在哲學中明確提出任何物質的運動屬性,即運動是物質的固有性質和存在方式,也就是說物質和運動本身密不可分,既沒有不運動的物質,也沒有離開物質的運動。而在物理學中又對物質運動的形式進行了細化,主要包括機械、電、磁、光、聲、原子以及基本粒子等的運動,根據運動的形式又劃分為勻速、變速運動或者直線運動和曲線運動。從中我們可以看出,無論是在科學的哪個領域中,都明確了沒有絕對靜止的物體,運動是物質的存在基礎。
在愛因斯坦提出相對論以後,人們對物質運動的認識又進了一步,把運動與時空進行了統一,物質在運動過程中所經歷的時間和空間屬性,會隨著運動狀態的變化而產生相應變化。星體的自轉,是宇宙宏觀物質運動所表現出來的一種常見形態。無論是恆星、中子星,還是行星、衛星,都會圍繞著一個相對固定的引力源作周期性的公轉,而在公轉的同時,自身還會發生著相應的自轉。那麼,有沒有不自轉的星體呢?
要弄清楚這個問題之前,我們還得首先了解一下星體為何會發生自轉。以太陽係為例,太陽系內的所有天體,都來源於之前這個區域內一顆大質量恆星生命周期結束以後形成的原始星雲。50億年前,這片廣袤但密度又十分稀薄的星雲氣體,在受到某種引力擾動的影響下,開始在相互引力的作用下發生區域性聚集,在最核心的位置積聚的星際物質密度越來越大,在引互碰撞以及重力勢能轉化的影響下溫度也越來越高,當所吸聚的物質量和溫度達到一定程度以後,就激發了內核的核聚變反應形成太陽。而那些沒有被太陽吸聚的周圍殘餘星際物質,則逐漸形成一個圍繞太陽核心運轉的盤狀星際物質氣體圈,然後在區域性的引力作用下又同樣發生著星際物質的吸聚、碰撞和組合等過程,就這樣逐漸形成了固態和氣態行星,而組合成的更小天體,則在行星的引力作用下圍繞著相應的行星發生公轉,逐漸形成行星的衛星。
在我們的日常生活中,我們如果要判斷一個物體是否發生旋轉,則會在這個物體之外進行觀察,然後看單位時間內物體是否變換相應的角度,單位時間內變化的角度越多,則我們判斷這個物體的旋轉速度越快。而發生旋轉的物體所具有的基本特徵,我們又賦予了它角動量這個概念,來說明角速度、轉動慣量、力矩之間的動態關係。角動量離不開線動量,二者的關係式為L=r*p,其中L為物體的角動量,p為物體的線動量,r為物體與旋轉中心的距離。而物體的線動量p=m*v,說明一個物體的質量越大、線速度越高、與旋轉中心的距離越遠,則角動量就越大。
在物理學中有一條應該非常廣泛的定律-角動量守恆定律,表達的是一個物體在不受外力矩的作用下,其角動量不會因物體形狀的變化而變化。我們再回過頭來看太陽系星體的形成過程,由於太陽系形成之前,原始星雲中的星際物質就帶有一定的角動量,那麼在形成太陽和其它行星、衛星之後,角動量不會無緣無故地消失,只是從一個物體轉移到另外一個物體,或者在一個系統內重新進行分布。
當太陽系內各個星體在漫長的吸聚星際物質的過程中,原始星雲中星際物質的角動量,就會轉移到聚合以後的新星體之上,從而無論是太陽,還是各大行星,其在誕生的過程中,都會繼承著無數微小星際物質的角動量,而且越積越多,最終形成了轉動。而且這個轉動,會隨著物質坍縮的劇烈程度而發生變化,物質收縮得越厲害,則推動星體轉動的速度就越快。這和我們看到舞蹈演員在進行旋轉動作的原理一樣,演員在轉動以後如果收縮雙臂和身體,則轉動速度會變快,而一旦舒展開身體,則轉動速度會變慢。
因此,無論是圍繞著核心區的公轉,還是星體本身的自轉,在不同空間尺度下,都可以看作是在吸聚物質的過程中由於物質的角動量守恆引發的結果,就像地球的自轉、地球圍繞太陽旋轉、太陽系圍繞銀河系運轉、銀河系圍繞著巨引源運轉,可以說旋轉支配著宇宙星體的總體運行,是宇宙天體運動的基本規律之一。當然,在角動量守恆之外,還有一些因素影響著星體的運動狀態,比如其它天體的撞擊、引力的擾動、暗物質和暗能量的無形推動等等,但是這些只能改變旋轉的表現方式,不能決定星體是否旋轉。
說到這,有的小夥伴們可能不淡定了,說我可以找到不自轉的天體-月球,它始終是一面朝著地球,在我們看來就是不發生自轉。這個疑問很自然,也可以理解。但是,我們在前面提到判斷旋轉的時候,說的是要跳出物體運動的本身或者物體所處的一個系統之外去觀察,也就是找到第三方的參照系。比方說,我們身處地球上,地球發生自轉,我們卻感覺不到,我們看到的地球上的所有相對靜止的物體,表面上都沒有隨著地球的自轉而發生旋轉,因為我們沒有跳出運動物體所在的參照系。
月球受到和地球相互之間引力產生潮汐力的影響,最終被鎖定住了,我們看到的這種鎖定現象,是基於自身的觀察系統來看,月球作為被鎖定的衛星其一面始終朝向地球,是因為我們沒有跳出地月系統這個範圍。同樣,在太陽系中的冥王星及其衛星卡戎上,看對方也是始終有一面朝著自己,而如果我們在地球上看冥王星及其衛星卡戎,則它們也是在發生著自轉的;而如果脫離地球,在外太空中看月亮,它也是發生自轉的。有個非常明顯的證據,就是月球上也會發現晝夜更替現象,因此從太陽的角度,月球必然發生著自轉,只是它的自轉周期與繞地球的公轉周期相同了而已。