地球為什麼會以螺旋狀遠離太陽?

2020-11-29 老胡說科學

地球繞著太陽運行,繞著它的軸心旋轉,似乎形成了一個封閉不變的橢圓軌道。然而,如果我們觀察到足夠高的精度,就會發現我們的行星實際上是在螺旋遠離太陽。2019年1月3日,地球到達了離太陽最近的軌道點:近日點。每一個繞著單一質量運行的物體都會形成一個橢圓,其中包含一個最接近的點,它對於特定的軌道來說是唯一的,這個點被稱為近心點。在過去的45億年裡,地球以橢圓的軌道繞著太陽運行,就像銀河系和宇宙中所有其他成熟的恆星系中所有圍繞恆星運行的行星一樣。

但沒有想到的是:地球的軌道軌跡並沒有隨著時間的推移保持不變,而是呈螺旋狀向外運動。2019年,我們的近日點比去年遠了1.5釐米,比前年更遠。

這是一個關於行星如何圍繞太陽運行的精確模型。行星都在同一個平面上,沒有形成任何類型的尾流。它們的軌道是橢圓,隨著時間的推移,橢圓似乎保持不變,但如果我們能夠足夠準確地測量它們,就會看到它們與封閉不變的軌道略有偏離。宇宙中每一顆行星圍繞太陽系運行的軌道所受到的力是相同的:萬有引力定律。無論是用牛頓的觀點:宇宙中的每一個質量都吸引著其他的質量,還是用愛因斯坦的觀點:質量和能量彎曲了其他質量所通過的時空結構,都可以得出:最大的質量控制著它所影響的所有物體的軌道。

如果中心質量不變且是唯一起作用的因素,引力就會隨著時間保持不變。每一個軌道都將永遠保持在一個完美的封閉橢圓中,永遠不會改變。

在牛頓的引力理論中,軌道在大質量的單個物體周圍時是完美的橢圓。然而,在廣義相對論中,由於時空的曲率,因此還有一個額外的旋進效應,它會導致軌道隨時間的推移而移動。當然,事實並非如此。在每個太陽系中都存在著其他質量:行星、衛星、小行星、人馬座、衛星等等。這些質量擾亂了軌道,使它們旋進。這意味著,這意味著,圍繞太陽運行的近日點,會隨著時間旋轉。

軌道力學以各種方式影響著旋進。以地球為例,它的近日點和冬至在800年前才對齊,但它們正在慢慢分開。在21000年的時間裡,近日點以這樣一種方式旋進,這不僅改變了地球的運轉軌跡,也改變了北極星的位置。

就在800年前,近日點和冬至是連成一線的。由於地球軌道的進動,它們正在緩慢地遷移,每21000年完成一個完整的周期。還有其他因素也會改變我們的軌道,包括:

廣義相對論造成的時空額外曲率,使接近大質量的行星發生額外的旋進。太陽系平面上物質粒子的存在,它對行星產生阻力,並產生一種旋進現象。當任何質量(如行星)經過時空曲率變化的區域(如恆星附近)時,產生引力波的同時也會發生旋進。然而,後兩種效應只在極端情況下才出現,例如接近一個大而緻密的質量,或者在太陽系形成的早期階段。

這顆原恆星IM Lup的周圍有一個原行星盤,它不僅呈現出光環,而且還呈現出向中心的螺旋狀特徵。這些螺旋狀特徵有可能由一顆巨大的行星所造成,但這還沒有得到明確的證實。在太陽系形成的早期,這些原行星盤引起了動力摩擦,導致了向內螺旋而不是完全的封閉橢圓。今天,地球離太陽如此遙遠,被如此稀疏的物質包圍,因此一個旋進時間尺度是現在宇宙年齡的萬億倍。由於原行星盤在大約45億年前完全蒸發掉了,因此幾乎沒有任何東西可以消耗地球的角動量。對旋進產生最大影響的是來自太陽的粒子,撞擊我們的星球並附著在上面,導致地球失去一點角動量。

總的來說,地球在向外螺旋,遠離太陽。太陽系的所有行星也是如此。隨著時間的推移,地球離太陽的距離比前一年略微增加了1.5釐米,也就是地球到太陽距離的0.00000000001%。

原因是太陽本身。

這張剖面圖展示了太陽表面和內部的不同區域,包括核聚變發生的核心區域。隨著時間的推移,核內含氦區域膨脹,最高溫度升高,導致太陽輸出的能量增加。在太陽深處,核聚變的過程發生了。每一秒,太陽發出3.846×10^26焦耳的能量,這些能量是通過核內的質量轉化而來的。愛因斯坦的E = mc^2是根本原因,核聚變是一個過程,太陽持續發射能量是結果。這種能量是一種潛在的過程,它為地球上每一個生物提供能量。

但隨著時間的推移,物質轉化為能量會導致太陽失去大量的質量。在太陽系45億年的歷史中,太陽由於核聚變的過程,已經失去了大約原來質量的0.03%,這相當於土星的質量。

太陽系的行星以它們物理大小的比例顯示,它們都按照特定的規則運行。當太陽通過核聚變而失去質量時,規則保持不變,但軌道本身發生了變化。在太陽系的歷史上,太陽失去了它最初質量的0.03%,大約是土星的質量。年復一年,太陽損失了大約470萬噸物質,這減少了對太陽系中每個物體的引力。如果引力保持不變,由於摩擦、碰撞和引力輻射的影響,就會形成一個非常非常緩慢的向內螺旋。但是隨著實際經歷的變化,地球及其它所有行星被迫慢慢從太陽向外螺旋。雖然影響很小,但是每年1.5釐米的變化是很容易計算得到的。

由蘇聯發射的月球探測器「月球2號」於1973年發射,它包含一個角反射器,用來反射來自地球的雷射以確定到月球的距離。利用這種技術可以得到地月距離的釐米級精度,但目前還沒有這樣精確的技術來測量到太陽的距離。然而,人類還不能直接測量距離的變化。我們知道太陽的大小,知道地球正在遠離太陽,其它行星也在遠離太陽。但我們想做的是,直接測量它,這也是對物理定律的又一次檢驗。這就是物理學的進展:

根據積累的知識和理論來知道要觀察什麼;進行一項實驗或觀察,使測量達到所需的精度;對比所看到的和所預測的。

利用阿塔卡瑪大型毫米波天線陣(ALMA)進行的觀測,揭示了環繞古老恆星的物質中存在著一個意想不到的螺旋結構。這一特徵以前從未被發現過,可能是由一個隱藏的伴星圍繞恆星運行而引起的,這是ALMA得出的眾多出人意料的科學結果之一。一般來說,意想不到的結果可能是新的物理或物理系統的前兆,而且往往是自然界提供的最有趣的結果。太陽輸出能量且丟失質量,可以通過愛因斯坦的E = mc^2計算出質量損失率。太陽的質量,以及行星的軌道參數,決定了它們圍繞太陽旋轉的路徑和形狀。如果質量改變,軌道的變化是很容易計算的,簡單的牛頓物理學就可以計算。

做了這一系列計算後,就會發現地球以每年1.5釐米的速度遠離太陽。

每一個圍繞太陽運轉的物體,都在從太陽系的中心螺旋遠離。雖然還沒有直接觀察到這種遷移,但物理學的預測已經清楚地顯示。太陽通過核聚變產生了質量損失,隨著時間的推移,太陽系中每一個軌道上的物體都在緩慢地向外螺旋運動。大約45億年前,地球比現在離太陽近了大約5萬公裡,隨著太陽的不斷演變,地球與太陽之間的距離會越來越遠,速度也會越來越快。

隨著每一個軌道的運行,行星與太陽的引力逐漸減弱。太陽核聚變的速度在增加,這加速了所有行星向外旋轉的速度。雖然行星與太陽的引力永遠不會消失,但每個行星緩慢地向外遷移是不可避免的。

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    月球遠離地球這件事大家相比十分清楚,而且也知道了其中的原因。可問題是你有沒有想過,同樣為衛星在圍繞自己的行星公轉,為什麼有些衛星未來會被自己母行星的引力捕獲,或者撕碎呢?你看,發生日食的時候,我們能夠看到月球在太陽的前面經過,有時會遮住全部的太陽盤面,有時會遮住一半,有時會留下一個金色的圓環。根據日食古人就做出了這樣一個正確的假定,太陽與地球的距離要比月球與地球的距離要大得多,而且我們可以遙遠的太陽光看作是一組平行線。
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