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为什么所有天体都在不停地旋转?宇宙的动力来自哪里?

星星看着安安静静待在原地,实则每一颗都在忙着旋转赶路。绕太阳转一圈是一年,地球自转一圈是一天,连庞大的银河系都在慢慢旋动

星星看着安安静静待在原地,实则每一颗都在忙着旋转赶路。绕太阳转一圈是一年,地球自转一圈是一天,连庞大的银河系都在慢慢旋动,月球绕地球转带来潮汐。宇宙运行的底层逻辑,就是这些停不下来的旋转。我们所处的世界有多奇妙,读懂它们就能更清楚。

空间自身在急速膨胀,138亿年前的宇宙大爆炸,不是炸开的烟花。这个起点本就不是完美对称,存在着微小差异,所有物质和能量都从一个极小的点扩散而出。最终形成了星系团、星系和恒星系统,这些差异在宇宙膨胀过程中不断放大,如同面团里的小气泡越胀越大。这种运动从一开始就刻进了宇宙的本质里,天体物理学家爱德华·戈麦斯认为,宇宙的开端就是运动。

物理学中解释旋转不停歇的核心,是角动量守恒定律。简单来说,孤立系统中没有外力干扰,旋转的劲儿就不会改变。旋转速度却越来越快,太阳系最初是一团旋转的气体尘埃云,在引力作用下慢慢收缩。太阳和围绕它运转的行星最终形成,这种旋转的劲儿被一直保留,成为行星公转的基础。其实这种旋转是宇宙诞生时就带有的基因。很多人觉得宇宙的运动是被某种外力推动,其实不是。宇宙的旋转也是同理,甩出去的陀螺没阻力就会一直转,不需要额外动力维持。

宇宙里的最佳搭档,是万有引力和角动量守恒。两个天体靠近时,引力不会让它们直接相撞,反而会让它们绕着彼此运转。很多都是这两种力量配合的结果,比如地球绕太阳公转、月球绕地球运转。要是没有角动量守恒,宇宙早就成了一片死寂的尘埃,所有星星都会被引力拉着撞向更大的天体。要是地球突然不转了,白天永远是白天,晚上永远是晚上。大家的作息会不会彻底乱套?不过不用担心,角动量守恒会牢牢守住这种旋转节奏,让一切按部就班。

恒星的自转源于分子云的坍缩。巨大的分子云在自身引力作用下慢慢收缩,哪怕一开始转得特别慢,收缩过程中也会越转越快。分子云收缩时旋转速度也会急剧提升,滑冰运动员收拢手臂能加快转速,最终形成的恒星也就带着这种自转运动。

行星系统的形成要复杂一些。原始太阳星云中的物质分布不均匀,有的地方密有的地方疏,还带着初始的运动方向。盘中的物质相互碰撞、聚集,慢慢长成行星胚胎,在引力作用下,这些物质形成了旋转的原始行星盘,最终变成我们现在看到的行星。太阳系里几乎所有天体都顺着同一个方向转,少数逆向运动的天体要么被撞碎,要么被甩出太阳系,这是因为形成时大部分物质都朝着一个方向运动,慢慢变成了主流。

星系的旋转尺度更大,也更神秘。外层和内层转得差不多快,但实际观测发现,按可见的恒星和气体计算,星系外层本该转得比内层慢。这种看不见摸不着的物质,用引力拉住了星系外层,让旋转保持稳定,这个难题直到暗物质概念出现才得到解释,也让我们知道宇宙中还有很多看不见的力量在发挥作用。

天体的旋转不是一成不变,各种因素会慢慢改变它们的旋转状态。潮汐摩擦是最主要的原因,地球的自转速度就在慢慢减慢,45亿年前一天只有5小时,现在变成了24小时,就是月球引力引起的潮汐在刹车。月球也被地球的引力影响,这就是潮汐锁定现象,慢慢变成永远以同一面对着地球。要是能回到45亿年前的地球,一天只有5小时,上班上学是不是也只需要两小时?不过那时候地球环境恶劣,根本没法住人,也就是随便想想。

宇宙的旋转分很多层级,从微观到宏观层层递进。虽然和我们平时看到的旋转不同,但也遵循角动量守恒,基本粒子有类似旋转的自旋运动,中间尺度上,陨石、行星、恒星、星系,都在实实在在地旋转,甚至整个宇宙可能都在旋转,只是这个猜想还需要更多观测数据来证实。

我们每个人都是宇宙旋转的一部分,我们生活在旋转的地球里,地球绕着太阳转,太阳绕着银河系转。昼夜交替让我们有了作息节奏,四季变化带来了不同的风景,潮汐涨落滋养了海岸生态。这种运动并不止是遥远的天文现象,也和我们息息相关。