天体旋转靠惯性,那最初是什么让天体转起来的?

首先我们要了解的是:静止状态和运动状态在物理学上有着同等的地位。而我们的直觉却告诉我们,静止是正常的状态,而运动则是特殊情况,其实这是不正确的认识。以太阳为例,下面先说下太阳为何一直在旋转?

太阳为何在长时间内而已保持旋转状态

目前的太阳在它自己的惯性下旋转,并不需要任何外力帮助来保持它的运行。早在17世纪艾萨克·牛顿就观察到运动中的物体倾向于保持其运动状态,这就是惯性定律,为啥说人家是最牛的科学家之一呢,因为这种保持自身运动状态的现象在生活中很难观察到。

如果一个物体已经在运动,如果没有任何其他的外在因素作用于这个物体,来阻止它的运动,那么这个物体就会在它自己的惯性下保持自己的运动状态。例如,一个在冰球场地上滑动的冰球只有在撞到墙上或者有足够的摩擦力时才会停下来。没有外力,如摩擦力或墙壁的阻挡,冰球将永远在它自己的惯性下滑动。

而惯性定律只是一个概念上的陈述。惯性定律更普遍、更数学化的版本叫做动量守恒定律。它指出,如果没有任何静外力作用于一个物体,那么这个物体的总动量将保持不变。

自然界有两种基本的运动类型:直线前进(直线运动)和圆周转动(旋转运动)。对于这两种运动,未受扰动物体的动量是守恒的。换句话说,一个在直线上向前运动的物体如果不受干扰,将继续沿直线向前运动,而一个在旋转的物体如果不受干扰,将继续旋转。

例如,如果我们让一个陀螺旋转起来,按理来水它就会一直旋转。我们看到它停止了,是因为有摩擦力的存在(地面和空气),但如果没有摩擦,它就会一直旋转。动量守恒定律既适用于直线运动,也适用于旋转运动。对于旋转运动,这个定律叫做角动量守恒定律。

这就是为什么太阳可以一直旋转。因为在太空中没有有效的摩擦,也没有任何东西抓住太阳,更没有任何东西能够阻挡太阳。因此,它只是在自己的角动量下保持旋转。这种效应不是太阳的某种特殊性质。所有的行星、卫星和恒星都因为同样的原因而旋转。其跟静止状态是一样的普通。

这些概念自然引出了下一个问题:太阳最初是怎么旋转起来的?

这个问题的答案就有点复杂了,其归结为角动量守恒定律、引力和分子热运动的共同作用。先了解一个知识点:物体的总角动量保持不变,即使对象改变形状,只要物体不受外界影响。物体的角动量等于它的旋转角速度乘以它的转动惯量。转动惯量指定物体的质量相对于旋转轴的分布情况。为了保持角动量不变,如果物体的转动惯量下降(即收缩得更紧),它的转动速度则必须提高。

其实我们已经见过这种效果。例如一个滑冰运动员在一个地方快速旋转。当他抱紧手臂时,旋转惯量就会朝轴向收缩,因此他的旋转速度就加快了。当她伸出双臂时,质量分布就远离了旋转轴,因此他的旋转速度就减慢了。所有这些都是因为她的总角动量必须保持不变。其实我们可以亲身体验这种效果,坐在转椅上,让脚离开地面,然后旋转转椅,我们可以通过伸展手臂和腿来控制旋转的速度。

这种影响的另一个例子是水槽里的水流入下水道。由于水分子的自然振动,一盆水的起初的旋转动量非常小,也无法观察到,但是有时你在水中放一个树叶或者十分轻的东西,你也会看到在静止的水里,它们有时会转圈,这就是因为水分子的热运动的不均衡造成的,但是当水快速流向排水口时,水的质量分布会积聚收缩,为了保持它微小的角动量不变,水就会在看观察到的情况下缓慢的加速旋转。(与人们普遍认为的相反,水流进排水口的漩涡运动并不是科里奥利力造成的)

现在让我们回到太阳或者整个太阳系,我们知道太阳系是由一团巨大的气体和尘埃云形成的,由于气体云分子的热随机运动,这片云就获得了非常少量的旋转运动,根据统计数据,任何流体物质云几乎不可能有精确的零转动运动。这么说来,你让一个物体完全静止才是特殊状态呢,而运动才是宇宙的常态。

还有就是引力的作用,不在一条直线上的气体云之间会通过引力作用互相靠近,这样也会为气体云本身提供比较大的旋转动量。

随着时间的推移,这团气体和尘埃在引力的影响下坍塌,形成了太阳和太阳系中的行星。就像水流进排水口一样,角动量守恒就会使得塌缩的太阳拥有更快的速度,而行星则有更快的旋转速度。因为行星和太阳都是由同一片气体云中形成的,所以行星都沿着与太阳自转的同一个方向运行。

总之,太阳一直在旋转,因为没有什么可以阻止它。太阳开始旋转,因为它是由一大团气体云形成的,气体云会因为分子的热运动和引力作用获得初始的旋转动量。