一个令人费解的谜题——它是由角动量守恒这一原理所驱动。普遍认知是,星球的形成过程是物质的汇聚,引力吸引着物质颗粒向中心聚集,这一过程涵盖了无数粒子的相互作用及动量的传递和保持,在宏观层面的效应是,最终形成的星球几乎不会相互抵消其旋转所带来的角动量,大部分星球都处于静止状态,但例外的情况同样存在。
让我们来深入探讨一下:
角动量,即描述粒子在圆周运动中所携带的动量,类似于直线运动中的动量,它的大小取决于粒子的动量,其方向与粒子的旋转方向保持一致。在封闭系统中,角动量保持不变。
让我们用通俗的语言来描述守恒:“不增加也不减少”,“系统内部无论如何变化都不会有所增减”。关键在于封闭系统——一个与外界不发生交互作用的系统,一个孤立的系统,一个“既不消耗也不依赖其他”的系统。
角动量由质量、速度和旋转半径这三个要素构成,如果系统守恒,那么这三个要素的乘积应是恒定的。
角动量守恒是物理学中的基本守恒定律之一,与能量和线性动量守恒律并驾齐驱。这一定律甚至在由量子力学主宰的微观世界中同样适用,其存在的根基可归结为自然界固有的对称性。
来看一个有关角动量守恒的案例
请观察下图,花样滑冰运动员在进行旋转时,便是角动量守恒的一个例证。花滑运动员所受的冰面摩擦力极小(几乎为零的净扭矩),其有两个关键点:
一是冰刀与冰面的接触面积小、摩擦系数小,导致摩擦力微小,即作用力微小;
二是摩擦力的作用点非常接近于旋转轴心,即力矩极小。
图a展示了一位滑冰者在伸展双臂时,其冰刀尖端所进行的旋转。她的角动量几乎不会流失,因为冰刀对她施加的扭矩极小,她几乎可以视作一个封闭系统。
在图b中,她缩回四肢时,旋转速度显著加快。因为四肢收缩后,旋转半径减小,从而降低了“转动惯量”(类似力矩)。在封闭系统中,动量保持守恒(质量x速度x半径保持不变),因此速度只能提高。因此,收缩四肢的动作成为了花滑运动员实现高速旋转的秘诀。
星球的旋转亦有着类似的机理
尽管星球形成的过程繁复无比,但即便是复杂的过程也需遵守简单的动量守恒法则。
乍看之下,我们可能会认为,若星球的形成是引力作用所致,星球也可以在不旋转的情况下聚集。引力仅提供向心的吸引,如同我们站在原地收拢四肢并不会引发自身旋转。那么,为何绝大多数星球都会旋转呢?
因为,星球在不旋转的情况下形成的几率微乎其微。“不旋转”意味着“星球所具有的固有角动量为零”。要知道,在宏观世界中,角动量是连续的量,拥有无数的可能值。因此,当星球从星云开始聚集,或从原行星盘中分离,其总的角动量会有一个分布,但这个分布是混乱且非均匀的,导致星球最终形成时,其角动量是构成其的粒子角动量的矢量和,且不可能为零。
上图所示:星云在收缩过程中,由于角动量守恒,整个星云团的旋转速度也随之加快。这与花滑运动员缩回四肢十分相似。
更何况许多星球本身就不对称,即便形成了较为稳定的结构,其角动量的分布也非均衡。考虑到星球的非对称性,以及在太空中可视为封闭系统的状况,这些星球最终的自体角动量总和几乎不可能刚好为零。
上图:关于太阳系形成过程中的星云假说与角动量守恒的描绘。
星云在自身引力作用下收缩;
角动量守恒导致星云呈盘状(呈盘状是由于赤道区域的转矩最大),并开始旋转;
中央质量聚集形成原始太阳,离心力与引力(向心力)平衡形成环状;
环上物质聚集形成行星。
也就是说,旋转是常态。而不旋转则是例外,且几乎不可能发生。
角动量守恒成就了地球与月球现今的旋转模式
上图:在远古时期,一颗名为Theia的原始行星撞击了原始地球,从而形成了月球。在此过程中,角动量保持不变。即便是微小的石块撞击地球,角动量同样守恒。因此可以设想,在任何天体系统中,微小的变化都可能导致最终系统的角动量无法精确为零。因为哪怕是一个初始无角动量的系统,一颗小石子甚至一粒沙子的撞击都可能令整个系统产生不为零的角动量,进而开始旋转(尽管旋转速度可能极慢)。
恒星的形成速度会影响星系的角动量分布,进而形成不同形态的星系
上图:椭圆星系内部初期恒星形成速度过快,导致其基本不旋转(但并非完全静止,只是旋转速度缓慢)。而螺旋星系形成初期恒星形成速度较慢,恒星持续形成,因此拥有更大的角动量,从而展现出明显的旋转特征。
黑洞质量巨大,且具有独特的对称性,因此可能拥有极大的角动量,但由于其特殊的时空性质,在外部可能无法观察到其旋转特性,尽管理论上存在三种可能的黑洞旋转状态。
上图:黑洞的三种旋转状态。
上图:反转,黑洞旋转方向与吸积盘相反;
中图:不转,黑洞静止,吸积盘旋转(但黑洞是否存在绝对静止状态尚存疑问);
下图:正转,黑洞旋转方向与吸积盘一致。
我们的宇宙是否在旋转?
答案可能是既在旋转又不在旋转。在超宏观尺度上,定义整个宇宙的角动量和旋转几乎是不可能的。
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