地球绕着太阳公转大家都知道,但它为何公转?真是上帝推了一把?

其实地球为什么不会坠入太阳这个问题挺容易解释的,也许用中学物理就能解释清楚,甚至可以用游乐场的设施来辅助理解,但地球为什么会绕着太阳转确实是个难题,牛顿曾经认为是“上帝推了它一把”,真是“上帝”动手了?

日球层庇护下的太阳系

一、地球为什么没有落入太阳?

其实这就和人造卫星在近地轨道上飞行一样,它用足够的速度环绕地球公转来产生“离心力”,然后这个离心力与它和地球相互之间的引力对抗,如果相等,那么它将在这个轨道上继续运行下去!

这似乎挺简单,因为游乐场里就有很多利用“离心力”的游乐设施,当旋转速度加快,慢慢就会远离转动中心,称为离心力的最好体验,但有一个问题,“离心力”有大有小,小了还是会掉下来,大了又会飞走,地球的“离心力”就刚好?

地球的公转速度在远日点和近日点时相差大约1千米,平均速度大概在29.8千米/秒左右。

有了公转速度,有了地球和太阳的质量,那么可以计算它们之间的引力和地球受到的“离心力”了!

根据万有引力公式可得,两者之间的万有引力F=3.5173×10^22N

根据“离心力"公式计算可得,地球在1.5亿千米的轨道上以29.8千米/秒公转的时候“离心力”约为:3.5314*10^22N,为什么会有些许差异?这是因为两者计算过程中一些小数点取值的问题,我们基本可以认定,两者大致相等的。因此地球仍然会在这个轨道上一直公转下去。

二、地球为什么会在太阳的轨道上公转?真是上帝推了它一把?

上帝果然是万能的,连地球都推得动!但事实上这和上帝也没啥关系,地球的公转和自转都是引力势能在角动量守恒的条件下坍缩形成的。

康德-拉普拉斯星云说是现代被广泛接受的太阳系起源说,因为在太阳系临近的空间内都观测到了大量的原始行星盘,比如猎户座以及金牛座的原始星盘。

上图是位于智利沙漠的阿塔卡马毫米波/亚毫米波射电望远镜对金牛座HL Tauri的尘埃盘观测连续谱图像,可以清晰的看到其中性恒星的形成以及周围的同心圆结构,这表示行星正在形成。

上图则是著名的船底座星云的中形成恒星的前身:巴克球状体,这是星云在局部在超过金斯质量或者受到扰动时候造成不稳定而引起坍缩的结构,这是一个恒星系必须要经历的阶段,一个巴克球状体的典型质量为太阳的50倍左右,在内部有可能形成多颗恒星,当然也有可能是一颗。

原始星云在坍缩过程中,落入中心的尘埃物质会将引力势能转换为角动量,因此星云会逐渐扁平化,向原始恒星的黄道面富集,这也是原生恒星大都在黄道面(地球公转平面)附近的原因,因为除了这里以外,其他区域都没有星云物质了,如何形成行星?

在星云物质富集到黄道面后,在这里会逐渐形成行星的“博克球状体”,在环绕中心公转的同时逐渐成长,地球诞生于这个黄道面上,它与生俱来就是公转的,并不需要担心会落入恒星的引力陷阱。行星的分布并没有什么规律,因为这些行星的“博克球状体”可以在任何一个角落发生,但太阳系的行星分布却又一个非常有趣的提丢斯-波得定则

太阳系行星轨道之间的距离大致遵守提丢斯-波德定则,这是1766年德国的一位中学教师戴维·提丢斯所提出的,后来被柏林天文台的台长约翰·彼得归纳成了一个经验公式。太阳系会形成这种奇怪的模式是因为行星之间的轨道共振引起的,也就是说当恒星系形成时,在它不同轨道上的行星引力会互相牵制,如果某颗行星所在的轨道与相互之间牵制的轨道有落差,那么它会慢慢调整位置,最终落入这个轨道。

在2005年的时候,法国尼斯天文台有4位天文学家发表了三篇论文,提出一个尼斯模型,他们认为木星早期形成时就没有在现在的轨道上,而是会稍稍往外一些,最终调整轨道时导致了太阳系的一片腥风血雨,因为木星的质量高达其他行星的2.5倍以上,这一动导致了海王星轨道的外移,也将柯伊伯带的大量彗星送入了内行星轨道,地球、月球、水星、金星都遭受了小行星的轰炸,当然这些彗星可能给地球带来了大量的水,也让地球内部水合物中的水分得以受到高温而进入大气层,冷却后落下形成了大海,最终诞生了生命。

当然不管是什么假设,地球形成了,在数十亿年过程中诞生了生命,而现在生命发展成了文明,未来怎么走,这已经不是自然界的问题了,而是人类要打算怎么走!