【中華百科全書●科學●天體力學】

楊籍富

【中華百科全書●科學●天體力學】

 

天體力學乃研究天體之運動及其交互作用之學。

 

所謂天體乃泛指宇宙中所有星雲、星球、行星及衛星。

 

地球為太陽之一行星，太陽乃銀河星雲中之典型星球。

 

太陽系中之九行星（依其與太陽之距離由內向外依次為水星、金星、地球、火星、小行星群、木星、土星、天王星、海王星及冥王星）及小行星群因受太陽之強大萬有引力作用，乃環繞太陽在同一平面上作橢圓運動，而以太陽為一焦點。

 

此軌道平面曰黃道面。

 

星雲中之星球，因受彼此萬有引力之作用，故能形成穩定之星雲整體。

 

因星雲中有千億星球，故星球在星雲中之運動，以及星雲之構造與性質，較為複雜。

 

太陽系之構造由哥白尼首先提出，經加利略、刻卜勒等之努力乃由觀測結果發現行星運動定律：一、所有行星皆在同一黃道面內繞日作橢圓運動而以太陽為一焦點，二、在相同時間內，行星與太陽之連心線，沿橢圓軌道掃過相等面積，三、行星運動平方與橢圓半主軸之立方成正比。

 

為欲瞭解天體運動之普遍法則及刻卜勒行星運動定律，牛頓乃總集大成，一舉創立牛頓三大定律，復發現萬有引力定律及微積分學，至此，力學與天體力學乃告創立。

 

宇宙中之物體小如原子、分子，大如星球、星雲，均有一定結構。

 

由此可知粒子與粒子間必有作用力存在。

 

因受作用力之影響，粒子之運動受到限制，因而產生秩序與結構。

 

結構與作用力互相印證對方之存在。

 

由結構之差異可推測宇宙中必有數種不同之作用力。

 

現在已發現四種不同作用力，按強度之大小，依次為強作用力，電磁力，弱作用力及萬有引力，而以萬有引力之強度最弱。

 

一般言之，強作用力決定之結構，範圍窄小，弱作用力決定之結構，規模廣大。

 

自然界中之四種不同作用力，各有其所司之特別範圍。

 

強作用力決定原子核之結構，但對於原子結構與太陽系結構，並無直接顯著影響。

 

電磁作用力決定原子與分子結構，對晶態固體與氣態電漿亦有決定性影響，但與原子核構造無關。

 

星球之運動及星雲之結構，係由萬有引力所決定，但原子、分子、及原子核之小規模結構，則不受萬有引力影響。

 

宇宙中一切物體與具有質量之粒子，皆能產生萬有引力而彼此互相吸引，其大小與兩體質量之積成正比，而與距離之平方成反比。

 

換言之，兩體之質量愈大，彼此吸力愈大，而兩體距離愈遠，則吸力愈小，但不論距離如何遙遠，彼此間之萬有引力，決不可能完全消失，亦即所謂長程力。

 

萬有引力之強度，雖極微弱，惟天體之質量均甚龐大，故就天體力學之觀點言之，乃宇宙中最重要之力。

 

由於萬有引力之作用，宇宙始能由混亂之大霹靂中，發展成今日之大千世界（參閱宇宙論條），諸如螺旋星雲、橢圓星雲、及太陽系等結構，皆由萬有引力之作用而產生。

 

正由於萬有引力之強度極其微弱，乃能長存於寰宇，因而改變宇宙整體之結構。

 

綜上所說，自然界中之四種作用力，以萬有引力對天體運動之影響最大，故天體力學之主題，乃以萬有引力定律與牛頓力學為基礎，而研討天體之運動、交互作用與其結構。

 

就天體力學之發展史觀之，古典天體力學，原以太陽系之結構，行星、衛星、及慧星之運動，為主要研究對象。

 

時至今日，太陽系之天體力學，可謂已發展達於極致。

 

人造衛星之利用與登陸月球，可為明證。

 

天文物理學家乃轉而研究星球在星雲內之運動及星雲之運動與結構。

 

在研究太陽系中行星繞日之運動時，因太陽之質量遠大於任何行星，故太陽為力量之中心，而太陽吸引行星之萬有引力為連心力。

 

太陽為銀河星雲中之一典型星球，而銀河中之千億星球，其質量均與太陽相差有限，是以星球在星雲內之運動，彼此間之相互作用力雖為萬有引力，但並無固定之力量中心，故非簡單明確之連心力。

 

星球在星雲內之運動，乃一複雜之多體問題。

 

星雲中所有星球，在彼此萬有引力之交互作用下，共同產生一力場，稱為萬有引力自恰場。

 

任一星球之運動，為此自恰場所決定。

 

因星雲內有千億星球，各別星球之運動，即使能決定，亦無法顯示星雲整體之特徵。

 

故現代天體力學乃以牛頓力學與統計力學之方法以研究星雲之結構與特性。

 

此種統計方法與氣體動力論中之方法大致相同。

 

星球在星雲內之運動猶如氣體中之分子。

 

在氣體動力論中，必須考慮分子之兩體碰撞，惟星球碰撞之機會較少，故可忽略。

 

星雲形態計有；

 

橢圓星雲、螺旋星雲、門閂星雲、及不規則星雲，且各形星雲皆能自轉。

 

星雲何以能維持穩定之形態，歷久不變，為天體力學及星雲物理中一重大問題。

 

利用前述之統計物理學方法，此問題已獲得相當合理之解答。

 

簡言之，星球在星雲整體萬有引力自恰場內之運動乃係波動，稱為密度波（DensityWaveTheory）。

 

此種密度波之性質，與熱電漿中之靜電波，頗為相似。

 

因星球在星雲內之集體運動，乃係波動，故星雲雖在轉動，而仍能維持穩定之形態，不致散亂。

 

利用此種密度波理論，以探討星球在星雲內之運動，以及星雲之結構與演進，為天體力學之最新發展，茲不贅述。

 

（鄒志剛）

 

引用：http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=4865