宇宙中会存在一种双星运动永久持续下去吗？如果会的话算不算是永动机的一种？
宇宙中双星系统能否永久持续运行，这个问题非常有意思，也触及到了我们对宇宙基本规律的理解。要解答这个问题，咱们得从头梳理一下。
首先，什么是双星运动？简单说，就是两颗恒星围绕它们共同的质心（center of mass）进行相互绕转。质量大的恒星绕转的范围小，质量小的恒星绕转的范围大，但它们是同步的。这个运动看上去就像是舞蹈，在无尽的宇宙空间中翩翩起舞。
那么，这种运动会永远持续下去吗？答案是：在理想情况下，是的；但在现实宇宙中，几乎不可能永远持续下去。
为什么是理想情况下的“是”？
这里面涉及到几个核心的物理概念：
角动量守恒（Conservation of Angular Momentum）: 这是牛顿力学中最基本的原理之一。在一个孤立的系统中（不受外力影响），总的角动量是恒定的。双星系统，在忽略外部干扰的情况下，就是一个相对孤立的系统。两颗恒星的质量、它们之间的距离、以及它们各自的速度，共同决定了系统的总角动量。只要没有外部力量介入（比如另一颗恒星的引力干扰、星际气体阻力等），这个总角动量就不会改变。这意味着，只要它们在按照一定的轨道运行，这种运动模式就会保持下去，不会因为“耗尽能量”而停止。
万有引力（Universal Gravitation）: 恒星之间的引力是驱动它们相互绕转的动力。这个引力是持续存在的，只要恒星还存在，引力就不会消失。引力提供了让它们维持在轨道上运动所需的向心力。
如果按照这些物理原理推演，双星系统似乎可以无限地运动下去，这听起来有点像永动机，对吧？
然而，为什么说“在现实宇宙中，几乎不可能永远持续下去”呢？
因为宇宙并非一个完美的、不受干扰的“孤立系统”。现实宇宙中存在着许多“破坏者”：
1. 引力扰动（Gravitational Perturbations）:
其他恒星的引力: 宇宙中并非只有两颗恒星。大部分恒星都存在于星系中，星系中有数千亿颗恒星。即使是那些看似孤立的双星系统，也会受到附近恒星的引力轻微影响。这些影响可能会随着时间累积，导致双星轨道的微小变化，甚至在极长的时间尺度上，可能导致系统解体。
行星的引力: 如果双星系统拥有行星，行星的引力也会对双星的轨道产生扰动。
星际介质的阻力（Drag from Interstellar Medium）: 尽管宇宙空间非常空旷，但并非绝对真空。星际空间弥漫着稀薄的气体和尘埃。双星系统在穿过这些物质时，会受到微小的阻力。虽然这种阻力非常非常小，但随着时间的推移（以亿年甚至十亿年为单位），它会逐渐消耗系统的能量，使得恒星之间的距离缓慢缩短，最终可能导致碰撞。
2. 潮汐力（Tidal Forces）:
两颗恒星之间的潮汐力会引起它们内部物质的变形，并将一部分角动量转移到轨道运动上。这就像地球和月球之间的潮汐力导致月球逐渐远离地球一样，双星之间的潮汐力也会缓慢地改变它们的轨道。
如果两颗恒星的距离非常近，潮汐力会变得非常强大，甚至可能导致其中一颗恒星被另一颗撕裂（潮汐瓦解）。
3. 恒星演化（Stellar Evolution）:
恒星不是永恒的。它们会经历生命周期，燃烧核燃料，最终发生演化。例如，一些恒星会膨胀成红巨星，如果它们的轨道足够近，红巨星的膨胀可能会吞噬另一颗伴星，或者大幅改变它们的轨道。
恒星死亡时可能发生的事件，如超新星爆发，也会对双星系统产生剧烈的扰动，甚至可能将其中一颗恒星炸飞，或者导致系统的完全解体。
4. 能量损失（Loss of Energy）:
虽然角动量守恒，但能量并非完全守恒（从广义相对论角度来看，能量在宇宙大尺度上并非绝对守恒）。在特定的过程中，能量会以引力波（gravitational waves）的形式辐射出去，尤其是在恒星质量巨大且轨道非常靠近时。引力波会带走系统的角动量和能量，导致轨道收缩。
那么，这算不算是永动机？
从严格的物理定义上来说，双星运动不算是永动机。
永动机的概念通常是指一种设备，它能够在不消耗任何外部能量的情况下，持续不断地做功，甚至产生净能量输出。历史上，人们曾设想过各种永动机，但它们都被证明违背了热力学定律（尤其是第一和第二定律）：
第一类永动机： 违背能量守恒定律，声称能“无中生有”地产生能量。
第二类永动机： 违背热力学第二定律，声称能将热能百分之百转化为功，或者在一个过程中从单一热源吸热并将其完全转化为功。
双星系统虽然在理想状态下可以无限运行，但它们并不是在“做功”。它们的运动是自然规律的体现，是天体在引力作用下的相互作用。它们不像一个机械装置那样，通过某种巧妙的设计来持续地提供动力。
更重要的是，正如我们上面分析的，现实宇宙中的双星系统会受到各种因素的影响而发生演化，最终可能导致系统的终止（碰撞、解体等）。这种“终结性”使得它们与永动机的“永不停止”的设想相悖。
总结一下：
在没有外部干扰的理想物理模型下，双星系统因为角动量守恒，可以维持长久而稳定的运动。但放到浩瀚且动态的宇宙现实中，由于星际介质的阻力、其他天体的引力扰动、潮汐力的作用以及恒星自身的演化，几乎所有的双星系统都无法真正做到“永久”持续下去。
所以，双星运动是宇宙中最普遍、最稳定的运动形式之一，但它不是永动机。它展现的是自然法则的优雅与宏大，也揭示了宇宙万物皆有其生命周期和演化路径的深刻道理。它们就像宇宙中的舞者，虽然有些舞步可以重复亿万次，但最终也逃不过时间与环境的变迁。
首先，什么是双星运动？简单说，就是两颗恒星围绕它们共同的质心（center of mass）进行相互绕转。质量大的恒星绕转的范围小，质量小的恒星绕转的范围大，但它们是同步的。这个运动看上去就像是舞蹈，在无尽的宇宙空间中翩翩起舞。
那么，这种运动会永远持续下去吗？答案是：在理想情况下，是的；但在现实宇宙中，几乎不可能永远持续下去。
为什么是理想情况下的“是”？
这里面涉及到几个核心的物理概念：
角动量守恒（Conservation of Angular Momentum）: 这是牛顿力学中最基本的原理之一。在一个孤立的系统中（不受外力影响），总的角动量是恒定的。双星系统，在忽略外部干扰的情况下，就是一个相对孤立的系统。两颗恒星的质量、它们之间的距离、以及它们各自的速度，共同决定了系统的总角动量。只要没有外部力量介入（比如另一颗恒星的引力干扰、星际气体阻力等），这个总角动量就不会改变。这意味着，只要它们在按照一定的轨道运行，这种运动模式就会保持下去，不会因为“耗尽能量”而停止。
万有引力（Universal Gravitation）: 恒星之间的引力是驱动它们相互绕转的动力。这个引力是持续存在的，只要恒星还存在，引力就不会消失。引力提供了让它们维持在轨道上运动所需的向心力。
如果按照这些物理原理推演，双星系统似乎可以无限地运动下去，这听起来有点像永动机，对吧？
然而，为什么说“在现实宇宙中，几乎不可能永远持续下去”呢？
因为宇宙并非一个完美的、不受干扰的“孤立系统”。现实宇宙中存在着许多“破坏者”：
1. 引力扰动（Gravitational Perturbations）:
其他恒星的引力: 宇宙中并非只有两颗恒星。大部分恒星都存在于星系中，星系中有数千亿颗恒星。即使是那些看似孤立的双星系统，也会受到附近恒星的引力轻微影响。这些影响可能会随着时间累积，导致双星轨道的微小变化，甚至在极长的时间尺度上，可能导致系统解体。
行星的引力: 如果双星系统拥有行星，行星的引力也会对双星的轨道产生扰动。
星际介质的阻力（Drag from Interstellar Medium）: 尽管宇宙空间非常空旷，但并非绝对真空。星际空间弥漫着稀薄的气体和尘埃。双星系统在穿过这些物质时，会受到微小的阻力。虽然这种阻力非常非常小，但随着时间的推移（以亿年甚至十亿年为单位），它会逐渐消耗系统的能量，使得恒星之间的距离缓慢缩短，最终可能导致碰撞。
2. 潮汐力（Tidal Forces）:
两颗恒星之间的潮汐力会引起它们内部物质的变形，并将一部分角动量转移到轨道运动上。这就像地球和月球之间的潮汐力导致月球逐渐远离地球一样，双星之间的潮汐力也会缓慢地改变它们的轨道。
如果两颗恒星的距离非常近，潮汐力会变得非常强大，甚至可能导致其中一颗恒星被另一颗撕裂（潮汐瓦解）。
3. 恒星演化（Stellar Evolution）:
恒星不是永恒的。它们会经历生命周期，燃烧核燃料，最终发生演化。例如，一些恒星会膨胀成红巨星，如果它们的轨道足够近，红巨星的膨胀可能会吞噬另一颗伴星，或者大幅改变它们的轨道。
恒星死亡时可能发生的事件，如超新星爆发，也会对双星系统产生剧烈的扰动，甚至可能将其中一颗恒星炸飞，或者导致系统的完全解体。
4. 能量损失（Loss of Energy）:
虽然角动量守恒，但能量并非完全守恒（从广义相对论角度来看，能量在宇宙大尺度上并非绝对守恒）。在特定的过程中，能量会以引力波（gravitational waves）的形式辐射出去，尤其是在恒星质量巨大且轨道非常靠近时。引力波会带走系统的角动量和能量，导致轨道收缩。
那么，这算不算是永动机？
从严格的物理定义上来说，双星运动不算是永动机。
永动机的概念通常是指一种设备，它能够在不消耗任何外部能量的情况下，持续不断地做功，甚至产生净能量输出。历史上，人们曾设想过各种永动机，但它们都被证明违背了热力学定律（尤其是第一和第二定律）：
第一类永动机： 违背能量守恒定律，声称能“无中生有”地产生能量。
第二类永动机： 违背热力学第二定律，声称能将热能百分之百转化为功，或者在一个过程中从单一热源吸热并将其完全转化为功。
双星系统虽然在理想状态下可以无限运行，但它们并不是在“做功”。它们的运动是自然规律的体现，是天体在引力作用下的相互作用。它们不像一个机械装置那样，通过某种巧妙的设计来持续地提供动力。
更重要的是，正如我们上面分析的，现实宇宙中的双星系统会受到各种因素的影响而发生演化，最终可能导致系统的终止（碰撞、解体等）。这种“终结性”使得它们与永动机的“永不停止”的设想相悖。
总结一下：
在没有外部干扰的理想物理模型下，双星系统因为角动量守恒，可以维持长久而稳定的运动。但放到浩瀚且动态的宇宙现实中，由于星际介质的阻力、其他天体的引力扰动、潮汐力的作用以及恒星自身的演化，几乎所有的双星系统都无法真正做到“永久”持续下去。
所以，双星运动是宇宙中最普遍、最稳定的运动形式之一，但它不是永动机。它展现的是自然法则的优雅与宏大，也揭示了宇宙万物皆有其生命周期和演化路径的深刻道理。它们就像宇宙中的舞者，虽然有些舞步可以重复亿万次，但最终也逃不过时间与环境的变迁。
网友意见
按照目前的认识，组成所谓双星的天体本身不能永久存在。在那之前，永动机的定义是可以不依靠外界能量源、永远对外做功的机器，或只靠一个热源·不引起其它变化地永远对外做功的机器，而不是“永远运动的物体”，“稳定的双星运动”根本就沾不到永动机的边。
组成双星的天体会受到来自星际介质的阻力，并在引力辐射下缓慢地流失能量、一点点互相接近。恒星会以恒星风和热辐射不断损失质能。
按照目前对恒星演化过程的认识，质量较大的恒星数千万年就会自己爆炸，超新星爆发可以结束双星状态。低质量的恒星可以存在数千亿、上万亿年，但最终会熄灭，留下的白矮星会逐渐散失热量、变成黑矮星。
银河系中所有的恒星的轨道会随着时间流逝一点点趋于掉进银河系中心黑洞或被甩出银河系，目前看来在 10^33 年后银河系就不会有任何恒星剩下了。
计算显示，如果一直没有被黑洞摧毁，在量子隧穿的作用下，黑矮星于 10^1100 年到 10^32000 年后会最终爆炸解体[1]。中子星比这要更不稳定，估计的解体时间可以早到 10^77 年。
参考
- ^ https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/497/4/4357/5884975?redirectedFrom=fulltext
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