旋涡论

第1章 以实例证明宇宙间旋涡皆相似
第1节 迷人的旋涡
静静凝视河面的人,常常会为一个突然出现的旋涡而兴奋不已。即使是在复杂的河道
中,水面的旋涡也能持续相当长的时间。如果你再仔细观察这些旋涡的形状,你一定会被
它和飓风、气旋、星系,以及水池中肥皂泡沫,这些自生的图像之间的相似性所吸引。然
而,你也许会不经意地好奇并疑惑,它们真的相似吗? 难道自然真的在跨度如此巨大的尺
度上,无声地呐喊着它的相似性吗? 这个旋涡结构是什么? 它是因为什么原因而生成的?
人们何以还没有理解它?
回答这一连串的惊问当然面对着巨大的困难,要不然,如此明显的直观相似性背后的
原因也不会到现在还没有被清晰地揭示过。然而回答这些问题,当然也面向着巨大的学术
进步,它将把我们目力所及的自然世界的构造过程,展示得一览无余。至少,回答它们,
将让我们理解这个自然世界中为普遍的运动,以及它那大善大美的结构———旋涡。
学术以实践为归宿,实践以实证为开端。那么首先就让我们来展示实证,然后再将这
些实证背后的原因一一探求。我们发现,这些旋涡的几何结构,可以用大简大易的旋涡螺
线rφ=1来表示。其中r和φ分别是极坐标中的极径和极角。
第2节 旋涡星系是旋涡螺线rφ=1
我们就从目力所及远处的旋涡星系开始,梳理我们的实证。在宇宙中,旋涡星系被
认为多得像海边沙滩上的沙子,整个宇宙就是以它们为基本单位构成的。因此,在它们的
结构中验证这条旋涡螺线,就是在宇宙的基本单元上验证它。
如果从天文学家哈勃 (1889—1953)在星系天文学方面的开创性工作算起,人们对银

河系以外星系的研究,仅有差不多100年的历史。在古老的天文学面前,这是一门处于发
展初期的学问。然而,这门细致地研究星系结构的天文学新专业,刚一诞生,它就要颠覆
西方自古希腊传下来的延续了数千年的天文和物理知识。据这门新专业的报告,我们应该
在旋涡星系的旋臂中发现暗物质,在旋涡中心发现黑洞,在星系之间发现暗能量,还有引
力波、虫洞,以及宇宙以超过光速膨胀等,几乎所有匪夷所思的东西,都能从旋涡星系中
涌出来。但如果有人轻轻地问一句,旋涡星系的几何结构是什么? 它们是不是都一样? 是
不是都具有可比性? 世界起初一下子安静了,因为没有人知道答案,然后又突然人声鼎
沸,因为每个人都大声喊出自己的看法。你看,除了不知道这个东西是什么之外,星系天
文学家已经知道了这个东西的其他几乎一切,多么了不起的成就。
将旋涡螺线rφ=1叠加在如图1.1所示的多个旋涡星系的图像上,高度的重合明确地
支持旋涡星系的结构应该就是这条旋涡螺线。图1.1a所示是壮观的天线星系,它于1785
年被威廉·赫歇尔 (William Herschel)发现。不过那时只能说发现了天空中一个星表上
从未记录过的亮点。它的图像照片,其实所有的星系的高分辨率照片,都是1990年4月
的哈勃太空望远镜,及其此后其他太空望远镜发射以后才得到的。天线星系位于乌鸦星
座,与地球间的距离是0.62亿光年。这张图像是由钱德拉X射线天文望远镜 (TheChandraX-rayTelescope)、哈勃望远镜 (HubbleTelescope)和斯皮策望远镜 (SpitzerSpace
Telescope)拍摄的图像合成的。天线星系之所以得到这个名称,因为它长长的旋臂结构
看起来像天线。它的学名叫 NGC4038/NGC4039,人们认为它具有两颗星系之间碰撞的
特征。但是,从图中和照片重合的旋涡螺线rφ=1来看,它的结构无疑是整齐的和有规
矩的。
位于双鱼座的旋涡星系 M74 (图1.1b),绰号幻影星系,距地球约3200万光年。它
于1780年为法国天文学家PierreMéchain所发现。它有两条清晰明确的旋臂,而且它具
有正面朝向地球的姿态,因此常常被当作是旋涡星系的典型例子。事实上 M74也不负众
望,表现出令人眩晕的复杂性,在它的内部已经发现了三颗超新星。另外,2005年3月
22日,钱德拉X射线天文台宣布在 M74中发现了超亮的X射线源,放射了超过两个小时
的中子星辐射,科学家由此猜测,M74内含有一个相当于10000个太阳质量的黑洞。然
而,虽然这些神秘的天文事件背后的原因还尚未揭晓,但我们已经看到,那发生了这些神
秘事件的两条作为 “榜样生”的旋臂,它的结构和旋涡螺线rφ=1高度重合。
图1.1c所示的NGC1097是一个中心有旋棒的旋涡星系,位于距地球4500万光年的天
炉座。它是威廉·赫歇尔于1790年10月9日首次发现的。图中所示是斯皮策望远镜在红外
波段拍摄的照片。NGC1097被认为与其伴星系NGC1097A之间有很强的相互作用,而且自
1992年以来,在NGC1097中观测到三颗超新星。但是正如你所见,它的两条旋臂与旋涡螺
线rφ=1高度重合,似乎根本没有受到这些相互作用,以及超新星事件的任何影响。
图1.1d所示的是 M51星系,它也叫作涡流星系 (WhirlpoolGalaxy)。它位于猎犬
座,距地球3100万光年,于1773年10月13日为查尔斯·梅西耶所发现。据说即使业余
天文学家,也很容易用双筒望远镜看到它和它的伴星 NGC5195 (左侧,也叫 M51B)。这
张图像是2005年1月,在哈勃太空望远镜上,使用高级巡天相机拍摄的。M51是天文学
家的宠儿。它正面朝向地球的姿态,以及靠近地球的距离,使得天文学家可以借它来研究

典型的旋涡星系的结构,以及其中恒星的形成过程。然而与前面提到的 “榜样生”M74一
根旋涡螺线通到底的旋臂不同,M51的两条旋臂中,每一条都出现了比较明显的急剧弯
折,以致需要用两段旋涡螺线rφ=1接在一起来拟合。比较 M74和 M51,尤其是注意
M51的旋臂出现弯折的特征,可能会揭示出许多关于星系旋臂形成的秘密。
图1.1 孤立旋涡星系的结构与旋涡螺线rφ=1一致
a.天线星系;b.M74;c.NGC1097;d.M51;e.NGC4622;f.M101或 NGC5457。原图版权所有:NASA
图1.1e是一个比较新的旋涡星系 NGC4622的图像。这张照片是2002年2月7日在
哈勃望远镜网站上发布的。美国航空航天局 (NASA)网站介绍这位漂亮的、正脸朝向地
球的旋涡星系时,言语中充满了爱: “在搅拌早晨的一杯咖啡并思考宇宙时,许多天文学
家会瞥一眼这个哈勃太空望远镜的螺旋星系 NGC4622的图像,并假设星系在图片中逆时
针旋转。位于距离地球一亿多光年远的半人马座星座,NGC4622华丽的外旋臂,由明亮
的蓝色星团和黑暗的尘埃带描绘,应该像……噢! 像一杯咖啡中的漩涡一样。”但是
NGC4622可不是一杯普通的咖啡,也不是一个普通的旋涡星系。事实上天文学家对它感
到惊讶,因为它的旋臂的旋转方向与众不同,正在朝着与天文学家预期相反的方向旋转。

是什么原因导致这个星系的运动方向与大多数星系不同? 天文学家怀疑这是 NGC4622与
另一个星系相互作用的结果。但是,我们已经清晰地看出,这个星系的两个旋臂与所有的
旋涡星系没有差异,也精确符合旋涡螺线rφ=1。这个新发现可能为天文学家理解这个星
系的怪异旋转提供新的线索。
图1.1f所示的,是具有三条旋臂的星系,它叫风车星系 (也称为 Messier101,M101
或NGC5457),位于大熊星座中,距离地球约2100万光年。它是1781年3月27日由PierreMéchain发现的。它也有脸朝地球的姿态,因此可以被长时间的凝望并曝光。图中的
照片据哈勃望远镜网站介绍,是迄今为止从哈勃望远镜发布的旋涡星系中、详细的
照片。从这张高精度的照片上,任何一位图像学专家都会同意,风车星系的三条旋臂结
构,无一例外地能被旋涡螺线rφ=1精确拟合。
我们接下来仔细端详孕育了太阳系及其生命的银河系的结构 (图1.2a)。据估计,银
河系是由大约1000亿颗恒星组成的。我们在夜间肉眼所见的绝大多数闪烁的星光,都是
银河系内的恒星发出来的。以前认为,这些恒星形成了一个直径约为10万光年的银河系
大圆盘,但是根据2018年 M.López-Corredoira等人发表在 《天文学和天体物理学》上的
观测结果,以及由2015年,美国伦斯勒理工学院教授 HeidiJoNewberg领导的国际团队,
对斯隆数字巡天的天文数据,进行重新审视得出的结果,银河系的直径应该有15万到20
万光年。我们的太阳处在距离银河系中心25000-28000光年的地方 (7.7-8.6kpc)。与
太阳系中的行星运动相似,太阳绕银河系中心以230公里/秒的速度旋转着。也正是因为
我们的太阳系身处银河系之内的原因,与以上这些星系照片不同的是,我们无法用照相机
看到银河系的全貌。但是,因为我们现在已经能够精确测量银河系中诸天体的位置,因此我
们可以像绘制地球上山川河流的地图一样,给自己绘制出一张银河系的形貌地图。如图1.2a
所示,就是这样由美国航空航天局制作的银河系图像。首先,银河系有多个旋臂,因此略显
复杂。但是能够清晰辨认的5个旋臂,全部可以用这条旋涡螺线rφ=1准确描述,而不论旋
臂的长度和旋臂之间的距离有多大变化。另外,如同1.1b-1.1f中的星系旋臂一样,银河系
5个旋臂的旋涡中心并不重合,而是分散在银河系中心。

书中关涉中国古代学术的部分,不可避免地使用了 “天人合一”等此类中国古代典籍
中特殊语境下的学术用语,读者宜以与时俱进、融合创新的发展目光来看待这些术语,不
宜对其先入为主地做唯心主义守旧解读。

目 录
绪论:十八世纪以来中国古代学术与西方现代科学的斗争与融合 ………………………… 1
第1卷 自强不息
第1章 以实例证明宇宙间旋涡皆相似 …………………………………………………… 21
第1节 迷人的旋涡 …………………………………………………………………… 21
第2节 旋涡星系是旋涡螺线rφ=1 ………………………………………………… 21
第3节 气旋是旋涡螺线rφ=1 ……………………………………………………… 26
第4节 飓风是旋涡螺线rφ=1 ……………………………………………………… 28
第5节 蜗牛是旋涡螺线rφ=1 ……………………………………………………… 30
第6节 生物形体含有旋涡螺线rφ=1 ……………………………………………… 32
第7节 翼尖涡流的旋涡结构是旋涡螺线rφ=1 …………………………………… 33
第8节 库埃特流和化学振荡的旋涡结构是旋涡螺线rφ=1 ……………………… 34
第9节 泼水而成的弧线是旋涡螺线rφ=1 ………………………………………… 35
第10节 弹簧的自然状态是旋涡螺线rφ=1 ………………………………………… 36
第11节 极光是旋涡螺线rφ=1 ……………………………………………………… 37
第12节 寻找更多的自然旋涡———旋涡螺线rφ=1 ………………………………… 37
第13节 自然界大生、广生的旋涡螺线rφ=1 ……………………………………… 38
第2章 旋涡位于西方学术的中心 ………………………………………………………… 40
第1节 亚里士多德将学术分作三门 ………………………………………………… 40
第2节 处在学术旋涡中心的旋涡定义 ……………………………………………… 41
第3节 古希腊学者关于世界本原的争论 …………………………………………… 42
第4节 古希腊原子论内部关于旋涡和原子的争论 ………………………………… 45

第5节 西方近代学术关于旋涡和原子的争论 ……………………………………… 50
第3章 旋涡位于中国学术的中心 ………………………………………………………… 53
第1节 中国古代学术关切的核心是人 ……………………………………………… 53
第2节 中国古代学术没有神仙上帝 ………………………………………………… 58
第3节 《周易》与旋涡 ………………………………………………………………… 59
第4节 旋涡与中国学术 ……………………………………………………………… 62
第4章 论旋涡惯性运动 …………………………………………………………………… 65
第1节 “唯天地,万物父母;唯人,万物之灵” …………………………………… 65
第2节 形式因和质料因 ……………………………………………………………… 72
第3节 动力因 ………………………………………………………………………… 74
第4节 旋涡的动力因 ………………………………………………………………… 75
第5节 孤立体系 ……………………………………………………………………… 76
第6节 一个混淆了孤立与开放的具体例子 ………………………………………… 77
第7节 孤立体系的形式惯性:旋涡螺线rφ=1 …………………………………… 79
第8节 运动先于数学坐标系而存在 ………………………………………………… 82
第9节 旋涡轨迹 ……………………………………………………………………… 82
第10节 旋涡速度 ……………………………………………………………………… 83
第11节 先与后:威严的秩序 ………………………………………………………… 83
第5章 旋涡的数学分析 …………………………………………………………………… 85
第1节 轨道方程:旋涡螺线rφ=1 ………………………………………………… 85
第2节 速度方程、旋转方程和径向方程 …………………………………………… 90
第3节 一个复杂情况 ………………………………………………………………… 93
第6章 论旋涡的三体分析———以迈克尔逊 莫雷实验为例 ……………………………… 95
第1节 现代科学行业的一个根本实验 ……………………………………………… 95
第2节 迈克尔逊 莫雷实验 …………………………………………………………… 98
第3节 迈克尔逊 莫雷实验发现光速减慢了 ………………………………………… 99
第4节 对光速减慢的新旧解释 ……………………………………………………… 104
第5节 光速垂直改变 ………………………………………………………………… 106
第6节 三体分析和二体分析 ………………………………………………………… 107
第7章 论太阳系旋涡 ……………………………………………………………………… 113
第1节 旧定律和新测量之间的矛盾 ………………………………………………… 113
第2节 地日距离增大 ………………………………………………………………… 114
第3节 从旋涡中推导出开普勒定律 …………………………………………… 115
第4节 从旋涡中推导出开普勒第二定律 …………………………………………… 118
第5节 从旋涡中推导出开普勒第三定律 …………………………………………… 118
第6节 从旋涡中推导出万有引力公式 ……………………………………………… 119
第7节 现代物理理论和太阳系之间的矛盾 ………………………………………… 120
第8章 太阳系旋涡的数学分析 …………………………………………………………… 123

第1节 椭圆基础 ……………………………………………………………………… 123
第2节 从旋涡轨迹rφ=1解出开普勒定律 …………………………………… 125
第3节 从旋涡轨迹rφ=1解出开普勒第二定律 …………………………………… 126
第4节 从旋涡轨迹rφ=1解出开普勒第三定律 …………………………………… 127
第5节 太阳系的原始物质 …………………………………………………………… 129
第6节 从旋涡轨迹rφ=1解出万有引力公式 ……………………………………… 130
第9章 论银河系旋涡 ……………………………………………………………………… 131
第1节 令人困惑的银河系 …………………………………………………………… 131
第2节 牛顿力学在旋涡星系中的困难 ……………………………………………… 134
第3节 “易”的运动学表述 ………………………………………………………… 135
第4节 旋涡星系缠绕问题 …………………………………………………………… 136
第5节 测定银河系中天体速度的方法 ……………………………………………… 137
第6节 旋涡星系旋转问题及角动量问题 …………………………………………… 138
第10章 论近代主要物理理论符合不守恒 ……………………………………………… 143
第1节 “生”必有原因,“活”就是惯性 …………………………………………… 143
第2节 旋涡的直线端、圆周端和旋涡螺线端 …………………………………… 146
第3节 相对论的 “光速不变”和 “同时性”符合角动量不守恒 ………………… 148
第4节 测不准原理符合角动量不守恒 ……………………………………………… 149
第5节 洛仑兹变换符合角动量不守恒 ……………………………………………… 152
第6节 暗物质符合引力理论中的角动量不守恒 …………………………………… 154
第7节 苹果为什么落地 ……………………………………………………………… 157
第8节 地球为什么是圆的 …………………………………………………………… 158
第9节 海潮与月相 …………………………………………………………………… 159
第2卷 厚德载物
第11章 论运动是的 ………………………………………………………………… 163
第1节 我生故我在 …………………………………………………………………… 163
第2节 伽利略惯性是人造的 ………………………………………………………… 166
第3节 经过站台的火车及其运动的相对性和性 ……………………………… 172
第4节 对立是生出来的 ……………………………………………………………… 175
第5节 中间体的诞生:黑白灰原理 ………………………………………………… 178
第6节 伽利略对数学和几何的根本性错误认识 …………………………………… 180
第7节 伽利略对古代学术的断章取义:两个铁球同时落地意味着什么 ………… 187
第8节 相对性运动符合不守恒 ……………………………………………………… 191
第9节 中西方学术的连续与守恒 …………………………………………………… 192
第12章 论运动的三体分析 ……………………………………………………………… 196
第1节 三体分析原理 ………………………………………………………………… 196

第2节 速度不是运动的本质属性 …………………………………………………… 201
第3节 几何点和轨迹点 ……………………………………………………………… 203
第4节 运动的个本质属性:角动量 …………………………………………… 205
第5节 运动的第二个本质属性:矢势 ……………………………………………… 208
第6节 运动和坐标系长度单位的变化 ……………………………………………… 217
第7节 运动的第三个本质属性:场强 ……………………………………………… 224
第8节 旋涡运动与数学是一致的 …………………………………………………… 228
第9节 E和B 是对同一个旋涡运动的不同表述 …………………………………… 231
第10节 旋涡生旋涡:旋之又旋,众妙之门 ……………………………………… 231
第13章 论旋涡在直线轨道上运动———以电子为例 …………………………………… 236
第1节 电磁理论中的B和E 借助相对论才能统一 ……………………………… 236
第2节 全同运动 ……………………………………………………………………… 238
第3节 磁场B和电场E 在旋涡中附属于同一个运动 …………………………… 246
第4节 对比旋涡和电磁场 …………………………………………………………… 248
第5节 原子的稳定性:经典电磁理论无解的困境 ………………………………… 251
第14章 论旋涡在圆周轨道上运动———以电子为例 …………………………………… 253
第1节 旋涡的直线和圆周部分 ……………………………………………………… 253
第2节 在圆周轨道上运动的电子 …………………………………………………… 254
第3节 原子磁体的进动 ……………………………………………………………… 257
第4节 物质的磁性 …………………………………………………………………… 260
第5节 拉莫尔定律 …………………………………………………………………… 261
第6节 洛仑兹力失败的例子 ………………………………………………………… 262
第7节 斯特恩 格拉赫实验证实电子是旋涡 ……………………………………… 265
第8节 泡利不相容原理的旋涡本质 ………………………………………………… 271
第15章 论光子旋涡 ……………………………………………………………………… 274
第1节 对光的初步感觉 ……………………………………………………………… 274
第2节 对光的初步认识 ……………………………………………………………… 276
第3节 旋涡论中的粒子和波 ………………………………………………………… 279
第4节 对光线弯曲的争论 …………………………………………………………… 279
第5节 旋涡赝力 ……………………………………………………………………… 285
第6节 旋涡引起光的折射 …………………………………………………………… 288
第7节 光不可能永生 ………………………………………………………………… 295
第16章 论旋涡中央喷流 ………………………………………………………………… 298
第1节 等差数列与纳米结构 ………………………………………………………… 298
第2节 等差数列与星系中央喷流 …………………………………………………… 302
第3节 物质从旋涡中央垂直喷发 …………………………………………………… 302
第4节 质料守恒的三体分析 ………………………………………………………… 304
第5节 纳米结构和旋涡星系的共同点 ……………………………………………… 310

第6节 洗手池为什么生出旋涡 ……………………………………………………… 315
附录 运动轨迹的几何元素 ………………………………………………………………… 317
参考文献 ……………………………………………………………………………………… 320
后记 …………………………………………………………………………………………… 323