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天体目前旋转靠惯性,那最初是什么推动天体旋转的?

zhao_admin1年前 (2022-05-25)科学课件32

天体目前旋转靠惯性,那最初是什么推动天体旋转的?

我们在观察宇宙天体的运行时,发现它们都有着两种基本的运动状态,即自转和公转。按照牛顿力学定律,当一个物体在没有受到任何外力或者外力的合力为零时,这个物体就将保持续原有的静止或者匀速运动状态,这个规律也被称为惯性定律。在茫茫宇宙中,一个天体不可能不受到引力的作用,因此维持它运动的原因就要归功于所受到的外力合力为零。那么,天体旋转最初的能量来源是什么呢?

我们在日常生活中经常可以体会到惯性作用的例子,比如坐在车里急刹车身体会前倾、在水泥地上弹玻璃球可以弹出很远、在冰面上玩陀螺能够持续很长时间等等,但这些例子中的物体运动,隔一段时间以后都会减速最终停止,主要原因在于物体受到了摩擦力的作用,物体所受到的外力合并不为零,因此即使物体都有保持原有运动即拥有惯性的“本领”,但在外力不为零的情况下,物体的运动运动状态肯定会发生变化。

对于处在宇宙空间中的天体来说,由于空间中的气体分子密度非常微小,几乎可以忽略不计,因此对于较大质量的天体来说,其本身因为时刻处于运动中,它们拥有着巨大的惯性,在其所受到的外力合力基本为零的情况下,它们会一直保持着原有的运动模式。对于旋转的天体来说,衡量其转动能量有一个物理量-角动量,即这个物体在转动时其转动惯量与角速度的乘积:L=I*ω(这里L代表角动量、I代表转动惯量、ω代表角速度),角速度大家很好理解,就是单位时间旋转经过的角度;而转动惯量表达的是物体的质量相对于物体旋转轴的分布情况,其表达式为:I=m*r^2,这里m为物体的质量,r为物体的旋转半径。

在物理学中有一个应该最广泛的定律,那就是能量守恒定律,而针对旋转的物体,其能量守恒的表达形式就是角动量守恒,旋转物体的能量,在没有外界因素的影响下,不会因物体形状的改变而发生改变。我们平时在看冰上运动项目时,运动员身体旋转就遵循着一定的动量守恒定律,当她的四肢伸展开来时,由于四肢距离旋转轴的距离变大,因此转动惯量变大,为了维持角动量守恒,则转动的角速度就会变小,表现出转动的速度变慢;而当她收缩四肢和身体时,表现出的结果正好相反,转动速度就会提升。

要分析宇宙中的天体-无论是公转还是自转-它最初的能量来源问题,我们按照能量守恒定律来看,势必要有相应的能量输入,而这个输入的能量,则来源于天体形成过程中其组成物质本身所具有的角动量。以太阳系为例,在距今50亿年前,其所在的区域还是被大量“浓密”的星云物质所笼罩,这些星云物质来源于上一任大质量恒星在生命演化的末期,通过超新星爆发而形成的,超新星爆发的能量,其中有一部分转化为星际物质的内能,然后星云气体就表现出随机的热运动形式,通过相互摩擦和碰撞,最终在整体上呈现出微弱的旋转运动模式。

在漫长的引力扰动作用下,这些星云气体持续发生着聚合和坍缩,越靠近质心的区域,星云气体由引力势能转化为动能的程度就越高,从而表现出角动量越大,因此最终形成了围绕星云质心短轴方向不断聚集的圆盘状密集星云,而在距离质心不同距离的区域,其旋转速度各不相同的局面。而对于核心区来说,随着坍缩物质越积越多,其本身质量就会越来越大、温度也越来越高,当达到一定程度以后就会在量子隧穿效应作用下激发氢元素的核聚变反应,最终形成向外持续释放能量的恒星。在太阳的形成过程中,其组成物质-星云气体原先所具有的角动量,则会被太阳所继承,成为太阳自转的能量源泉。

而没有被太阳吸收的剩余星云物质,也在围绕太阳公转的过程中,在与太阳距离不同的区域内也进行着缓慢的聚合和坍缩现象,最终在星云物质的引力以及太阳风的吹拂下逐渐形成固态行星和气态行星。这些太阳形成之后所剩余的“边角料”本身所具有的角动量,一方面成为行星围绕太阳公转的能量来源,另一方面也推动形成行星绕着一定的自转轴自转的能量来源。

从以上的分析我们可以看出,宇宙天体的旋转,其能量来源就是天体在形成之前,那些后来聚合形成这些天体的众多星际物质所具备的角动量,“众人拾柴火焰高”,无数的星云物质角动量集中起来,共同推动了天体在宇宙空间中持续进行着公转和自转,无论是月球围绕地球公转,还是太阳系围绕银河系中心运转,都离不开这种角动量的贡献。

因此,角动量是决定着天体旋转最根本的能量来源,而在天体诞生之后,还会受到诸如其他大质量天体引力、其它行星碰撞等因素的影响,从而进一步“雕琢”着天体的运行方式,使其旋转的特征发生着轻微的变化,从而造成各个天体的自转和公转有着多样化的态势,比如自转倾斜角的差异、公转轨道偏心率的不同等等。

(首)辩证唯物主义告诉我们,物质都是运动的,不运动的物质是不存在的,运动是物质的根本属性。我们还知道,物质包括质量与能量二个方面,能量归属于物质,能量是不能单独存在的,那么能量到底是什么呢?我个人认为能量就是物质的运动,对,就是“物质的运动”,就是说,物质所包含或者说所蕴含的能量,是以运动的形式来包含或蕴含的。这种说法可能太抽象,但它是对于能量的最高概括。“物质的运动”,即能量,与无论宏观天体、物体,还是微观粒子,多以旋转的形式表现的。

人们通常把光说成、看成能量,而实际上光也是物质而不是纯能量。之所以把光看成能量,不是它每个单位所包含的能量高,假如光子可以秤量,那么一斤光子与一斤棉花所包含的能量是等量的,这就是爱因斯坦质能方程。把光看成能量,是因为光在一定条件下所释放的能量大,光速最快,决定了它的动量也最大。

光是物质的,同样,大爆炸的奇点也是物质的,是一种物质形态、一个物质体,而不是纯能量。物质自身的运动,可分为内部运动与外部运动,比如对于一个原子来说,它作为一个整体在空间的运动是外部运动,而它的电子与原子核内部的运动就是内部运动。对于整个宇宙来说,它只有内部运动而没有外部运动的。奇点,作为宇宙演变过程中的一种存在方式,若存在运动,也必将只有内部运动的。那么,奇点内部究竟存不存在运动呢?正如上面所分析的那样,任何物质都存在着运动,而奇点是一种物质,必然也存在着运动,即内部运动,无论它多么地小,从人类的认识角度上讲很难以想象,但是只要承认能量不能离开物质体而单独存在,那么奇点就是一个物质体,而不是纯能量。纯能量若没有物质体的包含,就散了,而不是爆炸的。只有在物质体急剧坍塌、缩小,内部运动急剧提高,使得如此小的物质体(奇点),承担不了这种无限大的运动时,才会爆炸的,这就是奇点大爆炸的原因。

回到原题。在奇点中,如此小的体积,承担如此巨大的运动,必然以旋转运动的方式进行,这就是宇宙最初旋转运动的起因。

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