旋涡型动力机制

旋涡型动力机制_湍流的本质_自然是数学设计的

专题二：《洛书》式引力型、旋涡型动力机制——湍流的本质

“湍流的本质”这个副标题，原出1971年茹厄勒（DavidRuelle）和拓肯斯（Floris Takens）的文章题目——《关于湍流的本质》，密密层层的高级数学之后出现的一个怪兽叫“奇异吸引子”。

在我们这里认为湍流本质却是一个引力型旋涡型的动力机制，如图2‐2‐1所示。

图2‐2‐1

这个图（见图2‐2‐2）并非某个人的发明，而是从古老的天生神物推演而来。

图2‐2‐2

下面，就要用这个动力机制先论述“宇宙第一代恒星”（这是《10000个科学难题·物理学卷》中的一个难题）。

我们的讨论就从英国《新科学家》杂志，天文学顾问奈杰尔·亨贝斯特《星系与类星体》一文谈起。在他的这篇文章中，提出了四个示意图如图2‐2‐3所示。

亨贝斯特说：恒星是由星际气体产生的，这是一种氮、氦和少量其他元素组成的稀薄的混合物。图2‐2‐3（a）表示散布在空间的尘埃和气体一旦凝聚，这是恒星生命的开始。

图2‐2‐3

如果就从图2‐2‐3（a）的图像看来，我们就可利用《洛书》矩阵的结构原理对图2‐2‐3（a）所示的两种方向相反而又互补的动态——湍流现象加以理解，如图2‐2‐4所示。

图2‐2‐4

如图2‐2‐5所示，这里有两种力：一种力来自外部的冲击；一种出于氢与氦的反作用力。

图2‐2‐5

按照康德的理论：原始的分散状态的物质微粒因引力而凝聚，又由于排斥力而使气体旋转运动^[1]。这两种力的相互关系是互补对称。

宋儒朱熹则说：“阴阳二气，磨来磨去，磨出一个天地来。”

这就是说，初始的稀薄的星云由两种相对的力的相互作用逐渐凝聚而成胎星，并且是旋转着的。这是一种相对平衡的，并由于物质气体引力相互作用的递加，旋臂逐渐缩短，以至于消失，向外发射的能量和向内的引力互相抵消。因此，作为气体球的恒星不再收缩而趋于稳定状态。这就是恒星“氢燃烧”时期，也是恒星生命中最长的“主序星”阶段。我们的“太阳”为典型的“主序星”。它的数学模型如图2‐2‐6所示。

像太阳这样的主序是，大部分物质为高温等离子体，正负电荷几乎相等，整体上呈中性。电磁力起主要作用。在其内部，电子和离子集体振动，即所谓“太阳对流层”，厚约15万公里。层内的氢不断电离，破坏液体静力学平衡，引起气体上升或下降，于是产生对流，对流又引起不均匀的各向异性的湍流，又由于太阳在整体上的较差自转，所以又会在对流星的湍流场上引起叠加其上的大尺度环流。图2‐2‐6说明了这些。

主序星最终将把处于温度高到足以引起核反应的中心区域的氢燃烧殆尽（太阳经历的时间约100亿年，现在已过去50亿年），烧尽了氢的恒星，平衡态被打破而向中心坍缩。到了最后，恒星被挤压成一个高密度的小团，其引力极强，甚至连光线也无法逸出，这就是所谓的黑洞（见图2‐2‐7）。

图2‐2‐7

以上说的恒星的起源，也许是讲第一代恒星，因为亨贝斯特所提到的物质是氢、氦和少量其他元素组成的稀薄的混合物而没有提到金属发射物质。

理论认为第一代恒星的产生是137亿年前大爆炸、两亿年后形成的，这种恒星的化学成分单一，只有大爆炸产生的氢、氦和极少量的锂、铍、硼。但是迄今为止，还没有探测到第一代恒星。

在《10000个科学难题·物理学卷》第221页，载有《宇宙第一代恒星》文章。而就本文的主题来说，要害在于引力型旋涡型动力机制，如果没有这种动力机制就不可能在大爆炸后产生恒星，因此也就派生出另一个问题，那就是旋涡这种自然现象到底怎么理解才好？

也是《10000年科学难题·物理学卷》上载有《什么是湍流世纪难题》一文。这篇论文作者是北京大学工学院湍源与复杂系统研究国家重点实验室余振苏教授，全文长达近15000字。这篇文章的第一幅插图是五百年前艺术家达·芬奇对水流运动中包含大小旋涡的刻画，说明众多志士仁人对这种自然现象的无限深情而加以研究，所想作出的答案是“湍流的本质”。

同样的这一“本质”问题，在［英］彼得·柯文尼－罗杰海菲尔德合著的《时间之箭》一书第202页，讲到茹厄勒（David Ruelle）和拓肯斯（Floris Takens）在巴黎附近的高级科学研究院工作，他们的论文题目是“关于湍流的本质”。

之所以要写这样题目的文章，背景是因为考虑到化学钟里形成的螺旋波与心脏病发作时的波动，原始粘菌、旋涡星系，飓风等之间大有相似之处（见图2‐2‐8）。

图2‐2‐8

而当他们两人合作的论文《湍流的本质》发表时的提要短得惊人：“本文提出耗散式系统中产生湍流及其有关现象的一个机制。”而论文本身却是密密层层的高级数学。两位作者想理解的是，例如当你把水龙头大大打开时，初始平滑的流动如何转变成本质复杂的湍流。可是他们结论的应用范围远远超过这些例子，出现的是一个怪兽，叫“奇异吸引子”。

彭加勒的吸引子——茹厄勒和拓肯斯的奇异吸引子——洛仑兹方程——费根鲍姆混沌吸引子的概念发展象征还原论的终结。

但又为什么可以称《洛书》的动力机制是旋涡型的动力机制呢？因为图2‐2‐8中的数值表示1－2－3－4为旋松（外旋）反之，表示为4－3－2－1则表示为旋紧（内旋），前者为反引力（斥力）后者为引力。

康德（Immanuel Kant）曾委婉地批评牛顿“对于斥力没有像对引力那样说得那么清楚”。而恩格斯则明确地作出这样的论述：“吸引和排斥像正和负一样是不可分的。”“只以吸引为基础的物质理论是错误的，不充分的，片面的。”^[2]

真实的带有旋涡的天象如图2‐2‐9所示。

图2‐2‐9

地球的大气如图2‐2‐10所示。

图2‐2‐10

这就似可说明：《洛书》式的动力机制是可以用来说明这种天象的：自然是数学设计的，一点也不错，是一种自然自组织的表现。

看到上面两张自然现象图，就要想到中国古代数学“3²＋4²＋5²＝50”的所谓大衍之数所推演出来的动态勾股定理及其旋涡形的数学形式，如图2‐2‐11所示。

图2‐2‐11

本图的数学基础为动态的勾股定理，如图2‐2‐12所示。

图2‐2‐12

上图仅是这里的弦五一项，银河系模型如图2‐2‐13所示。

图2‐2‐13

根据动态勾股定理作DNA数字之流如图2‐2‐14所示。

根据以上论述，似可认为宇宙是有方向的，它的例证为：2002年美国罗切斯特大学的博格·诺兰德和堪萨斯大学的约翰·罗尔斯顿对遥远的星系发出的无线电波的偏振所作出的分析表明，宇宙很有可能具有特定的方向性，具体表现在，有一种很特别的螺旋形环绕，天空中的星系沿着一个特定的方向分布，从地球环上看，这种转动轴一端通向Sextans星座，一端通向鹫星座，地球处于它俩的中心部位。从A处星系发出的无线电波的偏振，沿着这条轴水平螺旋状排列，而来自B星系的偏振则沿着几乎垂直的方向分布，如图2‐2‐15所示。

图2‐2‐14

图2‐2‐15

如果这样，我们前面所讨论的《洛书》观照下的宇宙创生模型中有一个描述黑洞—白洞的太极图是有理的。它说明热大爆炸不是粉碎性的而是作螺线形的高能喷射。

如果这样，似可认为：1964年所获得的均质各向同性的背景辐射虽然有力地支持了热大爆炸模型，但也引人深思这种背景也可能是宇宙内部多极世界的“和声”。因为在1992年的信息也曾说过背景辐射呈方向性，且具波动性。这无疑是对大爆炸论的一次挑战。

回顾1961年发现类星体（编号3C273）其亮度超过1000个银河系，其寿命有1000万年，所以稳恒态理论于1994年推出了《对大爆炸论的挑战》（J．Nailikar）文中就这样写道：“……直到发现类星体……才有了疑问，因为这些现象在说明爆炸正在进行。”

至此，说到星系的演化，笔者认为是旋紧，属于内旋，如图2‐2‐16所示。

图2‐2‐16

回头再讲到茹厄勤和拓肯斯的湍流本质的文章中提到的一个奇异吸引子概念，却早已隐含在麻省理工学院气象教授洛仑兹（EdwordLorenz）的一篇论文中。论文的基本精神是最微小的事件会引起巨大的后果，用中国的理念讲，就是“差之毫厘，失之千里”。于是有所谓“蝴蝶效应”之说——亚马逊河森林里一只蝴蝶抖一下翅膀就会引发西印度群岛的一场狂风暴雨。

在这样的思维推动下，于是产生了混沌论，如图2‐2‐17所示。

图2‐2‐17

谁会料到这张旨在描述初始条件极端敏感性的几何图形的顶级科学家超越时空的神思，在不知不觉中飞临中国《周易》的上空前来寻祖认宗，如图2‐2‐18所示。

图2‐2‐18

我们知道，接踵而起的M．费根鲍姆（Mitchell Feigenbaum）的混沌创生方案叫周期倍化级联，也在不知不觉中在这里接轨。

还有，普里戈津（I．Prigogine）自组织理论中的化学钟——黑白乒乓球，在这里亮相，甚至弦论中汹涌的量子泡沫也在这里参展，如图2‐2‐19所示。

图2‐2‐19

【注释】

[1]［德］康德著，全增嘏译：《宇宙发展史概论》，上海世纪出版集团，上海译文出版社，2001年。

[2]马克思、恩格斯著，中共中央马克思、恩格斯、列宁、斯大林著作编译局译：《马克思恩格斯全集》（第20卷），2001年，第586－587页。