天體的旋轉依靠慣性,那麼最初是什麼推動天體旋轉的?

2020-12-08 優美生態環境保衛者

我們在觀察宇宙天體的運行時,發現它們都有著兩種基本的運動狀態,即自轉和公轉。按照牛頓力學定律,當一個物體在沒有受到任何外力或者外力的合力為零時,這個物體就將保持續原有的靜止或者勻速運動狀態,這個規律也被稱為慣性定律。在茫茫宇宙中,一個天體不可能不受到引力的作用,因此維持它運動的原因就要歸功於所受到的外力合力為零。那麼,天體旋轉最初的能量來源是什麼呢?

我們在日常生活中經常可以體會到慣性作用的例子,比如坐在車裡急剎車身體會前傾、在水泥地上彈玻璃球可以彈出很遠、在冰面上玩陀螺能夠持續很長時間等等,但這些例子中的物體運動,隔一段時間以後都會減速最終停止,主要原因在於物體受到了摩擦力的作用,物體所受到的外力合併不為零,因此即使物體都有保持原有運動即擁有慣性的「本領」,但在外力不為零的情況下,物體的運動運動狀態肯定會發生變化。

對於處在宇宙空間中的天體來說,由於空間中的氣體分子密度非常微小,幾乎可以忽略不計,因此對於較大質量的天體來說,其本身因為時刻處於運動中,它們擁有著巨大的慣性,在其所受到的外力合力基本為零的情況下,它們會一直保持著原有的運動模式。對於旋轉的天體來說,衡量其轉動能量有一個物理量-角動量,即這個物體在轉動時其轉動慣量與角速度的乘積:L=I*ω(這裡L代表角動量、I代表轉動慣量、ω代表角速度),角速度大家很好理解,就是單位時間旋轉經過的角度;而轉動慣量表達的是物體的質量相對於物體旋轉軸的分布情況,其表達式為:I=m*r^2,這裡m為物體的質量,r為物體的旋轉半徑。

在物理學中有一個應該最廣泛的定律,那就是能量守恆定律,而針對旋轉的物體,其能量守恆的表達形式就是角動量守恆,旋轉物體的能量,在沒有外界因素的影響下,不會因物體形狀的改變而發生改變。我們平時在看冰上運動項目時,運動員身體旋轉就遵循著一定的動量守恆定律,當她的四肢伸展開來時,由於四肢距離旋轉軸的距離變大,因此轉動慣量變大,為了維持角動量守恆,則轉動的角速度就會變小,表現出轉動的速度變慢;而當她收縮四肢和身體時,表現出的結果正好相反,轉動速度就會提升。

要分析宇宙中的天體-無論是公轉還是自轉-它最初的能量來源問題,我們按照能量守恆定律來看,勢必要有相應的能量輸入,而這個輸入的能量,則來源於天體形成過程中其組成物質本身所具有的角動量。以太陽係為例,在距今50億年前,其所在的區域還是被大量「濃密」的星雲物質所籠罩,這些星雲物質來源於上一任大質量恆星在生命演化的末期,通過超新星爆發而形成的,超新星爆發的能量,其中有一部分轉化為星際物質的內能,然後星雲氣體就表現出隨機的熱運動形式,通過相互摩擦和碰撞,最終在整體上呈現出微弱的旋轉運動模式。

在漫長的引力擾動作用下,這些星雲氣體持續發生著聚合和坍縮,越靠近質心的區域,星雲氣體由引力勢能轉化為動能的程度就越高,從而表現出角動量越大,因此最終形成了圍繞星雲質心短軸方向不斷聚集的圓盤狀密集星雲,而在距離質心不同距離的區域,其旋轉速度各不相同的局面。而對於核心區來說,隨著坍縮物質越積越多,其本身質量就會越來越大、溫度也越來越高,當達到一定程度以後就會在量子隧穿效應作用下激發氫元素的核聚變反應,最終形成向外持續釋放能量的恆星。在太陽的形成過程中,其組成物質-星雲氣體原先所具有的角動量,則會被太陽所繼承,成為太陽自轉的能量源泉。

而沒有被太陽吸收的剩餘星雲物質,也在圍繞太陽公轉的過程中,在與太陽距離不同的區域內也進行著緩慢的聚合和坍縮現象,最終在星雲物質的引力以及太陽風的吹拂下逐漸形成固態行星和氣態行星。這些太陽形成之後所剩餘的「邊角料」本身所具有的角動量,一方面成為行星圍繞太陽公轉的能量來源,另一方面也推動形成行星繞著一定的自轉軸自轉的能量來源。

從以上的分析我們可以看出,宇宙天體的旋轉,其能量來源就是天體在形成之前,那些後來聚合形成這些天體的眾多星際物質所具備的角動量,「眾人拾柴火焰高」,無數的星雲物質角動量集中起來,共同推動了天體在宇宙空間中持續進行著公轉和自轉,無論是月球圍繞地球公轉,還是太陽系圍繞銀河系中心運轉,都離不開這種角動量的貢獻。

因此,角動量是決定著天體旋轉最根本的能量來源,而在天體誕生之後,還會受到諸如其他大質量天體引力、其它行星碰撞等因素的影響,從而進一步「雕琢」著天體的運行方式,使其旋轉的特徵發生著輕微的變化,從而造成各個天體的自轉和公轉有著多樣化的態勢,比如自轉傾斜角的差異、公轉軌道偏心率的不同等等。

相關焦點

  • 宇宙的天體都在旋轉,它們最初的角動量從哪裡來的?
    本文參加百家號科學#了不起的天文航天#系列徵文當宇宙中的天體開始形成時,它們最初的角動量是如何來的呢?我們首先要知道,當一個物體開始轉動時,也就是擁有角動量以後,只需要改變它的轉動慣量就能夠改變它的旋轉速度。
  • 天體旋轉靠慣性,那最初是什麼讓天體轉起來的?
    以太陽為例,下面先說下太陽為何一直在旋轉?太陽為何在長時間內而已保持旋轉狀態目前的太陽在它自己的慣性下旋轉,並不需要任何外力幫助來保持它的運行。早在17世紀艾薩克·牛頓就觀察到運動中的物體傾向於保持其運動狀態,這就是慣性定律,為啥說人家是最牛的科學家之一呢,因為這種保持自身運動狀態的現象在生活中很難觀察到。如果一個物體已經在運動,如果沒有任何其他的外在因素作用於這個物體,來阻止它的運動,那麼這個物體就會在它自己的慣性下保持自己的運動狀態。
  • 銀河系的中心到底是什麼,能讓所有天體都圍繞它旋轉?
    在太陽系,太陽作為我們的老大哥,系內所有的天體都圍著它旋轉,而放眼整個銀河系,則是圍繞著銀河系中心人馬座A星而旋轉。銀河係為橢圓盤狀,是一個巨型棒旋星系,有巨大的盤面結構,囊括了1200 億顆恆星,直徑長達16萬光年。
  • 什麼理論解釋了地球為何繞其軸自轉:慣性旋轉、磁場和太陽能
    為什麼地球不僅繞著太陽旋轉,而且還繞著自己的軸旋轉?是什麼「永動機」不允許它停下來呢?是什麼力量能夠使地球和太陽系的其他行星產生旋轉運動?長期以來,天體物理學家和其他空間研究人員都一直在這些領域尋找答案。
  • 地球圍繞太陽旋轉,太陽系圍繞銀河系旋轉,銀河系繞什麼轉?
    每天我們打開窗戶,就可以看到早餐時明亮的陽光,晚上太陽落山過後,天空就會慢慢進入夜晚,許多人知道這是由地球自轉引起的,地球自轉產生晝夜交替,地球自轉時也圍繞太陽旋轉,地球的遷移產生了四季的變化,城市化是維持地球生物多樣性的一個非常重要的因素,如果如果沒有地球繞著太陽轉,四季就不會有變化,地球也不會產生那麼多五彩繽紛的動植物
  • 太陽最初自轉的秘密——是外力?還是它自身的慣性導致的?
    如果運動過程中沒有諸如摩擦力等外力的延阻,或者運動路線上沒有障礙物,那麼由於慣性,冰球將永遠保持滑行運動。慣性定律只是一種概念性的表述,其更具有普遍性和數量化的觀點就是著名的動量守恆定律,即如果一個物體不受外力或所受外力之和為零,這個系統的總動量保持不變。運動有兩種基本形式:直線運動(線性運動)和圓周運動(旋轉運動)。
  • 天體運動新發現10個數學原理,將揭開引力的本質和宇宙起源?
    驗證10、潮汐漲落的本質與地球旋轉的速度差潮汐現象的本質是:由於天體旋轉速度存在加速度或減速度變化,星體自轉速度或公轉速度在潮汐前後存在速度差,從而引起海水(內部構成體)前傾後仰的慣性現象。但是,天球不是靜止不變的,其內部的所有天體時刻在自轉和公轉,並隨天球整體旋轉,尤其是天體公轉呈現橢圓軌道特徵和不對稱性的分布,隨著天體運動而不斷改變天球的質心,使得天球的質心會發生周期性的變化。如果這一天球的核心部分集聚了大部分質量,那麼質心變化就是小幅的。
  • 地球圍繞太陽旋轉,太陽系圍繞銀河系旋轉
    每天我們都能從東方升起,從西方落下,這是因為太陽正在圍繞太陽旋轉,公轉不僅產生地球上日出日落,而且使地球產生四季變化,四季變化是地球物種多樣性形成的重要原因,所以如果沒有地球圍繞太陽的旋轉可能沒有發生地球上有那麼多多彩的生物,為什麼地球圍繞太陽旋轉?
  • 宇宙間最大的天體,最老的天體,最亮的天體,原來都是同一種東西
    茫茫宇宙,浩瀚無邊,這其中最大的天體,目前來看就是類星體了,因為還沒有發現比它質量更大的天體,並且它也是宇宙間最明亮的天體,時刻向外輻射著巨大的能量。 類星體發現於上世紀60年代,在天文學上是類似恆星天體的簡稱,又稱為魁霎或類星射電源,它被發現之後,就與脈衝星、微波背景輻射和星際有機分子一起稱為20世紀60年代天文學的"四大發現"。
  • 為什麼大多數天體都是球形的
    首先來了解下我們熟悉而陌生的太陽,太陽不僅僅是球體,而且非常接近於圓球,估計扁率大概只有900萬分之一,這意味著其極直徑和赤道直徑的差別不到10千米,這和太陽約140萬千米的直徑比起來,都不算什麼了。我們再來看看其他天體,月亮的扁率約為0.0012,地球約為0.003。
  • 為什麼宇宙中的天體或星球都是圓形的呢?
    至於天體為什麼是球形,我猜想也一樣,我們的宇宙,就是更高緯度生物灑的一瓢水,受一個更大的,大到我們觀察不到的引力場(俗稱,暗物質)的影響,所以宇宙中所有的球體都是成,球形。星球一開始都是氫的同位素進行聚變核反應,不斷衍生其他元素,由游離原子到氣態,再到液態固態,我們地球內部好像還是液態。發生反應就有物質的移動和能量變化,那麼怎麼樣效率最大化?
  • 太陽環繞銀河系中心旋轉一圈要多久?
    月球繞著地球旋轉,轉一圈的時間大約為27.3天;地球繞著太陽旋轉,轉一圈的時間為1年;那麼,太陽又繞著什麼旋轉,轉一圈需要多長時間呢?在宇宙中,沒有天體是絕對靜止的,它們都會存在某種方式的運動,這可以通過牛頓力學來描述。宇宙中的天體之間都存在引力作用,如果沒有通過某種作用來抵抗引力,天體之間將會發生碰撞。
  • 黑洞還會滋生新的天體?
    黑洞同樣會滋生新的天體——類星體儘管光無法逃離黑洞,但附近巨大的引力會將周圍的物質加熱至數百萬度,並向外發散無線電波和宇宙射線。如果恰巧經過黑洞的物質是一顆恆星,那麼在事件視界之外的物質反而會被甩出,形成主要以無線電和伽馬射線組成的粒子流。
  • 哪種天體才是宇宙最大天體?它的體積比太陽大45億倍,暫獲此榮
    引言:宇宙中存在各種各樣的天體,小的天體小到讓人驚訝,大的天體大到讓人懷疑宇宙。那麼宇宙中最大的天體是什麼呢?在人類還不具備探索宇宙能力之前,答案應該就是太陽。但在人類開始探索宇宙之後,發現比太陽大的天體實在是數不勝數。
  • 地球圍繞太陽轉,月亮圍繞地球轉,那麼有沒有天體能圍繞月亮轉啦
    在每一個天體的周圍,都有一個定義明確的區域,叫做希爾球,在這個區域內,該天體的引力支配著一個體積更大、質量更大、但距離更遠的天體的引力。圖解:二體因重力互相繞行的等效位能的等位能圖,希爾球是分別環繞著這兩個大質量天體的圓型區域。
  • 太陽系中為什麼包括太陽在內的大部分天體都是逆時針自轉和公轉?
    在我們的天空中有兩個比較突出,而且特別重要的天體,那就是太陽和月亮。每一年、每一天,它們都會從東方升起,在西方落下。這是為什麼呢?因為地球在繞著南北軸自西向東旋轉!這就是為什麼在白天或者夜晚,我們看到所有天體都在東方升起,在西方落下。
  • 太陽系在轉,銀河系也在轉,宇宙是否也在旋轉呢?
    難以想像,我們以及太陽系中所有的天體都在跟隨著太陽以每秒250千米的速度圍繞銀河系的中心進行運動。銀河系的中心到底有什麼,能夠讓數千億顆恆星圍繞其運行?在銀河系的中心是一個誕生於宇宙之初的星系級黑洞,它強大的引力帶動周圍的物質高速運動,而這些物質又進一步帶動外圍的天體進行旋轉,步步推進,整個銀河系便轉動了起來。
  • 大多數天體為什麼是球形的?不會是轉起來方便吧
    首先我們來了解下我們最為熟悉而陌生的太陽,它不僅僅是球形,而且非常接近於圓球,估計扁率只有900萬分之一,這意味著極直徑和赤道直徑的差別不到10千米(不是圓形,主要是自轉),這和它的直徑約140萬千米比起來,都不算什麼了。我們再來看看我們的月亮,估計扁率約為0.0012,地球為0.003。
  • 它又為什麼自己旋轉?
    「什麼導致了地球的自轉和公轉?」這一問題曾困擾人類許久。因為向心力和缺少摩擦以至於不能阻止地球旋轉?還是因為牛頓第一定律的描述?如果是這樣,那麼向心力又從何而來?它是巖石被拋到宇宙並被太陽捕獲的產物嗎?對於自轉我毫無頭緒。會不會存在不自轉的行星,還是說旋轉是行星的必要條件?物理學家:我將這歸為兩個問題:「自轉最初是怎麼產生的?」和「是什麼讓行星停留在運行軌道上?」。
  • 銀河系自轉最快的恆星540㎞/s,是太陽的270倍,天體為何自轉?
    此恆星在銀河行中的位置(圓圈處)一,為什麼這顆恆星旋轉那麼快?雙子星本身已經高速圍繞對方旋轉。當兩顆恆星結合後,將會產生爆炸,另外也獲得了巨大的角動量。從而推動新生恆星加速自轉。這就像相向拋兩塊磁鐵,當磁鐵結合後,它們的自轉速度就很快。這個實驗很好做,大家不妨做一做。