自然与人-18.6 星球自转力学原理小结

李开乐

    摘要：自转就使流质星球内永动不止。实际星球是整体转动促成球体内微观流动，内动和外动两者相互适应、同生共存。流质星球因自转而引起了体内物质不停地产生了一系列的流体力学规律的运动变化所遵循的原理，就称为星球自转力学原理。

    我们仍以流体状态的太阳为例进行具体描述，对星球自转力学原理大概可以包括下面几点认识。

    ①太阳由于自转而使其体内不同位置的流体质点（以液体为主）具有了大小不等的离心力，所以转轴两极附近的液体会下沉后通过球内向赤道截面方向流去，然后再从赤道附近上升到太阳表面来。这样一来，这个以液态为主的太阳，就变成了一个两极附近向内收缩而赤道附近向外突起的扁圆球形状。当太阳通过球内液体的流动，已经刚好形成了与自转速度相适应的扁圆球形状的时候，本来应该立即停止的内部液体流动，却由于运动惯性和流体连续性的性质而不可能立即就停止下来，因此，便会在赤道附近的太阳表面造成液体过剩。过剩的液体只能从太阳表面向两极方向流去，于是，就形成了太阳表面液体更加复杂的环流。例如，太阳表面的液体环流由于受到科里奥利力的作用，就既产生了中纬度附近沿着纬度方向高速运动的急流，又有赤道附近某些相对静止的液体区块；既有很多高速旋转着并较快速水平移动的下沉小旋涡，也有向相反方向旋转着并很少移动的上升大旋涡……。这就是说，由于星球的自转，整个流质球体里里外外的流体就都保持着永不休止的流动。

    ②假设中的静止太阳，其平衡状态的标准体形是正圆球体形，其内含流体质点以相对静止与之相适应。这仅仅是用于研究的一种假想情况，它只相类似地出现在子星球刚被喷射出来后，正被加速离开母体的短暂时间内。当星球升至母核球的高空后，从开始自由减速飞离母体时候起，便逐渐形成了自转而完全不可能再有类似正圆球体形的情况存在了。然而，对星球正圆球体形的研究，既帮助我们明白了自由空间中的液体自动收缩成为圆球状天体的力学原理（实际上最后都成了扁圆球状），又使我们认识了圆球状的天体必定来源于全流体原始状态。如果天体原来不是全流体性质，则绝不可能都成为球状，只能类同于火星和木星轨道之间那些不规则形状的小行星的模样。

    整体自转的太阳，其理想平衡状态是球内各质点之间无相对运动而只保持整体一致的稳定转动，其相应的理想标准体形，是表面成为均衡圆滑的，相对于转轴完全对称的上突曲面，且以转轴为短径的标准扁圆球体形（大气学中俗称为“动态平衡”状态）。必须是稳定性孤立系统的天体才能出现这种状态（具体将在最后的哲学部分才详细讨论），在实际宇宙中恐怕难以找到。除非整个太阳变成了由一层柔韧橡皮包裹着的一大袋均匀沙子，就可能在自转情况下勉强保持标准扁圆球体形，并使球内沙子之间基本无相对运动而只保持整体一致的稳定转动。

    ③对于实际的流体性质的星球，随着星球的整体自转而运动了起来的内部流体，由于运动惯性和物质的连续性，使得球体内部的流动总是与球体的标准扁圆球体形不相适应，总是只能通过星球内部和表层流体的永不停止的相对运动去不断地晃动调整逼近，故其一般形状只能是类扁圆球体形,而标准扁圆球体形，只能是自转天体的表、里流动所追求而永远无法实现的理想体形。反过来，也因球内运动的无法稳定又使整体自转速度都随之变化不定。这就是说，与球体内部微观的静止可以适应和支持球体宏观的静止一样，只有球体内部微观的有序流动才能适应和支持球体宏观的转动。星球体内微观流动是其整体宏观转动的必然响应，内动与整体转动同生共存。在此，我们把流体性质的太阳（或一般星球），由于自转所造成的，从正圆球体形变为类扁圆球体形，并使其内部流体形成了无休止而复杂的相对运动的效应，称为自转离心效应。自转离心效应是星球自转力学原理的中心实质，它适用于宇宙中所有能自转的天体。但是，对于固态天体来说，自转离心效应对于天球内各质点所产生的作用力，只能体现为静应力。

    ④ 流体性质星球的整体转动引发了星球内部流体的相对运动，所以内部流体相对运动的原动力来之于星球整体的转动。反过来，星球不同区块流体运动的差异性、变化性和廻流等情况所造成的能量的传递及摩擦损耗，又必然会影响星球整体的转动。这就是说，天球内含流体的运动与天球整体自转之间相互影响。我们暂且不去说星球的公转轨道椭圆形的影响因素，就只说流体性质星球的整体转动能量与球内流体的流动能量之间不停地进行着相互转换这一方面，便已经同时制约了天体理想的稳定自转和标准扁圆球体形的形成，使两者都成为不可能。所以我们必须注意到，自转离心效应使天体的类扁圆球体形及球内流体的流动得以存在，而天球内含流体的运动与天球整体自转之间的相互影响，又使流体性质天体的整体转动和内含流体的流动都不可能是稳定的。

    在“自然与人-14.1”中我们曾经给星球自转力学原理下过定义说：“我们把太阳（或泛指液态星球）发生自转之后其内部不同质点的受力差异，以及随之发生的相对运动和体形变化所遵从的自然规律，总称为星球自转力学原理”。在此，可以给出更具体的定义：由于星球的自转，整个流质球体里里外外的流体质点，因各自受力不同就都保持着永不休止的流动，总趋势是两极下沉和赤道上升。内动与整体转动同生共存，互相影响，而且使整个球体的外形变成了类扁圆球体形而并非标准扁圆球体形。对于天球因自转而引起的体形变化和内外流体运动的复杂变化的规律性，我们称之为星球自转力学原理。或者可以像“自然与人-14.1”那样比较概括地说，星球自转力学原理是流体性质的星球，因自转而引起了体内物质不停地产生了一系列的流体力学规律的运动变化所遵循的原理。

    从自然辩证法的角度来理解，星球自转力学原理，实质上是天体系统的一种自组织功能，整个天体的所有流质都靠着它的作用达到了有序的运作（将于最后的哲学部分阐述）。具体地说，就是天球系统利用了自转这只“手”，对于万有引力和斥力的非线性协同作用进行着指挥，通过自转将分子热运动所产生的无规则斥力转化为离心力发生作用，从而使天球内外物质产生了有规律的环流运动。

    星球自转力学原理是宇宙学和天文学中广泛适用的十分重要的天体运动基础原理，它使宇宙、天文、地球、海洋、大气整个大自然贯通一气，紧密联系，体现了整个大自然界不可分割的整体性。