旋轉現象｜地球為什麼會旋轉？

月亮繞著地球轉，地球繞著太陽轉，這屬於公轉；而月亮、地球、太陽等星球，其自身都在繞著一個假想的軸旋轉，這屬於自轉。

那麼天體為什麼會旋轉呢？地球誕生至今已有45億年的歷史，就讓我們通過地球的旋轉來揭秘這背後的原理。

●什麼是旋轉？

所謂的旋轉就是物體繞一個點或者一個軸做圓周運動。最典型的旋轉現象就是「陀螺的旋轉」，陀螺就是繞著一個軸快速旋轉。需要注意的是，現實世界中許多天體的公轉軌道只是近似圓周，一般是橢圓，這與數學中對幾何圖形旋轉的定義略有不同。

旋轉有方向之分，在平面上通常分為逆時針旋轉與順時針旋轉。這個很好理解，旋轉方向跟鐘錶中時針走的方向一致，被稱之為順時針旋轉，反之則稱之為逆時針旋轉。

     

我們從數學角度說明一下。如下圖所示，平面被直角坐標系分為4個限象，一個圖形繞著原點旋轉，苦依次穿過4—3—2—1限象，這就是順時針旋轉；若依次穿過1—2—3—4限象，則是逆時針旋轉。

     

太陽每天東升西落，那是因為地球繞著自轉軸自西向東轉，從北極點上空來看地球是在逆時針旋轉，而從南極點來看地球則是在順時針旋轉。可見，旋轉方向也是相對而言的，描述時需要有參考系作為依據。

●宇宙中天體的旋轉現象

1，天體的旋轉分為自轉和公轉。

自轉是天體繞著自己的軸心做圓周運動，自轉軸一般會穿過質心。天文觀測發現，宇宙中幾乎所有天體都存在自轉。在理論中存在不自轉的天體，比如史瓦西黑洞，不過雖然該類黑洞不自轉，但是黑洞周圍的吸積盤卻可能存在旋轉。

天體的自轉可以分為較差自轉和剛體自轉，差別在於不同緯度上角速度是否相同，如果相同則是剛體自轉，反之亦然。比如恆星以及氣態行星就屬於較差自轉，而像地球這樣的巖石行星等天體則被認為是剛體自轉。不過，剛體只是理想中的物體。

     

上圖為太陽的較差自轉，由於不同緯度的角速度不同，自轉周期也不同。

而公轉是一個天體繞著另一個天體運動，公轉軌道一般為圓形或者橢圓。

在一些人的認知中，在引力的作用下，小質量的天體會圍繞著大質量的天體公轉，表面上看起來是這樣的，嚴格來說並不完全正確。比如地球繞著太陽轉，更確切的說，地球是繞著地球和太陽的公共質心旋轉。由於太陽比地球質量大很多，它們的公共質心位於太陽內部；木星的質量比太陽系其它七大行星的總質量還要大，而太陽和木星的公共質心則位於太陽表面以外。

     

如圖所示，木星和太陽繞著公共質心旋轉。

2，太陽系天體的旋轉現象

在太陽系中，太陽位於中心位置，太陽周圍還有八大行星以及其它小天體（小行星、彗星），它們都在圍繞太陽旋轉。地球就是八大行星中的其中之一。

     

地球繞著地軸自轉，同時又繞著太陽公轉，地球自轉一圈約24小時、公轉一圈約365天（1年）。月球也與之類似，既繞地球公轉、又在自轉，自轉和公轉周期都是27.32天。太陽是銀河系中的其中一顆恆星，太陽除了自轉還繞著銀河系中心公轉，公轉一圈大約需要2億多年。

3，銀河系本身也存在自轉，那銀河系又繞著什麼公轉呢？

銀河系和仙女座星系約50多個星系共同構成了本星系群，本星系群的質心位於銀河系和仙女座星系之間，它們除了繞著這個公共質心旋轉，還在引力的作用下以螺旋方式相互靠近，幾十億年之後，銀河系和仙女座星系會合併。

     

銀河系連同本星系群一起圍繞著室女座超星系團的中心旋轉，而這個中心就位於室女座星系團。銀河系位於室女座超星系團的邊緣，據估計，銀河系公轉一圈大約需要耗時1000億年。室女座超星系團由包括本星系群在內的100多個星系團或者星系群組成，跨度達1億光年以上，包含4萬多個類似於銀河系這樣的大小不一的星系。至於宇宙自身是否存在旋轉現象，這個就不清楚了。

通過上面的介紹，相信大家已經對天體的旋轉現象有了深入的認識，接下來我們該回到自己的家園了，來揭秘「地球為啥會旋轉？」。

●地球為什麼會旋轉？

地球誕生至今已有45億年，地球一直在旋轉，從未停歇，那麼是什麼力量在迫使它不停的旋轉呢？這要從公轉和自轉這兩個方面來回答。

萬物皆在運動。力不是維持物體運動的原因，但卻可以改變物體的運動狀態。在合外力為0的情況下，物體總是保持靜止或勻速直線運動，物體這種保持原有靜止或者運動狀態的性質被稱之為慣性，我們通常用質量來度量。天體的質量越大，運動狀態越難被改變。萬物誕生於大爆炸，萬物運動的初始動力也來源於此。

太陽的引力是維持地球公轉的原因。太陽引力提供的向心力和地球慣性提供的離心力保持平衡，這使得地球不至於落向太陽或遠離太陽，而是在一個固定的橢圓軌道繞太陽旋轉。

     

地球保持自轉狀態不需要外力來維持。太空是真空，沒有摩擦力，地球在太空中運動主要受太陽和月球引力的影響。幾十億年以來，太陽和月球的引力產生的潮汐作用就使地球的自轉速度越來越慢。在10億年前，地球上一天可能不到20小時。而物體保持轉動狀態不變的性質，可以用轉動慣量來衡量。一個物體的轉動慣量越大，其保持轉動狀態的能力也就越強。

那地球的旋轉是怎麼產生的呢？

其實，不管是地球的公轉還是自轉，產生旋轉的根本原因就是轉動慣性和角動量守恆。

至於角動量是如何產生的，這要從太陽系的起源說起。太陽系起源於星雲，星雲由大量的粒子構成，粒子總是在不停的運動，粒子之間在引力的相互作用下產生了力矩，於是便會產生角動量。星雲質量分布不均勻，總角動量便不可能為0，於是整個星雲體系便會發生旋轉。星雲在引力的作用下收縮形成恆星，新生恆星也會繼承原星雲的角動量，並且在收縮的過程中，隨著半徑的減小，由於角動量守恆，旋轉速度便會加快。比如花樣滑冰運動中，運動員就能通過調整自身姿態來控制旋轉速度。

     

除了太陽是星雲的產物，地球也是星雲的產物。太陽誕生之後，餘下的物質構成了太陽周圍的行星，太陽系八大行星及其它小天體就是這樣形成的。太陽系八大行星的軌道差不多都處於同一個平面，就是因為它們誕生之時都與太陽的自轉處於同一個旋轉盤。地球也是繼承了來自星雲以及太陽的角動量，於是也跟著旋轉，除了天王星和金星以外，它們的自轉方向與公轉方向都完全一致，除非有力矩迫使它改變這種狀態。剛剛說的天王星和金星就是因為有外部力量的幹涉，才使它們的角動量發生了顯著的變化。只要太陽存在，地球將永遠旋轉下去。

     

總結起來，地球之所以旋轉，初始動力源於宇宙大爆炸，而引力的作用產生了角動量，於是便旋轉了起來。