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宇宙中所有天體都在旋轉,它們最初旋轉的角動量來自哪里?

發布時間:2019-12-10 10:24:11  作者:宇宙探索  來源:宇宙探索  閱讀:164

      當宇宙中的天體開始形成時,它們最初的角動量是如何來的呢?我們首先要知道,當一個物體開始轉動時,也就是擁有角動量以后,只需要改變它的轉動慣量就能夠改變它的旋轉速度。
      轉動慣量也稱為慣性矩,那么慣性矩是什么?
    宇宙中所有天體都在旋轉,它們最初旋轉的角動量來自哪里?
      牛頓第二定律告訴我們,力等于質量乘以加速度(F = ma),更準確的說法:力是物體的動量隨時間變化的方式。如果你對一個物體施加一個外力,這個物體的動量,或者說它現在的運動方式就會發生變化,并且會精確地告訴我們動量的變化量。如果不對物體施加外力,它的動量就不會發生改變。
      如果宇宙中所有的物質都是由點質量沿同一條直線構成的,那么宇宙這個系統中就不會存在角動量這么一說。但是在真實的宇宙中,物體的運動分布在三個維度上。
      所以在一個系統中不僅有動量,而且還有角動量。動量的變化依賴于質量,角動量的變化依賴于質量和質量分布的組合形式。質量及其分布方式構成了慣性矩。牛頓第二定律與物體如何改變其動量有關。描述了質量在速度上是如何變化的,有一個等價的定律同樣是來描述物體的角動量是如何變化的,或者慣性矩在旋轉速度上是如何變化的。
    宇宙中所有天體都在旋轉,它們最初旋轉的角動量來自哪里?
      花樣滑冰運動員在加速旋轉時,改變胳膊和腿的位置就是慣性矩在速度上如何變化的最好例子:當運動員的質量分布更接近旋轉軸時,慣性矩就變小了,相應旋轉速度就會增加以補償慣性矩的減小。所以旋轉物質質量分布變化(上升或下降),相應的旋轉速度也會變化(下降或上升)來補償,以達到動量守恒。就像牛頓第二定律告訴我們的,我們可以通過施加一個外力來改變一個系統的動量,也可以通過施加一個外力來改變一個系統的角動量。
      力矩就是這樣一種力,它能改變一個物體的旋轉狀態。
      宇宙中氣體云的角動量是怎么來的?
    宇宙中所有天體都在旋轉,它們最初旋轉的角動量來自哪里?
      宇宙中的每一個恒星系統都曾經是由氣體和塵埃組成的氣體云。氣體云的質量可能是太陽質量的數千倍或數百萬倍,而且它們曾經散布在數百或數千光年的范圍。如果這些氣體云或者我們今天看到的氣體云有任何形式的旋轉,由于慣性距太大,旋轉速度就會非常非常小,基本上無法探測到,因為彌散的氣體云可能需要數十億年才能完成一次旋轉。
      但是氣體云和宇宙中的所有物體一樣,并不是孤立存在的。氣體云存在于宇宙中所有其他物質和能量之中,所有的物質都受萬有引力定律的制約。當宇宙中的任意兩個質量相對運動時,只要它們之間稍微錯開一點點距離,兩個物質之間相互施加的引力就會產生一個力矩,從而在引力的作用下產生角動量。
    宇宙中所有天體都在旋轉,它們最初旋轉的角動量來自哪里?
      這一現象被稱為潮汐力矩,早在1976年,物理學家Jim Peebles就從理論上解釋了宇宙天體角動量的來源。這就是為什么宇宙幾乎每一個質量物體無論它是否以非零角動量誕生,138億年以后都存在一個角動量。包括每一片氣體云,包括形成我們太陽系的氣體云。
      我們可以把巨大的氣體云進一步分解,分解成形成獨立恒星和恒星系統的區域。就以我們太陽系來說。
      太陽系的各大天體為什么公轉方向和自轉方向幾乎相同
    宇宙中所有天體都在旋轉,它們最初旋轉的角動量來自哪里?
      不論最終形成太陽系的氣體云其內部角動量是多少,一開始氣體云都是以三軸橢球體的形狀分布的。氣體云一開始不可能是完美的圓球形,它在物質分布上總會出現不均勻,上圖中三軸橢球體就是一個很好的類比,在橢球體中其中一個軸會比其他兩個軸更短。當氣體云受引力作用坍縮時,首先會沿著最短的軸以最快的速度坍縮,因為正常物質,所有恒星和行星的組成物質會在引力的作用下相互作用和碰撞,氣體云收縮以后其旋轉速度也會加快。
    宇宙中所有天體都在旋轉,它們最初旋轉的角動量來自哪里?
      無論行星盤的角動量是多少,整個行星盤都會有一個整體的凈旋轉方向!這就是為什么在我們的太陽系中所有的行星都以相同的方向圍繞太陽旋轉(逆時針方向,從太陽的北極往下看),太陽也以相同的方向旋轉,幾乎所有的衛星都以相同的方向圍繞著行星旋轉,所有的行星都以相同的方向繞軸自轉。
      只是兩個例外:金星幾乎不旋轉,方向也是相反的;天王星直接躺在軌道上旋轉。這兩個世界的角動量都被認為在外部物體的干涉下發生了顯著的改變,很可能是很久以前發生了一次巨大的碰撞。也就是說,它們的旋轉是受外部扭矩的影響而改變的!
      這就是為什么行星、衛星、恒星和恒星系統會這樣旋轉的原因!
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