审查
，卷:9(1)DOI: 10.37532/2320: 6756.2021.9(1).203

• 查看PDF
• 下载

宇宙起源的贝纳兹对流触发机制

*通信:

许给他们
合肥高技高新动力研究院能源有限公司;有限公司安徽合肥230012
电话:+ 86-551-62100917
电子邮件: (电子邮件保护)

摘要

尽管标准宇宙学到目前为止取得了巨大的成功，但它在“初始奇点”和大爆炸触发机制方面仍然存在问题。“涌现宇宙学模型”因其能从现象上解决初始奇点的难题而受到越来越多的关注。在这个模型中，“奇点”被“非常小的静态微观宇宙”所取代。这个微宇宙以及真空环境可以被认为是一个耗散系统。伯纳德对流单元是耗散系统的典型特征。本文详细分析了微观宇宙中伯纳德对流单元所对应的各个物理量。结论是物质密度的不均匀会导致“伯纳德对流单元”的产生，从而引发宇宙大爆炸。重要的是，这是一个自发的过程。螺旋星系的热带气旋状形态为本文提出的理论提供了有力的支持证据。此外，这些螺旋星系具有非常相似的旋转曲线和旋转周期。 This can be considered a “same gene” in these spiral galaxies.

关键字

宇宙的起源;紧急的宇宙;Bénard的对流单元;耗散系统

简介

目前的标准宇宙学在许多方面都取得了巨大的成功。然而，这个模型也存在一些严重的问题，比如“宇宙的原始奇点问题”[1]、“时间起点的问题”[2]、“宇宙大爆炸的触发机制”[3.)等。作为避免原始奇点问题的理论解决方案之一，“涌现宇宙学模型”越来越受到人们的关注[4-7］．“涌现宇宙学模型”是Ellis和Maartens在2004年提出的[8］．这个模型认为宇宙起源于一个静态的微观宇宙，然后进入标准宇宙学的暴胀阶段。这里的“静态宇宙”只是爱因斯坦的非膨胀静态宇宙。宇宙常数被势能吸收了能源V，动能消失。所谓“微宇宙”，是指宇宙的尺度因子可以表示为[9]:

(1）

当宇宙的尺度并不趋向于零，而是一个比普朗克尺度更大的足够小的尺度。这样就可以避免主要的奇点问题。然而，从静态宇宙到膨胀阶段的转变是如何发生的呢?这模型没有给出解释。因此，宇宙的起源仍然没有解决。

Benard对流自组织触发机制

Chakraborty认为原始宇宙可以被认为是耗散系统[10］．由微观宇宙和真空环境形成的耗散系统在图1．

因此，该系统应具有耗散系统的所有性质。如我们所知，耗散系统的典型特征是伯纳德对流单元现象，如图所示图2．而且图3．

关于宇宙的起源，在耗散系统的框架下，大爆炸必然是一个自组织的过程。下面给出自组织大爆炸的理论分析。

首先，原始静态微观宇宙中的物质可以被认为是一种“流体”。一方面是物质和物质的交换能源另一方面，在微观宇宙和真空环境之间，由于随机波动，其自身的密度分布必然存在浓度差。有两种典型的场景:

(1)由于随机涨落，物质密度分布的浓度差在微观宇宙内部，如

(2)由于原始微宇宙的物质密度非常高，可以认为是黑洞。视界表面与微观宇宙内部之间的密度分布可能不均匀(图5)，这将导致表面张力梯度和“温度梯度”。

现在让我们分析一下触发旋转的量。对于流体系统，流体静力学的三个方程为[11),

i.连续性方程:

（2）

在这里是原始微观宇宙的物质密度，x_j（j= 1,2,3)表示笛卡尔坐标，u_j速度分量。

2运动方程:

（3）

在这里X_我(i = 1,2,3)表示外力分量(如微观宇宙与真空环境的相互作用力，物质密度分布不均匀引起的广义引力)，的压力(如表面张力梯度)，μ为粘度系数。这个方程给出了各力的平衡关系。

3能量方程:

（4）

在这里c_v为等容比热，T为温度，Φ耗散能源由粘度产生。由式4可知，温度梯度是伯纳德对流单元形成的重要驱动力。

利用Boussinesq近似和一阶微扰理论，方程2和方程3可以简化为[11]:

（5）

(6）

在这里w是速度g，重力加速度α，立方膨胀系数θ，无限小温度的扰动，为动力粘度，β为温度梯度，表示热传导系数。由式5、式6的解可得瑞利数:

(7）

这里g是重力加速度，d是液体层的厚度。在某些情况下，温差可以用浓度差代替。借由参考的结果[13瑞利数变成:

（8）

每个符号的含义可在参考文献[13］．反映惯性力与粘性力之间关系的格拉肖夫数(Gr)的定义为[13),

（9)

因此，RaGr反映了对流力与传导力、浮力与粘性力之间的竞争关系。当Ra≪1,Gr≪1时，导热通畅。在Ra比1,Gr≪1，对流很普遍，这就是贝纳德对流单元形成的地方。对于场景[1]，公式[中的浓度差Δc8]必须存在于原始微观宇宙中。对于重力加速度，我们可以使用广义重力加速度(g_gr)来代替。因此，瑞利数为:

（10）

由于原始微宇宙是一个高度亚稳的系统，它的黏度系数应该非常小。因此，非常小的浓度扰动Δc会导致非常大的瑞利数Ra，从而导致对流单元(旋转)。这就是自组织旋转运动的起源。对于场景[2]时，胞内对流是由表面张力引起的。流体热传导方程和运动方程中不考虑浮力项，在这些方程的解中可以得到一个马兰戈尼数[14，15),

（11）

在这里,表示熵随温度变化的速率。如图7原始微宇宙的视界表面存在浅、低密度，物质密度的不均匀分布也导致了表面张力梯度和“温度梯度”。当马兰戈尼数足够大时，也可以形成对流单元(旋转)。贝纳德对流细胞现象是气象学中常见的现象，它可以进一步发展为一种强大的现象热带气旋［12］．图7．

在原始微宇宙中，由于随机涨落引起的密度扰动，从而自发形成了伯纳德对流单元，并逐步被放大，最终形成了热带气旋。这就是宇宙大爆炸

观察性证据

旋涡星系的照片为宇宙起源的B纳德对流单元触发机制提供了有力的证据，显示了热带气旋的形态。

关于螺旋星系的形成机制，Eggen等人提出了“潮汐矩”理论[17]:大约10亿年前，邻近星系致密化过程中潮汐矩产生的角动量导致了星系的旋转。然而，这一理论已不再被广泛接受。

事实上，星系的起源一定与宇宙的起源密切相关。对于宇宙的起源，标准宇宙学的解释是，大爆炸是由量子涨落引起的原始密度摄动引发的，这是结构形成(星系、纹理)的“种子”。但该理论无法解释为什么螺旋星系的比例如此之高。旋涡星系是我们宇宙中很常见的星系。

根据文献统计[18]， 56%的星系是旋涡星系。这些螺旋星系的形态与热带气旋相似。此外，这些星系中恒星的旋转曲线相似，旋转周期也相似[19］．根据参考文献[20.]，大麦哲伦星系的自转周期约为2.5亿年，这与银河系的自转周期惊人地接近。

关于螺旋星系中旋臂的形成和稳定性，Lin和Shu在1964年提出了密度波理论[21］．在该理论中，有一个重要的假设，即螺旋星系中存在“螺旋引力场”。然而，这种“螺旋引力场”只能在惠而浦大爆炸。这些观测证据表明，旋涡星系的形成带有明显的旋涡“近亲”基因，可视为“伯纳德大爆炸对流触发机制”理论的支持证据。

结论

现代科学相互渗透，学科间的交叉作用越来越重要。宇宙学与天文学的结合是本文的一大特点。在宇宙学中，“宇宙的起源”仍然是一个值得探索的问题。标准宇宙学遗留下来的两个悬而未决的问题是:“原始宇宙的奇点”和“大爆炸的触发机制”。根据应急宇宙论，原始宇宙是非零尺度的静态微观宇宙。这样，本源奇点在现象学意义上就可以避免了。在这个模型中，静态的微观宇宙及其真空环境构成了一个耗散系统。对于耗散系统，贝纳德对流单元是一种常见现象。本文详细研究了耗散系统中贝纳德对流单元的物理量。反映“对流流”与“扩散流”竞争关系的瑞利数与静态微观宇宙中物质密度浓度的差异Δc和粘度系数η有很大关系。 So that a very small perturbation of density will lead to a very large Rayleigh number, which will lead to the formation of the Benard convective cell. The surface tension of the primordial micro-universe also has this effect. And the spontaneous formation of the Benard’s convective cell is just the root cause of the Big Bang. In conjunction with the standard cosmology, what follows is the inflation of the universe and the formation of galaxies. The惠而浦爆炸必然会影响星系的形成。其深层机制有待进一步研究。然而，这个“母亲”基因必须传递给星系。作为观测证据，旋涡星系的“热带气旋状”形态、旋涡星系相似的旋转曲线、相似的旋转周期充分反映了这种“亲缘关系”。与此同时,惠而浦爆炸对引力场一定有重要的影响。如果能证明“螺旋引力场”来自于惠而浦爆炸后，旋臂星系的形成和稳定将有新的解释。此外，对暗物质还会有新的解释。这将是进一步研究的课题。

参考文献

1. 梅迪纳SB，诺瓦科夫斯基M，巴蒂奇D.爱因斯坦-卡坦宇宙论。物理年鉴2019;400:64-108。
2. 张志刚，张志刚模型宇宙的。科学。2002;296:1436 - 1439。
3. 马梅特P.解释与大爆炸不相容的观测的新机制。Apeiron。1991;119:9-10。
4. 张小明，苏敏，李华，等。宇宙起源与阿里原始引力波探测。学报。2016;45:320。
5. 穆克吉，保罗BC，达迪希NK，等。充满奇异物质的新兴宇宙。古典量化。重力。2006;23:6927。
6. Bonanno A, Gionti G, Platania A. Arnowitt-Deser- Misner RG流的弹跳和涌现宇宙学。经典量化，重力，2018;35:1
7. Banerjee A, Bandyopadhyay T,Chakraborty S.膜世界场景下的涌现宇宙。2007; 13:290 - 292。
8. 埃利斯GFR，马腾斯R.涌现宇宙:无奇点的暴胀宇宙学。经典量化。重力。2003;21:223
9. 拉布拉娜·p低招商银行多极。91:083534 2015;
10. 宇宙的出现是粒子创造过程的结果吗?物理学报。2014;732:81-84。
11. 水动力和磁稳定性。伦敦:牛津大学出版社。1961;11-21。
12. Pluvoise马。自然界对能量学的非凡运用:热带气旋的混沌系统。Int。应用的;环境科学学报，2018;13:731-754。
13. Squires TM, Quake SR.微流体:纳米升尺度的流体物理。Rev Mod Phys, 2005;77:1002。
14. 皮尔森JRA。在对流细胞由表面张力诱导。流体力学。1958;4:489
15. Nield哒。胞状对流中的表面张力和浮力效应。流体力学，1964;19:344。
16. Arcand KK, Watzke M.你的宇宙之票:探索宇宙指南(中文，王c译).南京:江苏凤凰科学技术出版社。2019:182-200。
17. Eggen OJ, Lynden-Bell D, Sandege AR，来自古老恒星运动的证据，星系坍塌了。12,54。J 136:748 1962;
18. Loveday J. APM明亮星系目录。monnot R Astron Soc 1996;278:1025-1048。
19. Kravtsov AV, Klypin AA, Bullock JS，等。暗物质主导星系的核心:理论与观测。天体物理学杂志1998;502:48
20. Roeland P, van der Marel, Kallivayalil N.第三代麦哲伦云自身运动:2。三维大麦哲伦云旋转场。《天体物理学》杂志2014;781:121。
21. 林昌昌，舒芳华。盘状星系的螺旋结构。《天体物理学》1964;140:64。