Question

为什么天体的轨道是椭圆的?

Answer 1

哦,这个问题的来龙去脉比较长,容我慢慢给你解释!
早在十七世纪,科学家们就注意到了行星的椭圆性轨道问题.素有“天空立法者”盛誉的德国天文学家开普勒,于1609年发表了两条关于行星运动的定律,其中第一条定律说：每一行星都沿着椭圆轨道绕太阳运行,太阳位于椭圆轨道的一个焦点上.那么,行星的运动轨道为什么是椭圆形,而不是标准的圆形呢?这一问题在万有引力定律问世之前,曾困扰了许多科学家.1684年,当时著名的科学家惠更斯、胡克和哈雷等人,虽然他们都认为天体间的引力作用存在着“与距离的平方成反比”的关系,但是,却难以解释行星的椭圆形轨道问题.据说,当哈雷登门拜访牛顿时,才知道这个问题牛顿早己在两年前解决了.
牛顿是如何解决这一问题的呢?根据物体的初始速度和位置,牛顿通过计算证明,在万有引力的作用下,物体的运动轨迹有三种：椭圆轨道、抛物线轨道和双曲线轨道.如果行星的初始速度很大或离太阳很远,就会形成抛物线轨道或双曲线轨道,它们都属于非闭合轨道.在抛物线与双曲线的轨道上,行星只能在太阳附近出现一次,以后就消失了.而太阳系诸行星之所以能够在椭圆形轨道上运行,就是因为行星最初离太阳不是很远,或者运动的初始速度不是特别大.
问题似乎顺理成章地解决了,然而一经分析就会发现,牛顿在解决行星椭圆形轨道问题时,运用的是太阳系起源的俘获说.行星椭圆形轨道的形成是有前提的,即在太阳系的演化过程中,行星必须是具有一定初始速度和位置的外来客体,这是俘获说的观点.而现代太阳系起源学说认为,行星是在原始星云盘中诞生的,星云盘在绕星云核的旋转过程中形成星云环,然后再由星云环演化为行星.行星和太阳是由同一原始星云演化而来,这样诞生的行星只能运行在标准的圆形轨道上.行星与太阳的同源性,使牛顿对行星椭圆形轨道的解释失去了理论前提.
如果说行星不是按牛顿的俘获说演化而来的,那么行星的椭圆形轨道又是如何形成的呢?答案是太阳旋转质量场的作用结果.
行星绕太阳公转,将受到来自太阳两种力的作用,其一是万有引力,力的方向垂直于行星的运动方向,它为行星的圆周运动提供了向心力.其二是太阳旋转质量场产生的涡旋力,力的方向与行星的运动方向相同,因而这种力将使行星圆周运动的线速度不断增大.
根据经典力学,做圆周运动的物体,在向心力不变的情况下,其轨道半径与线速度的平方成正比；所以当行星线速度增大时,其轨道半径将同时增大.因此,在太阳两种力的作用下,行星发生了非匀速圆周运动,由初始的圆形轨道进入了椭圆形运动轨道.行星的这一轨道演变,与银河系恒星的轨道演变过程完全相同.
唉,好辛苦!不知这样解释是否让楼主解惑?