一张图读懂地球自转（揭秘自转和公转）

“什么导致了地球的自转和公转？”这一问题曾困扰人类许久。因为向心力和缺少摩擦以至于不能阻止地球旋转？还是因为牛顿第一定律的描述？如果是这样，那么向心力又从何而来？它是岩石被抛到宇宙并被太阳捕获的产物吗？对于自转我毫无头绪。会不会存在不自转的行星，还是说旋转是行星的必要条件？

物理学家：我将这归为两个问题：“自转最初是怎么产生的？”和“是什么让行星停留在运行轨道上？”。

自转最初是怎么产生的？地球围绕太阳的公转和它自身的自转一样，本质上是运气不太好的结果。

如果随便拿起一个物体抛入空中，你会发现让它完全不旋转几乎是不可能的，对星云（凝结形成恒星和行星的巨大气体尘埃云）来说也是一样。它们总是不可避免的拥有一点旋转。

当形成星系的气体云向内坍缩，物质在中心集成一团（太阳），同时周围伴有一个盘状平面，这个物质盘继续挤压形成众行星。这个过程被称为“积聚”，它循环往复的进行。

物质团旋转时会倾向于形成一个球体和一个圆盘

旋转虽不能避免，但它们各自的转速却有很大差异。木星上的一天只有10个地球时，而金星上的一天长达240地球日。一颗行星向哪个方向旋转和它旋转的速度是一个极其复杂的问题。有些行星是形成于由气体和尘埃组成的原始星盘（单一结构），这也解释了为什么太阳系中的行星自转公转的方向几乎一致。

地球自转和公转的方向一致，每到清晨6点，你就处在地球的“正面”。

一旦这个球团进行旋转，这时你会发现太阳系里充满了在不同轨道上运行的大小不一的巨大团块，且它们的旋转还在相互影响。例如，地球的卫星月球就是当时地球与一个火星大小的天体猛烈撞击，这次撞击将月球“抛”入了地球轨道。这种月球质量造成的潮汐效应，改变了地球旋转一天需要的时间。天王星也被认为是一次更大的碰撞的受害者，这次撞击使它的旋转轴与轨道轴（垂直于轨道的方向）倾斜了约98°，撞击同样戏剧性的改变了它的日时长。我们不了解它的过去，也无从得知它改变了多少。

总的来说，天体旋转是因为形成它们的星云在未坍缩时就已经在旋转了（尽管没有很快）。而那些不进行轨道旋转的物质则会落入太阳，成为太阳质量的一部分。如果太阳系所有物质都不旋转，那么现在的太阳会拥有太阳系内99.86%的质量。

重力—

，其中G是引力常数（指示引力强度），M是恒星的质量，m是行星的质量，R表示恒星行星间的距离。因为它在试图减小R值所以它是负的。你可以用反导数

求引力势能。力是势能的导数的负数，这意味着“物体要向下坠落”。

离心力Fc由公式

导出，这里R和m相等，“v”指切向速度（即不包括向恒星径向运动距离的行星围绕恒星的旋转速度）。还有一种用角动量表达的简单方式。由

导出的L总是常数，用L表示Fc 可以写成

。这样可以求得“离心效应势能”Uc。当然“效应” 一词只是物理学家们的小幽默：“对对对我知道离心力不是一种真正形式的力，只是幽默一下，别杠。”。

看总势能U=Ug Uc,，为什么轨道能稳定存在似乎有了答案。为了更好的演示，物理学家们经常使用“势能图”——一种描述力和能量的直观方式。要理解它并不难，只要想象将一颗小玻璃球放在线上然后想象它会怎么滚动。例如下图线上的“小球”会向左滚动，但距离不会太远。

用与太阳的距离表示的势能曲线。当行星太靠近太阳，离心力会把它“甩开“，当行星距离过远，引力又会将它”拉回来“。一个稳定的约束轨道中的行星没有足够的力从势能曲线的”坑“里甩出来。这张图也解释了为什么很难进入一个运行轨道，因为当你从远处向轨道前进，会有足够的力迫使你回到原点。

一个稳定轨道在势能曲线的凹槽内。如果离的太远引力将它拉回，离得太近离心力又会把它甩开。

如果你还想要一个对宇宙感到有趣的理由，那么——稳定的引力轨道只存在于二维和三维宇宙中！引力和声波光波的衰减是一样的（在我们的例子中是1/R2），所以假设我们的宇宙是D，引力Fg为

，当维度D≥3,，产生的引力势能

。当D=2.，引力势能

。

维度数量越高，引力衰减越快。一维宇宙不存在圆周运动和轨道。二维和三维宇宙里力在稳定轨道处平衡。四维宇宙中物体只能掉落或飞出（掉落或飞出取决于它的角动量）。五维或五维以上，如果距离近则引力主导，距离远离心力主导。

对低维度宇宙（2维/3维）来说，在形成轨道的区域小R面对的是更强的离心力，大R面对的是更强一点的引力；对高维宇宙来说，小R面临着更强的引力，大R面临的是更强的离心力，所以物质的结局只有两种——被抛出或坠落。在4维宇宙中力加强或衰减的强度同比率(~1/R3)升高，所以一旦一种力强于其他力，那么这种力将永远保持强大。

*从天体物理学角度来说，行星只是在弯曲时空中直线运动，并不额外拥有离心加速度。

作者：The Physicist

FY：曜

如有相关内容侵权，请于三十日以内联系作者删除

转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处

,