动量守恒、角动量守恒、能量守恒这些都是我们熟知的概念,在物理课本上都写得很清楚,不会引起概念混乱是因为案例都比较单纯,但在一个复杂系统中或者一个我们并不是很熟悉的系统中,或者难以区分输入输出天体系统的运行过程中,就非常容易混淆,甚至都会有一个疑问,为什么天体会“永不停息”的运行下去?
一、永动机?
上图就是一台传说中的永动机模型,看上去似乎没有问题,但事实上却会因为磁铁反推形成的逆时针力矩而平衡掉力臂改变引起的顺时针重力致下坠顺时针力矩,因为在实际中上下磁铁分布不可能如上图GIF中均匀分布,因为辐条的角度在经过磁铁前后时并不一致,受重力影响,水平线上方的磁铁比较靠近大磁铁,下方则比较远离大磁铁,因此大磁铁对于上方的推力会更大一些,形成一个逆时针的力矩,抵消了水平线上磁铁下坠的转动的顺时针力矩!尽管上图看上去非常能迷惑人,但还是因为比较单一,仍然可以简单分析!
二、太阳系永动机?
但太阳系的行星与卫星公转以及自转等现象就非常具有迷惑性了,因为太阳与各大行星的存在都可以用自古以来形容了,甚至它们的出现都早于“自古以来”!并且它们似乎将永远转动下去,难道天体运动是永动机?其实对于太阳系的角动量守恒或者能量守恒应该从形成太阳系的星云坍缩开始说起,因为太阳系里所有的角动量都来自于引力坍缩能!现在要解决的是为什么引力坍缩会导致转动!
三、太阳系原始行星盘
上图是对太阳系原始星云坍缩后的积盘艺术图,然而并不是纯艺术图,而是我们观测到了很多原始行星盘,距离太阳系比较近的金牛座就有这样的同心圆结构!
欧洲天文台发布金牛座原行星盘高清图像,每一条环都将将有一颗行星诞生!而中心则非常明显将会诞生一颗新的恒星!
四、原始行星积盘为什么会转
上图是一个质心以引力方式捕获一颗小型天体的过程,在一个完全理想的系统中,这个小型天体是会直直的落向质心的,但这几乎不可能,因为会受到各种因素干扰而偏离,最终将会有三种结果,速度不够的话将成为行星的一部分,速度刚好则成为环绕行星的天体,或者速度比较高脱离行星的引力,星云积盘坍缩时候则几乎都是前两者结果!因此积盘转动起来是引力坍缩的因素,而且是系统内部相互影响不均匀所致!
五、行星的自转和卫星的公转会永远继续下去吗?
天体的运动过程中会受到其他天体的引力影响,比如地月系,月球对地球的潮汐引力影响是很大的:
1.地球上潮起潮落的主要因素就是月球引力和太阳引力
2.地球自转周期从十亿年前的十几个小时到现在二十四小时即月球影响!
3.地月系月球正在远离
几个因素都在消耗地球自转的能量,地球的自转在未来也将越来越慢!而公转也是类似因素,所不同的是太阳的质量正在慢慢减少,甚至在后期白矮星还会继续丢失质量,因此行星系统并不会被太阳牵引,而是逐渐远离太阳!但未来行星系统将会继续运转,从星云积盘坍缩能累积的能量并不会凭空消失!从上述看来,天体并不是永动机,它们具有能量的来源和耗散的途径!