状的阴影，这说明B环上可能带有静电，吸附了宇宙中的尘埃颗粒而造成的。” 2005年笔者在《共旋理论初探(下)》一书中，对“土星光环动力学机制探索”一节中是这样写的：“从地球上看土星环，似乎是个静止不动的整体结构，但在1859年麦克斯韦就已经从理论上证明整个的固体或液体环都不能稳定地围绕着土星旋转，它必定是由许多小碎块组成，后来的宇航探测证实这一点，发现了土星的环中有缝、缝中有环的复杂结构，并且离土星近的物质运动得慢，远的反倒运动得快。这显然与天体在引力支配下的作开普勒转动不符。因此共旋理论认为除引力外，还应考虑土星的共旋梯力和土星电磁场的洛伦兹力的共同作用。”认为：“这些物质(碎块、冰块)在土星赤道面上，其受指向赤道面的共旋梯力为零；在磁赤道面上受磁场方向的洛伦兹力也为零，因土星自转轴与磁轴基本重合，故这些固体物质在共同赤道面上最为稳定，它们会因有不同质量、不同物质成分和带有不同电量，而分布在不同轨道上。在共旋梯力和洛伦兹力的共同作用下，它们用比土星自旋更快的速度环绕土星竟相奔驰，形成大自然的艺术珍品—美丽的光环。” [ 2 ] 书中只有定性描述、没有定量计算。 今天是2017年端午节，也是我国首个全国科技工作者日，离9月“卡西尼”号土星探测器将结束使命的日子越来越近，笔者用共旋弦理论中的‘电偶极子’新概念定量解释土星环的形成机制，以纪念“卡西尼”号土星探测器立下的伟大功绩。 5.1. 光环轨道运动角速度(转速)比土星自旋更快的物理机制探讨 根据“开普勒第三定律的修正式普遍适用于行星绕太阳公转和卫星绕行星转动，可以分别写为： T 行 2 ( m 太 + m 行 ) G = 4 π 2 a 行 3 (34) T 卫 2 ( m 行 + m 卫 ) G = 4 π 2 a 卫 3 (35) 由这两式相除，得： m 太 + m 行 m 行 + m 卫 = ( a 行 3 a 卫 3 ) ⋅ ( T 卫 2 T 行 2 ) (36) 考虑到 m 行 ≺ ≺ m 太 和 m 卫 ≺ ≺ m 行 ，则近似地得： m 太 m 行 = ( a 行 3 a 卫 3 ) ⋅ ( T 卫 2 T 行 2 ) ; (37) 因此，可由行星和卫星的轨道半长径和轨道周期及太阳质量来计算出行星的质量。对于没有卫星的行星，可从其他天体(如，小行星)受它的引力摄动而由天体力学理论计算出其质量。同样的方法可以得到卫星的质量。” [ 13 ] 将太阳、土星的质量，和土星、光环(小卫星)的轨道半长径和轨道周期代入(37)式，计算光环的轨道周期，得： T 卫 = 3.22656 × 10 − 8 a 卫 3 。 则光环的轨道角速度，有： ω 卫 = 2 π T 卫 = 1.9473 × 10 8 a 卫 3 ; 作由开普勒第三定律光环轨道运动角速度(转速)与光环轨道半长径变化示意图(见图4)。 Plot[ ω 卫 ，{ a 卫 ， 1 × 10 7 ， 1 × 10 10 }]： 从图4可见，在土星光环的距离区间，光环的轨道运行角速度随距离的缩短，光环运行角速度大增，这是开普勒第三定律所决定的土星卫星绕行星转动的角速度大于行星自转的角速度。计算土星的光环D层距离土星67，000千米，即离开土星表面 R t x = 6.0268 × 10 7 m ，则约7000千米距离的光环D层，其绕土星 转动的轨道角速度要有： ω 卫 = 1.9473 × 10 8 a 卫 3 = 0.000355 ( rad / s ) ；而土星自转角速度有： ω 土 = 0.00017 ( rad / s ) 。 即：光环D的轨道角速度比土星自转角速度几乎大二倍。显然土星对光环的引力作用是不可能使光环的轨道运行角速度大于土星的自转角速度，必须考虑土星对光环的电磁力作用。 5.2. 光环电偶极子的成因系离心力所为 笔者认为巨行星土星及其光环的固体物质均是大大小小的“电偶极子”。计算土星电偶极子星球的带电量和电偶极矩。根据电偶极子星球带电量公式；将土星的质量、角速度、星球半径，以及质电类比当 量 λ 和光速的等有关数据代入电偶极子的带电量公式： Q t x = ± λ M t x ω t x R t x c ；式中： λ = ± 8.6127 × 10 − 11 ( C / kg ) ，质量： M t x = 5.685 × 10 26 kg ；半径： R t x = 6.0268 × 10 7 m ；自转速度： ω t x = 2π / ( 0.42639 × 24 × 3600 ) ( rad / s ) ；光速： c = 3 × 10 8 ( m / s ) ；代入公式，计算得土星电偶极子的电量为： Q t x = ± 1.67798 × 10 12 ( C ) ；电偶极矩有： p t x = Q t x 2 R t x = 2.02257 × 10 20 ( C ⋅ m ) 。 共旋弦理论认为土星环中的碎冰块也是小电偶极子，因为土星电偶极子的电偶极矩对周围的物质肯定存有电磁作用。由于土星的自转速度很快，其周围的极性电介质(例如冰碎块水分子)在离心力作用下，会使冰碎块中的水分子极化。因为氧离子质量大于氢离子，碎冰块在离心力作用下，会使冰块远离土星的一头带正电，近头带负电；冰块电偶极子的电偶极矩方向与土星电偶极矩方向相垂直。 图4. 开普勒第三定律计算的光环转速与离土星距离变化示意图 根据傅振堂的《电偶极子相互作用》一文 [ 14 ] ：“3.3，、二个电偶极子相互作用力矩…，特殊情况(3) 中： P 1 ⊥ P 2 ，相应地： r ⊥ P 1 ， r ∥ P 2 ，公式为： L = P 1 ⋅ P 2 4 π ⋅ ε 0 ⋅ r 3 ；方向与 P 2 、 P 2 构成右螺旋关系。”设： P 1 = P t x ，土星电偶极子 P 1 与光环电偶极子 P 2 (冰块电偶极子)的电偶极矩方向成相垂直的方向。 根据互联网上科学家的检测： 其中B环质量最大，有 m b = 2.8 × 10 19 ( kg ) ，若计算B环电偶极子的电偶极矩。根据(31)式，光环B电偶极子的电矩： p = ± λ 2 ⋅ M ⋅ m ( ω b R b c ) 2 ，设距土星r i 远单个质点电偶极子的质量为m i 。则小电偶极子的的电矩为： P h b i = ± λ 2 ⋅ m i ⋅ ( ω i ⋅ r i c ) 2 。 设 r i b 1 、 r i b 2 、 r i b 为B环中离土星距离最近、最远、以及平均半径距离的光环： r i b 1 = 0.92 × 10 8 m ； r i b 2 = 1. 175 × 10 8 m ；则： r i b = ( r i b 1 + r i b 2 ) / 2 = 1.0475 × 10 8 m 运用开普勒第三定律计算平均半径距离光环质点的运行轨道周期和角速度有： T i b = 3.22656 × 10 ÷ 8 r i b 3 = 34591.6 ( s ) ; w i b = 2 p i / T i b = 0.000181639 ( rad / s ) ; 整个B环电偶极子应是各个小电偶极子电量之和，整个B环电偶极矩也是是各个小电偶极矩之和，而且每个质点均以速度 v b = ω i R i 运动，由于运动的“自我复制”就会共旋起电，形成光环。据文 [ 14 ] ，整个B环的体积近似有： V b = 2 p i × r i b × 2.55 × 10 7 × 100 = 1.48 × 10 18 ( m 3 ) ; 则整个B环的电偶极矩应有： p b = λ 2 ⋅ m i ⋅ ( ω i R i c ) 2 ⋅ V b = 1.2378 × 10 9 ( C ⋅ m ) ; 则土星电偶极子与其方向垂直的光环B电偶极子相互作用力矩为： L = P t x ⋅ P b 4 π ⋅ ε 0 ⋅ r 3 = 1.9584 × 10 15 ( N ⋅ m ) 是土星电偶极子对B环电偶极子的力矩作用，使B环在土星赤道面上作右螺旋运动。 由于土星的赤道面对轨道面的倾角为： θ = 26.73 ∘ ，土星绕太阳的一周的时间(恒星周期)为29.42352年。因此从地球上看土星光环也会与地球的四季一样缓慢变化着。 5.3. 土星光环发光机制也是“向心力”的“自我复制”所为 据好搜百科网介绍：“物质世界能产生普朗克常数，这一定有所原因。有新的观点认为带电粒子做圆周运动时，只要向心力是与到圆心的距离的三次方成反比，就能产生一个常数，这个常数乘以圆周运动频率等于带电粒子动能。如果电子受到这种向心力，那么这个常数就是普朗克常数。通过对电荷群的研究证实电子是受到这种向心力的。”这种新观点与“共旋”弦理论完全吻合。据(30)式：在球面坐标中， 电偶极子在空间任一点 p ( r ) 激发电场的公式为： E ϕ = p ⋅ r 2 ⋅ q 9 ⋅ r 3 ；及(31)式： p = ± λ 2 ⋅ M ⋅ m ( ω 0 ⋅ R 0 c ) 2 ；说明电偶极子的电偶极矩： p ∝ M ⋅ m ⋅ ω 0 2 ⋅ R 0 ；与每个质点“自我复制”的向心力成正比。现将氢原子中电子的最小轨道半径，即玻尔半径 R 0 → a 0 = 5.29 × 10 − 11 ( m ) 和电子质量 m e = 9.1 × 10 − 31 ( kg ) ，以及光的传播速度： c = 3 × 10 8 ( m / s ) 等有关数据代入(31)式计算玻尔的氢原子基态电子的向心力，当共旋态的电子运动速度 v 0 达到光速的0.0269839倍时，计算普朗克常数值： h = L c 2 = m e ω 0 2 R 0 ⋅ 2 R 0 2 ⋅ c 2 = m e ( v 0 c ) 2 = 6.626 × 10 − 34 ;式中 L 为基态电子的向心力矩(角动量)，除以光速平方之值就是普朗克常数值。而 v 0 = ω 0 ⋅ R 0 为基态电子运动速度(要求的最低速度)；说明“共旋”弦理论公式将 Y = R ⋅ ω 0 c 表述为运动的更深层次是有道理的， 它是一个无量纲的参数，也称光速比，是描述引力、弱力、电磁力和强力的相互作用规律的关键参数。说明百科网介绍的新观点与“共旋”弦理论公式是相通的。 对照玻尔的氢原子理论，普朗克常数为氢原子中基态( n = 1 )定态时电子绕核作圆周运动时的向心力矩(角动量)最小光速比值。玻尔频率公式中的从一个能量为 E n 的定态跃迁到另一能量为 E k 的定态时，就要发射或吸收一个频率为 ν k n 的光子，可认为是一个电子在该能级的轨道运动中具有的角动量(能量)值。 该值 L 必须满足 h 2 π 的整数倍的条件。原因就是氢原子中电子的向心力矩(角动量)必须满足运行一周( 2 π ) 以上的条件，因为角频率与频率的关系为 ω = 2 π ν 。因此说这是“共旋”弦理论克服了玻尔理论引进的定态假设缺陷，给量子化条件的引进给出科学解释，说明“共旋”弦理论是一个能解释玻尔理论的完整的理论体系。它也能够描述和揭示元素周期律的本质：元素核外电子排布的周期性决定了元素性质的周期性。 我国先哲说的“三生万物”，可能是指大爆炸时的“质子、中子和电子”三种基元粒子，随着时间的流逝、温度的降低，造物主会以“能量最小原理”、“时间最短(快)原理”以最简洁的手法，造出世界万物。宇宙创始初期，三生万物生出原子序数最低的氢元素、氦元素等元素，而后生出的元素原子序数越来越高，目前世界万物中以氢、氦的丰度最高说明我们的宇宙还很年轻。 由于基态的电子所在的轨道半径最小，其向心力的“自我复制”获得的能量也较小。处在较高轨道的电子的因轨道半径较大，“自我复制”获得的能量就较大，原子内部的电子能量大的会在原子轨道上从基态跃迁到较高的激发态轨道；又会从激发态发射光子回到基态，并发出各种光谱的光和热。如由等离子气体组成的恒星太阳，整体太阳是一个电偶极子星球，它不仅发出物质波(长程引力波和电磁波)，同时也会发出光波。 根据“共旋”弦理论公式(31)式。太阳上的等离子气体不同原子中的电子，在不同电子轨道上因半径不同所以经“自我复制”的能量 E n 也不同。电子实验证明电子从能量 E n 的定态跃迁到另一能量为 E k 的定态时，就要发射或吸收一个频率为 ν k n 的光子，实际上是一个电子在在不同能级的轨道运动中具有的不同的角动量(能量)值，是太阳上等离子气体原子中的电子，由于恒星太阳的半径具有： R s = 6.9551 × 10 8 m ，与光速处在同一数量级。因此乘上太阳半径的阳面上电子运动速度“自我复制”形成了不同能级向心力矩(角动量)的能量。就会辐射出各种频率的光和热。因此说太阳(恒星)星球的自旋运动不仅会形成太阳电偶极子星球辐射引力波、电磁波，还会不断的辐射出各种频率的光波和热量。这是大自然赋予运动系统的“自我复制”功能的威力，使地球上的人类能沐浴在它的阳光之中。另根据爱因斯坦的相对论质能关系公式： E = m ⋅ c 2 ，光子的质量为零，其能量也为零。说明太阳光是太阳上物质中电子在各个能级轨道做圆周运动的向心力的“自我复制”发生能级跳跃而辐射出各种频率的电磁波。电磁波是能量的一种载体。因此说光子并不存在，光子是电磁波的传播子是有误的，同理“引力子”之说也是多余的。M1 同理：土星光环的发光机制也是大自然赋予土星光环运动系统的“自我复制”功能，土星光环轨道半径也是与光速处在同一数量级。前已计算出有 m b = 2.8 × 10 19 ( kg ) 的B环。B环半径数量级与光速相当，土星和B环二个电偶极子相互作用力矩具有 L = 1.9584 × 10 15 ( N ⋅ m ) 牛顿米。力矩类似能量。故能使光环发光，由于光环是由不同物质(杂质)和水分子组成的碎冰块组成，而且碎冰块的质量、速度与运行轨道的半长径有关(成正比)，即碎冰块的能量不同，它们用比土星自旋更快的速度环绕土星竟相奔驰，就好比夜晚能看到烧红的铁块一样，使人们看到美丽的光环。 同理，由冰块组成的光环，在离心力作用下，光环外圈的氧离子容易溢出结合成氧分子，出现“吐出大量氧气”的现象。同时光环的轨道运动，在土星磁场作用下会产生拉莫运动，并发生共振，当共振频率在音频范围时，就能听到光环的“歌声”。