宇宙中的各种天体为什么要转?
宇宙中的各种天体为什么要旋转?
在经典物理学中,牛顿定律,已经可以比较好地解释这个问题!
首先,是牛顿第一定律:任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态,直到外力迫使它改变运动状态为止。
从牛顿第一定律看,我们不难判断出, 天体之所以转,是因为天体受到了力的作用 ! 是作用力改变了,天体的运动状态。
至于这个力的来源,就有多种说法了!比如,万有引力、有质量物体扭曲周围空间产生的引力波、电磁力等等,这里就不多说了。我们主要是说说,天体在力的作用下是怎么转动的。
其次,天体的转动有两种。即公转和自转。
天体的公转 ,即一个天体要绕着另一个天体转动。这公转的形成,并不难理解。
我们可以假设,最初,宇宙就是两个相对静止的天体!他们之间存在着万有引力!那么,在引力的作用下,它们就会朝着对方,做加速直线运动,直到相撞。这时候,它还没转动。
相撞之后,产生了爆炸!之后,形成了无数的大大小小的天体。这些天体,会有一个远离爆炸点的速度,同时,这些天体之间,也存在引力。
假设,爆炸只产生了三个大小不等的天体,那么,它们会朝着三个方向飞行。这时候, 天体的受力方向,与它们飞行的方向,便产生了夹角。 于是,天体的飞行方向便发生了偏转。
在宇宙大爆炸的假设中,天体的运动也是如此。在不同方向的天体引力下作用下,天体速度方向发生偏转。以致形成,小质量天体,绕大质量天体公转的情况。
至于天体自转 ,即自我旋转。这也不难理解。刚才,我们了解了,天体公转是外界对天体整体引力导致的。现在,我们再深入一点,即探讨引力在天体的内部作用。
在天体诞生时,天体各部分密度不一样,导致各部分受力不均,产生了力矩。在力矩的作用下,天体有了角动量,便慢慢地旋转起来。一个自我旋转的天体,在没有受到外力矩的情况下,它会一直保持着这个角动量,维持着旋转状态。偶尔的天体碰撞,也会改变天体自转的角动量。
最后,回到我们的问题 。我们不难理解,天体为什么要转了!这并不是天体要转,而是宇宙中的力使然。
在宇宙中,天体的转动是十分普遍的现象。
地球本身有自转,同时还会绕着太阳公转。月球的阴晴圆缺是月球环绕地球公转的结果。虽然满月看起来都是一样的,但月球也有自转,只是自转与公转达到了同步。另外,太阳自身也有自转,平均周期为27天。同时,太阳还会环绕银河系中心旋转,周期大约为2.3亿年。
那么,为什么宇宙中的天体都会旋转呢?有没有不会旋转的天体呢?
万有引力定律表明,宇宙天体之间都有存在引力作用,如果没有办法对抗引力作用,天体就会互相吸引在一起。只有通过某种方式运动,天体之间才能避免在引力的作用下发生碰撞。也就是说,没有转动的天体都已经撞毁了,留下来的都是会转动的天体。
那么,天体是如何开始转动的呢?
天体的转动与其如何形成有关。宇宙大爆炸初期产生了大量由氢和氦组成的星云,它们在外部干扰下,比如附近有超新星爆发,将会坍缩形成恒星、行星、卫星以及其他各种小天体。太阳系的形成必然受到了上一代大质量恒星的影响,我们所知的重元素大都是来自于那颗恒星,它的超新星爆发送来了重元素。
星云中的组成粒子会互相碰撞,它们基本上不可能刚好互相碰撞抵消,使得星云的净角动量为零。因此,星云在某个方向上会有一个整体运动,而且随着引力坍缩,星云会在该方向上越转越快。
最终,恒星从星云中心形成,因为角动量守恒,恒星会保持自转。剩余的星云继续环绕恒星旋转,从中形成的行星和卫星不但会自转,而且也会公转。同样地,从星云中形成的银河系也会自转,其中的恒星会绕着星系中心旋转。
只有转动的天体才不会被其他天体的引力吸引过去,否则它们最终将会不复存在。不过,并非所有转动的天体都能永远存在。
在银河系附近的几百万光年空间中,存在数十个星系,它们组成了本星系群,银河系以及其他星系都会环绕本星系群的中心旋转。然而,由于本星系群中两个最大的星系——银河系和仙女座星系,它们之间的距离太过接近,引力作用十分强大,尽管这两个星系都有公转运动,但它们之间逐渐螺旋接近,大约在38亿年后会被引力吸引到一起。最终,宇宙中将不再有银河系,取而代之的是一个更大的椭圆星系。
这里涉及到两个问题。
第一:为什么要转?
这就跟你转呼啦圈一个道理。你想要让呼啦圈保持在你迷人的小腰肢上,就得让它转动,一旦不转,那就掉地上了。
宇宙中的天体是一个道理。比如地球必须围绕着太阳,以每小时10万公里的速度,在一个近似椭圆的轨道上拼命狂奔(法拉利的最高时速300多公里),要不然就得一头栽到太阳里面去。
其实地球应该也不愿意这样吧!但是没办法啊,宇宙中谁的引力大,谁就是老大。太阳的质量是地球的33万倍,地球只能乖乖绕着老大转,而且必须得达到这个速度,离心力才能和引力平衡,不然就会越转越靠近太阳,最后被老大化为灰烬。
转呼啦圈的力来自于你的小蛮腰。那宇宙中天体运行的力来自于哪里呢?
太阳系最初是一大团气体云,引力和压力共同作用在这团气体云上。引力会压缩气体云,让气体云变得越来越热,同时,气体云内部的压力也会变大,与引力平衡。
由于温度太高,气体云会向外辐射热能并发出耀眼的光芒,这导致压力变小,引力趁虚而入,进一步压缩气体……最后,密度最大的区域会变成一个核聚变反应堆,在这个反应堆里,氢原子聚变生成氦,一颗恒星就诞生了。
在气体云被压缩的过程中,气体轻微的旋转会被放大,旋转的气体云产生巨大的离心力。由于离心力的存在,引力会把气体云压缩成一个“超级大披萨”,被称为“原行星盘”。
如果这团气体云中除了氢和氦,还有碳、硅等比较重的元素,那么,在中心形成炙热恒星的同时,外层物质就会形成一种较冷的物体,也就是行星。
如果这一团气体云太大太重(比太阳重数百万甚至数万亿倍),那它最后就会变成一个星系。
所以,让天体转动的力来自于原始气体云的转动。而驱动原始气体云的,则是引力和其它三种基本力的共同作用。如果还要继续追根溯源,那么,一切的物质和能量都来自于138亿年前的宇宙大爆炸。