天體旋轉靠慣性,那最初是什麼讓天體轉起來的?

2020-12-08 李論科學

首先我們要了解的是:靜止狀態和運動狀態在物理學上有著同等的地位。而我們的直覺卻告訴我們,靜止是正常的狀態,而運動則是特殊情況,其實這是不正確的認識。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。例如,一個在冰球場地上滑動的冰球只有在撞到牆上或者有足夠的摩擦力時才會停下來。沒有外力,如摩擦力或牆壁的阻擋,冰球將永遠在它自己的慣性下滑動。

而慣性定律只是一個概念上的陳述。慣性定律更普遍、更數學化的版本叫做動量守恆定律。它指出,如果沒有任何靜外力作用於一個物體,那麼這個物體的總動量將保持不變。

自然界有兩種基本的運動類型:直線前進(直線運動)和圓周轉動(旋轉運動)。對於這兩種運動,未受擾動物體的動量是守恆的。換句話說,一個在直線上向前運動的物體如果不受幹擾,將繼續沿直線向前運動,而一個在旋轉的物體如果不受幹擾,將繼續旋轉。

例如,如果我們讓一個陀螺旋轉起來,按理來水它就會一直旋轉。我們看到它停止了,是因為有摩擦力的存在(地面和空氣),但如果沒有摩擦,它就會一直旋轉。動量守恆定律既適用於直線運動,也適用於旋轉運動。對於旋轉運動,這個定律叫做角動量守恆定律。

這就是為什麼太陽可以一直旋轉。因為在太空中沒有有效的摩擦,也沒有任何東西抓住太陽,更沒有任何東西能夠阻擋太陽。因此,它只是在自己的角動量下保持旋轉。這種效應不是太陽的某種特殊性質。所有的行星、衛星和恆星都因為同樣的原因而旋轉。其跟靜止狀態是一樣的普通。

這些概念自然引出了下一個問題:太陽最初是怎麼旋轉起來的?

這個問題的答案就有點複雜了,其歸結為角動量守恆定律、引力和分子熱運動的共同作用。先了解一個知識點:物體的總角動量保持不變,即使對象改變形狀,只要物體不受外界影響。物體的角動量等於它的旋轉角速度乘以它的轉動慣量。轉動慣量指定物體的質量相對於旋轉軸的分布情況。為了保持角動量不變,如果物體的轉動慣量下降(即收縮得更緊),它的轉動速度則必須提高。

其實我們已經見過這種效果。例如一個滑冰運動員在一個地方快速旋轉。當他抱緊手臂時,旋轉慣量就會朝軸向收縮,因此他的旋轉速度就加快了。當她伸出雙臂時,質量分布就遠離了旋轉軸,因此他的旋轉速度就減慢了。所有這些都是因為她的總角動量必須保持不變。其實我們可以親身體驗這種效果,坐在轉椅上,讓腳離開地面,然後旋轉轉椅,我們可以通過伸展手臂和腿來控制旋轉的速度。

這種影響的另一個例子是水槽裡的水流入下水道。由於水分子的自然振動,一盆水的起初的旋轉動量非常小,也無法觀察到,但是有時你在水中放一個樹葉或者十分輕的東西,你也會看到在靜止的水裡,它們有時會轉圈,這就是因為水分子的熱運動的不均衡造成的,但是當水快速流向排水口時,水的質量分布會積聚收縮,為了保持它微小的角動量不變,水就會在看觀察到的情況下緩慢的加速旋轉。(與人們普遍認為的相反,水流進排水口的漩渦運動並不是科裡奧利力造成的)

現在讓我們回到太陽或者整個太陽系,我們知道太陽系是由一團巨大的氣體和塵埃雲形成的,由於氣體雲分子的熱隨機運動,這片雲就獲得了非常少量的旋轉運動,根據統計數據,任何流體物質雲幾乎不可能有精確的零轉動運動。這麼說來,你讓一個物體完全靜止才是特殊狀態呢,而運動才是宇宙的常態。

還有就是引力的作用,不在一條直線上的氣體雲之間會通過引力作用互相靠近,這樣也會為氣體雲本身提供比較大的旋轉動量。

隨著時間的推移,這團氣體和塵埃在引力的影響下坍塌,形成了太陽和太陽系中的行星。就像水流進排水口一樣,角動量守恆就會使得塌縮的太陽擁有更快的速度,而行星則有更快的旋轉速度。因為行星和太陽都是由同一片氣體雲中形成的,所以行星都沿著與太陽自轉的同一個方向運行。

總之,太陽一直在旋轉,因為沒有什麼可以阻止它。太陽開始旋轉,因為它是由一大團氣體雲形成的,氣體雲會因為分子的熱運動和引力作用獲得初始的旋轉動量。

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