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宇宙中的各種天體為什么要轉(zhuǎn)?

 kanglanlan 2019-09-27

一個(gè)簡單的原因——角動(dòng)量守恒。我們都知道天體是物質(zhì)匯聚而成的,引力將物質(zhì)顆粒向心牽拉聚攏,而這個(gè)過程涉及到無數(shù)粒子的相互作用以及動(dòng)量轉(zhuǎn)化和守恒,其宏觀結(jié)果是最終的天體幾乎無法確保旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量相互抵消為零。絕大多數(shù)天體都是不轉(zhuǎn)的,但也有例外。

下面詳細(xì)討論一下:

角動(dòng)量概念

角動(dòng)量,是描述圓周運(yùn)動(dòng)中物體動(dòng)量的矢量,是圓周運(yùn)動(dòng)中與直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)量的對(duì)等概念,其大小等于物體的動(dòng)量,其方向與旋轉(zhuǎn)方向一致。封閉系統(tǒng)的角動(dòng)量守恒。

守恒

通俗一點(diǎn)來談守恒,可以描述成“不用就不減少也不增加”,“自己內(nèi)部不管怎么折騰都不會(huì)多一塊也不會(huì)少一塊”。其重點(diǎn)在于封閉系統(tǒng)——一個(gè)不與外界發(fā)生任何作用和交互的系統(tǒng),一個(gè)孤立的系統(tǒng),一個(gè)“不被用”,也“不用其它東西”的系統(tǒng)。

m1*v1*r1=m2*v2*r2
  • m1=初質(zhì)量,m2=終質(zhì)量

  • v1=初速度,v2=終速度

  • r1=初半徑,r2=終半徑

質(zhì)量、速度、旋轉(zhuǎn)半徑構(gòu)成了角動(dòng)量的三個(gè)要素,如果守恒的話,它們的乘積就是不變的。

角動(dòng)量守恒是物理學(xué)中的關(guān)鍵守恒律之一,它與能量和(線性)動(dòng)量守恒律并列。這些定律甚至適用于量子力學(xué)支配的微觀領(lǐng)域,其存在可歸因于自然界中固有的對(duì)稱性。

先來看一個(gè)角動(dòng)量守恒的例子

如圖所示,花樣滑冰選手的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作可以視為角動(dòng)量守恒的一個(gè)例子?;ɑx手受到的冰面摩擦力非常?。▋襞ぞ兀缀踅咏诹?,這有兩個(gè)要點(diǎn):

  1. 冰刀和冰面之間的接觸面積小、摩擦系數(shù)小,導(dǎo)致摩擦力非常小,并且(作用力?。?br>

  2. 冰面與冰刀尖端之間發(fā)生的那點(diǎn)點(diǎn)摩擦力的作用點(diǎn),非??拷D(zhuǎn)軸中心(力矩小)。

上圖:角動(dòng)量守恒,

  • a圖中一位溜冰者在伸直雙臂的同時(shí)在其冰刀的尖端上旋轉(zhuǎn)。她的角動(dòng)量幾乎不會(huì)受到損失,因?yàn)椋ū叮┦┘釉谒砩系呐ちψ饔煤苄?,她幾乎可以等同于一個(gè)封閉系統(tǒng)。

  • 在b圖中,她收攏手腳時(shí)旋轉(zhuǎn)速度大大提高,是因?yàn)槭帜_收攏后這部分肢體的旋轉(zhuǎn)半徑減小了,從而減少了“慣性矩”(類似力矩),慣性矩小了,這又是封閉系統(tǒng),動(dòng)量要保持守恒(質(zhì)量x速度x半徑要保持不變),所以只有速度提升,所以這個(gè)收攏身體的動(dòng)作成為了花滑運(yùn)動(dòng)員驚人旋轉(zhuǎn)的訣竅。

天體的旋轉(zhuǎn)也是同樣的的原因

但天體形成的過程非常復(fù)雜,不過復(fù)雜的過程也要遵守簡單的動(dòng)量守恒定律。

雖然簡單的看,我們可以認(rèn)為,如果引力是形成天體匯聚的原因的話,那么天體也可以以不旋轉(zhuǎn)的方式匯聚,因?yàn)橐χ惶峁┫蛐牡奈?,就像我們站著不同的時(shí)候收回手腳并不會(huì)導(dǎo)致我們旋轉(zhuǎn)。那為什么絕大部分天體都要旋轉(zhuǎn)呢?

因?yàn)樘祗w以不旋轉(zhuǎn)的方式形成的可能性極小。

“不旋轉(zhuǎn)”明確意味著“天體具有的固有角動(dòng)量為零”。要知道,在宏觀尺度上,角動(dòng)量是一個(gè)連續(xù)的量,具有無限可能的取值范圍。因此,當(dāng)一些天體從星云開始匯聚,或從原行星盤中分離出來時(shí),其總角動(dòng)量會(huì)有一個(gè)分布,但這個(gè)分布式混沌且不均勻的,這導(dǎo)致當(dāng)行星最終聚攏到形成天體時(shí),其角動(dòng)量是其構(gòu)成粒子的角動(dòng)量的矢量和,且不可能為0。

上圖:星云在收縮的過程中,由于角動(dòng)量守恒,整個(gè)星云團(tuán)的轉(zhuǎn)速也來越快。這非常類似之前花滑運(yùn)動(dòng)員收起手腳的效果。

何況很多天體本身就是不對(duì)稱的,即便形成了相對(duì)穩(wěn)定的天體,其角動(dòng)量分布也是不均衡的。考慮到天體的不均衡性,以及在太空中幾乎可以等價(jià)于封閉系統(tǒng)的情況,這些天體最終的自體角動(dòng)量的總和幾乎不可能精確等于0。

上圖:太陽系形成的星云假說中關(guān)于角動(dòng)量守恒的描述。

  • 自體引力使星云收縮;

  • 因?yàn)榻莿?dòng)量守恒使星云變成盤狀(變成盤狀是因?yàn)槌嗟捞幍霓D(zhuǎn)矩最大),并且開始旋轉(zhuǎn);

  • 中央質(zhì)量形成原始太陽,且離心力與引力(向心力)平衡導(dǎo)致了環(huán)的形成;

  • 環(huán)上的物質(zhì)形成行星

也就是說,旋轉(zhuǎn)是必然的。不旋轉(zhuǎn)才是偶然的,而且?guī)缀醪豢赡堋?/p>

角動(dòng)量守恒造就了地球和月球如今的旋轉(zhuǎn)方式

上圖:原始地球因?yàn)楸涣硪活w較小的原始行星Theia撞擊之后,形成了月球。在這個(gè)過程中角動(dòng)量保持守恒。即便是一顆小石頭撞地球也是角動(dòng)量守恒的。所以你可以想象在任何天體系統(tǒng)當(dāng)中,微小的變量也可能導(dǎo)致最終整個(gè)系統(tǒng)的角動(dòng)量不可能精確為0,因?yàn)榧幢阌幸粋€(gè)完美的沒有角動(dòng)量的系統(tǒng)存在,突然飛來一顆小石子,甚至一顆沙粒就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)最終的角動(dòng)量無法保持為0而旋轉(zhuǎn)起來(雖然可能會(huì)非常慢)。

恒星形成速率影響了星系角動(dòng)量的分布從而造出了不同形狀的星系

上圖:由于橢圓星系內(nèi)初期恒星形成太劇烈,因此橢圓星系基本不旋轉(zhuǎn)(但不是完全不轉(zhuǎn),只是旋轉(zhuǎn)很慢)。而漩渦星系形成初期恒星形成速率不高,恒星持續(xù)形成,因此造成了角動(dòng)量比較大的情況,所以就有比較明確的旋轉(zhuǎn)。

黑洞可以不轉(zhuǎn)

黑洞質(zhì)量太大,但黑洞又具有極高的對(duì)稱性,因此它可能具有巨大的角動(dòng)量,但也可能因?yàn)槠洫?dú)特的時(shí)空特性而在外部無法表現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)的特征,雖然理論上可能有三種黑洞的旋轉(zhuǎn)形式。

上圖:黑洞的三種旋轉(zhuǎn)形式。

  • 上:倒轉(zhuǎn),黑洞的旋轉(zhuǎn)方向與吸積盤相反

  • 中:不轉(zhuǎn),黑洞不轉(zhuǎn),吸積盤旋轉(zhuǎn)(但是否存在絕對(duì)不轉(zhuǎn)的黑洞這很難說)

  • 下:順轉(zhuǎn),黑洞的旋轉(zhuǎn)方向與吸積盤相同。



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