一個簡單的原因——角動量守恒。 我們都知道天體是由物質聚集而成的。 重力將物質粒子拉向中心。 這個過程涉及無數粒子的相互作用以及動量轉換和守恒。 宏觀結果是最終的天體很難保證旋轉角動量。 互相抵消為零。 大多數天體不自轉,但也有例外。
下面我們詳細討論一下:
角動量的概念 角動量是描述物體做圓周運動的動量的矢量。 它是圓周運動和直線運動中動量的等效概念。 其大小等于物體的動量,其方向與旋轉方向一致。 封閉系統中角動量守恒。
通俗地講節約,可以形容為“不用則不減,不增則增”,“內部無論做多少,都不會多或少”。 重點是一個封閉的系統——一個與外界沒有任何作用或交互的系統,一個孤立的系統,一個“不被使用”和“不使用其他東西”的系統。
m1*v1*r1=m2*v2*r2
質量、速度和旋轉半徑構成角動量三要素。 如果保守的話,它們的乘積是恒定的。
角動量守恒定律是物理學中的關鍵守恒定律之一,其他守恒定律還有能量守恒定律和(線性)動量守恒定律。 這些定律甚至適用于量子力學控制的微觀領域,它們的存在可以歸因于自然界固有的對稱性。
我們首先看一個角動量守恒的例子。
如圖所示,花樣滑冰運動員的旋轉運動可以被視為角動量守恒的一個例子。 花樣滑冰運動員所受到的冰面摩擦力非常小(凈扭矩),幾乎為零。 這有兩點很重要:
冰刀與冰面的接觸面積和摩擦系數很小,產生的摩擦力很小,并且(力很小)
冰面和冰刀尖端之間發生的一點點摩擦的作用點非常接近旋轉軸的中心(扭矩很小)。
上圖:角動量守恒,
天體自轉也是同樣的原因造成的
但天體形成的過程非常復雜,但復雜的過程也必須遵守簡單的動量守恒定律。
雖然簡單地看,我們可以認為,如果引力是天體匯聚的原因,那么天體也可以以非旋轉的方式匯聚,因為引力只提供向心引力動量守恒但角動量不守恒的例子,就像我們縮回胳膊和腿一樣當我們站在不同的時間。 它不會導致我們旋轉。 那么為什么大多數天體都會自轉呢?
因為天體以不旋轉的方式形成的可能性極小。
“不旋轉”顯然意味著“天體的固有角動量為零”。 您必須知道,在宏觀尺度上,角動量是一個連續量,具有無限范圍的可能值。 因此,當一些天體開始從星云匯聚,或者從原行星盤分離時,它們的總角動量就會有一個分布,但這種分布是混亂且不均勻的,這就導致當行星最終聚集形成天體時,其總角動量會存在一個分布。角動量是其組成粒子的角動量的矢量和,不能為0。
上圖:星云收縮過程中,由于角動量守恒,整個星云團的旋轉速度變得越來越快。 這與花樣滑冰運動員過去把手腳移開的效果非常相似。
更重要的是,許多天體本質上是不對稱的。 即使形成了相對穩定的天體,其角動量分布也是不均勻的。 考慮到天體的不平衡性以及它們幾乎相當于空間中的封閉系統的事實,這些天體的自角動量最終之和幾乎不可能完全等于0。
上圖:太陽系形成的星云假說中角動量守恒的描述。
換句話說,輪換是不可避免的。 不旋轉是偶然的,而且幾乎是不可能的。
角動量守恒是當今地球和月球旋轉方式的原因
上圖:月球是在原始地球被另一顆較小的原始行星忒伊亞撞擊后形成的。 在此過程中角動量保持守恒。 即使一塊小石頭撞擊地球,角動量也是守恒的。 所以你可以想象,在任何天體系統中,微小的變量都可能導致整個系統的角動量不可能恰好為0,因為即使有一個沒有角動量的完美系統,一顆小石子突然飛起來動量守恒但角動量不守恒的例子,甚至一個沙粒會導致整個系統的最終角動量無法保持在0,它會旋轉(盡管可能會很慢)。
恒星形成的速度會影響星系中角動量的分布,從而產生不同形狀的星系。
上圖:由于橢圓星系中初始恒星形成劇烈,橢圓星系基本上不旋轉(但不完全旋轉,只是旋轉得很慢)。 在螺旋星系形成的早期階段,恒星形成率不高,恒星不斷形成,產生比較大的角動量,因此存在比較明顯的旋轉。
黑洞可能不會旋轉
黑洞質量太大,但黑洞具有極高的對稱性,因此可能具有巨大的角動量,但也可能由于其獨特的時空特性而無法對外表現出旋轉的特征,雖然理論上可能存在是三種類型的旋轉黑洞。
上圖:黑洞旋轉的三種形式。
我們的宇宙在旋轉嗎?
答案可能是旋轉和不旋轉。 因為在整個宇宙這個超宏觀層面上很難定義角動量和旋轉。