宇宙中的天体为何都在旋转?宇宙本身也在旋转吗?
一个简单的原因——角动量守恒。我们都知道天体是物质汇聚而成的,引力将物质颗粒向心牵拉聚拢,而这个过程涉及到无数粒子的相互作用以及动量转化和守恒,其宏观结果是最终的天体几乎无法确保旋转角动量相互抵消为零。绝大多数天体都是不转的,但也有例外。
下面详细讨论一下:
角动量概念
角动量,是描述圆周运动中物体动量的矢量,是圆周运动中与直线运动动量的对等概念,其大小等于物体的动量,其方向与旋转方向一致。封闭系统的角动量守恒。
守恒
通俗一点来谈守恒,可以描述成“不用就不减少也不增加”,“自己内部不管怎么折腾都不会多一块也不会少一块”。其重点在于封闭系统——一个不与外界发生任何作用和交互的系统,一个孤立的系统,一个“不被用”,也“不用其它东西”的系统。
m1*v1*r1=m2*v2*r2
m1=初质量,m2=终质量
v1=初速度,v2=终速度
r1=初半径,r2=终半径
质量、速度、旋转半径构成了角动量的三个要素,如果守恒的话,它们的乘积就是不变的。
角动量守恒是物理学中的关键守恒律之一,它与能量和(线性)动量守恒律并列。这些定律甚至适用于量子力学支配的微观领域,其存在可归因于自然界中固有的对称性。
先来看一个角动量守恒的例子
如图所示,花样滑冰选手的旋转动作可以视为角动量守恒的一个例子。花滑选手受到的冰面摩擦力非常小(净扭矩)几乎接近于零,这有两个要点:
冰刀和冰面之间的接触面积小、摩擦系数小,导致摩擦力非常小,并且(作用力小)
冰面与冰刀尖端之间发生的那点点摩擦力的作用点,非常靠近旋转轴中心(力矩小)。
上图:角动量守恒,
a图中一位溜冰者在伸直双臂的同时在其冰刀的尖端上旋转。她的角动量几乎不会受到损失,因为(冰刀)施加在她身上的扭力作用很小,她几乎可以等同于一个封闭系统。
在b图中,她收拢手脚时旋转速度大大提高,是因为手脚收拢后这部分肢体的旋转半径减小了,从而减少了“惯性矩”(类似力矩),惯性矩小了,这又是封闭系统,动量要保持守恒(质量x速度x半径要保持不变),所以只有速度提升,所以这个收拢身体的动作成为了花滑运动员惊人旋转的诀窍。
天体的旋转也是同样的的原因
但天体形成的过程非常复杂,不过复杂的过程也要遵守简单的动量守恒定律。
虽然简单的看,我们可以认为,如果引力是形成天体汇聚的原因的话,那么天体也可以以不旋转的方式汇聚,因为引力只提供向心的吸引力,就像我们站着不同的时候收回手脚并不会导致我们旋转。那为什么绝大部分天体都要旋转呢?
因为天体以不旋转的方式形成的可能性极小。
“不旋转”明确意味着“天体具有的固有角动量为零”。要知道,在宏观尺度上,角动量是一个连续的量,具有无限可能的取值范围。因此,当一些天体从星云开始汇聚,或从原行星盘中分离出来时,其总角动量会有一个分布,但这个分布是混沌且不均匀的,这导致当行星最终聚拢到形成天体时,其角动量是其构成粒子的角动量的矢量和,且不可能为0。
上图:星云在收缩的过程中,由于角动量守恒,整个星云团的转速也来越快。这非常类似之前花滑运动员收起手脚的效果。
何况很多天体本身就是不对称的,即便形成了相对稳定的天体,其角动量分布也是不均衡的。考虑到天体的不均衡性,以及在太空中几乎可以等价于封闭系统的情况,这些天体最终的自体角动量的总和几乎不可能精确等于0。
上图:太阳系形成的星云假说中关于角动量守恒的描述。
自体引力使星云收缩;
因为角动量守恒使星云变成盘状(变成盘状是因为赤道处的转矩最大),并且开始旋转;
中央质量形成原始太阳,且离心力与引力(向心力)平衡导致了环的形成;
环上的物质形成行星
也就是说,旋转是必然的。不旋转才是偶然的,而且几乎不可能。
角动量守恒造就了地球和月球如今的旋转方式
上图:原始地球因为被另一颗较小的原始行星Theia撞击之后,形成了月球。在这个过程中角动量保持守恒。即便是一颗小石头撞地球也是角动量守恒的。所以你可以想象在任何天体系统当中,微小的变量也可能导致最终整个系统的角动量不可能精确为0,因为即便有一个完美的没有角动量的系统存在,突然飞来一颗小石子,甚至一颗沙粒就会导致整个系统最终的角动量无法保持为0而旋转起来(虽然可能会非常慢)。
恒星形成速率影响了星系角动量的分布从而造出了不同形状的星系
上图:由于椭圆星系内初期恒星形成太剧烈,因此椭圆星系基本不旋转(但不是完全不转,只是旋转很慢)。而漩涡星系形成初期恒星形成速率不高,恒星持续形成,因此造成了角动量比较大的情况,所以就有比较明确的旋转。
黑洞可以不转
黑洞质量太大,但黑洞又具有极高的对称性,因此它可能具有巨大的角动量,但也可能因为其独特的时空特性而在外部无法表现出旋转的特征,虽然理论上可能有三种黑洞的旋转形式。
上图:黑洞的三种旋转形式。
上:倒转,黑洞的旋转方向与吸积盘相反
中:不转,黑洞不转,吸积盘旋转(但是否存在绝对不转的黑洞这很难说)
下:顺转,黑洞的旋转方向与吸积盘相同。
我们的宇宙在旋转吗?
答案可能是既在旋转也没有旋转。因为在全宇宙的这个超宏观的级别上,很难定义角动量和旋转。