宇宙中的各种天体为什么要转？

在宇宙中，天体的转动是十分普遍的现象。

地球本身有自转，同时还会绕着太阳公转。月球的阴晴圆缺是月球环绕地球公转的结果。虽然满月看起来都是一样的，但月球也有自转，只是自转与公转达到了同步。另外，太阳自身也有自转，平均周期为27天。同时，太阳还会环绕银河系中心旋转，周期大约为2.3亿年。

那么，为什么宇宙中的天体都会旋转呢？有没有不会旋转的天体呢？

万有引力定律表明，宇宙天体之间都有存在引力作用，如果没有办法对抗引力作用，天体就会互相吸引在一起。只有通过某种方式运动，天体之间才能避免在引力的作用下发生碰撞。也就是说，没有转动的天体都已经撞毁了，留下来的都是会转动的天体。

那么，天体是如何开始转动的呢？

天体的转动与其如何形成有关。宇宙大爆炸初期产生了大量由氢和氦组成的星云，它们在外部干扰下，比如附近有超新星爆发，将会坍缩形成恒星、行星、卫星以及其他各种小天体。太阳系的形成必然受到了上一代大质量恒星的影响，我们所知的重元素大都是来自于那颗恒星，它的超新星爆发送来了重元素。

星云中的组成粒子会互相碰撞，它们基本上不可能刚好互相碰撞抵消，使得星云的净角动量为零。因此，星云在某个方向上会有一个整体运动，而且随着引力坍缩，星云会在该方向上越转越快。

最终，恒星从星云中心形成，因为角动量守恒，恒星会保持自转。剩余的星云继续环绕恒星旋转，从中形成的行星和卫星不但会自转，而且也会公转。同样地，从星云中形成的银河系也会自转，其中的恒星会绕着星系中心旋转。

只有转动的天体才不会被其他天体的引力吸引过去，否则它们最终将会不复存在。不过，并非所有转动的天体都能永远存在。

在银河系附近的几百万光年空间中，存在数十个星系，它们组成了本星系群，银河系以及其他星系都会环绕本星系群的中心旋转。然而，由于本星系群中两个最大的星系——银河系和仙女座星系，它们之间的距离太过接近，引力作用十分强大，尽管这两个星系都有公转运动，但它们之间逐渐螺旋接近，大约在38亿年后会被引力吸引到一起。最终，宇宙中将不再有银河系，取而代之的是一个更大的椭圆星系。

宇宙中的各种天体为什么要转？

这里涉及到两个问题。

第一：为什么要转？

这就跟你转呼啦圈一个道理。你想要让呼啦圈保持在你迷人的小腰肢上，就得让它转动，一旦不转，那就掉地上了。

宇宙中的天体是一个道理。比如地球必须围绕着太阳，以每小时10万公里的速度，在一个近似椭圆的轨道上拼命狂奔（法拉利的最高时速300多公里），要不然就得一头栽到太阳里面去。

其实地球应该也不愿意这样吧！但是没办法啊，宇宙中谁的引力大，谁就是老大。太阳的质量是地球的33万倍，地球只能乖乖绕着老大转，而且必须得达到这个速度，离心力才能和引力平衡，不然就会越转越靠近太阳，最后被老大化为灰烬。

转呼啦圈的力来自于你的小蛮腰。那宇宙中天体运行的力来自于哪里呢？

太阳系最初是一大团气体云，引力和压力共同作用在这团气体云上。引力会压缩气体云，让气体云变得越来越热，同时，气体云内部的压力也会变大，与引力平衡。

由于温度太高，气体云会向外辐射热能并发出耀眼的光芒，这导致压力变小，引力趁虚而入，进一步压缩气体……最后，密度最大的区域会变成一个核聚变反应堆，在这个反应堆里，氢原子聚变生成氦，一颗恒星就诞生了。

在气体云被压缩的过程中，气体轻微的旋转会被放大，旋转的气体云产生巨大的离心力。由于离心力的存在，引力会把气体云压缩成一个“超级大披萨”，被称为“原行星盘”。

如果这团气体云中除了氢和氦，还有碳、硅等比较重的元素，那么，在中心形成炙热恒星的同时，外层物质就会形成一种较冷的物体，也就是行星。

如果这一团气体云太大太重（比太阳重数百万甚至数万亿倍），那它最后就会变成一个星系。

所以，让天体转动的力来自于原始气体云的转动。而驱动原始气体云的，则是引力和其它三种基本力的共同作用。如果还要继续追根溯源，那么，一切的物质和能量都来自于138亿年前的宇宙大爆炸。

宇宙中的各种天体为什么要转？

是有很多巨童在冰场抽冰嘎（抽陀螺）？

要不就是一帮朋友涮火锅，锅里不仅有各种肉类、毛肚、鸭肠、黄喉等生鲜食材，还得下点鱼丸肉丸虾滑了、紫薯丸了，翻滚红火的汤锅就是宇宙，各色食材包括旋转上下翻飞的丸子就是各种天体――星球！[可爱][呲牙][耶]

宇宙中的各种天体为什么要转？

宇宙中的各种天体为什么要转？

答：宇宙中的一切天体都在旋转运动，最大的能量来源还是因为引力这个宇宙中天体自转与公转的本质原因。

要说0.72级文明程度的地球人类，有太多太多的宇宙未解之谜，宇宙大爆炸理论认为，使得宇宙中的天体经历了上百亿年的运转，仍然没有停止下来，最终答案只是用牛顿万有引力和爱因斯坦相对论中理论来分析的。

我们知道永动机是不存在的，一切物体的运动都需要遵循能量守恒定律。古时候人们看到太阳和月亮在不停的变化位置，认为那是太阳和月亮在运动，而地球不动。随着人类文明的不断发展，人们发现地球在运动的同时，也在绕着太阳运动。

正是地球的自转才有了白天和黑夜；地球与太阳的公转才有地球上的一年四季。

当人类离开地球来到太空中，可以很直观的看到地球的自转与公转，与此同时也发现宇宙中所有天体似乎都在旋转。站在太阳系的角度，人们发现太阳是不动的。此时有人会好奇，既然包括地球在内的八大行星都围绕着太阳公转，那太阳岂不是固定不动了，其实太阳也一直在围绕着银河系做公转运动，而太阳系之上的银河系，同样也在围绕着室女座超星系团进行公转，可能将来的某一天人类会发现宇宙也在围绕着某个更大的宇宙旋转, 就是这样一层一层所有的事，都被牢牢地控制着。

可是当人们利用旅行者一号、旅行者二号探测器和哈勃望远镜，发现太阳系外，就会发现太阳不仅仅有自转，同时发现它也有公转，太阳的自转周期为25天，公转周期约为2.5亿年；甚至我们能够看到整个太阳系都在围绕银河系中心在转动，当然我们站在太阳系中同样也能够观测到宇宙中的其他星系的运动。

由此可见整个宇宙其实都处在一种运动状态，这是最基本的宇宙法则。宇宙中的天体为什么会转动呢？这个问题牛顿已经在多年前就已经找到了答案，那就是万有引力的作用。牛顿→英国的物理学家在1687年发表的《自然定律》里，对万有引力和三大运动定律进行的理论描述，奠定了至今仍然引用的物理科学与工程力学的基础。在力学上，牛顿阐明了动量和角动量守恒的原理，提出牛顿运动定律 。万有引力告诉我们只要有质量物体都会有引力的存在，宇宙中的一切物质都是相互吸引，两个物体间的引力大小与它们的质量的积成正比，与距离的平方成反比，简单来说，质量越大相互间的引力就越大，距离越远相互之间的引力就越小，而引力和引力之间会产生相互作用力。

如果没有其他力来对抗引力作用，那么天体就会相互吸引最后混为一谈，合为一体，而天体对抗引力的作用方式就是通过不停的转动，这样可以产生相互力的抵消了引力，从而使天体呈现出一种稳定的运动状态，星系的转动也是同样的道理。

银河系有上千亿的恒星星系，这些恒星系都在运动，如果它们不运动要相互靠近撞击在一起，要么对银河中心强大引力拉扯，最终被引力超群绝伦的黑洞吞噬掉。

天体的自转能量又是怎么产生的呢？这些还有一种现象，宇宙中的行星都是圆型的，提及到宇宙天体形成过程，其实天体的自转与天体的形成是分不开的，天体不会无缘无故的转动，因为它们的内部根本没有能量的动力来源，但它因为引力的作用进行了自我收缩。这个过程中只要有一个很小的角动量的不平衡，它们就会产生自转，并且这个角动量是守恒的，被牛顿角动量理论证实了；天体的自转速度与角动量也会受到严重中的暗能量和暗物质的环境影响；所以天体的自转并不是它们自己在旋转运动。

天体的运动我们可能有了暂时的答案，但引力、暗能量、暗物质又是一种什么东西呢？引力又是从何而来的？如果根据能量守恒定律，为什么引力没有消失或减退呢？这个连牛顿、爱因斯坦的广义相对论和狭义相对论都无法解释的科学现象至今也无法被解开，我相信随着人类文明的不断进步，我们终将解开这一切谜底。

宇宙中的各种天体为什么要转？

宇宙中的各种天体为什么要转？

关于天体旋转的现象，人类有历史记载以来就已经发现了，不过形成体系却是在2000年前的古希腊时代，托勒密的地心说系统的总结了观察到的天体运行，提出了地球为中心的宇宙说，当然大家都知道这是错误的，从地心说到现代宇宙论，我们不妨来简单了解下

地心说统治了人类文明超过1500年时间，直到哥白尼开始怀疑地心说的各种设定，比如行星逆行等，哥白尼细致的观察了天体运行，在在1513年完成了《天体运行论》，提出了日心说。但哥白尼认为行星都以正圆形轨道绕太阳公转。

• 开普勒在1609年出版了《新天文学》，提出行星三大定律，揭示了行星的轨道是椭圆而非正圆形。
• 伽利略在1609年发明了望远镜，观测木星以及它的卫星，记录了大量观测资料，并且通过观测太阳黑子，发现太阳也在自转。
• 牛顿在开普勒以及伽利略的运动研究的基础上，在1687年出版的《自然哲学的数学原理》提出了三大定律以及万有引力定律，揭示天体之间运行的秘密。
• 英国天文学家布拉德雷在1748年，公布了他观测发现地球的章动现象是受到月球影响所致；
• 1783年，发现了天王星的赫歇尔在分析了7颗恒星的运动后，推测出太阳正在向武仙座方向运行。并且赫歇尔通过大量的观测，第一次绘制出了银河系形状。当然与真正的银河系大相径庭，尽管犹如一个摊破了大饼，但这个银河系是赫歇尔之后100年内最精细的银河系恒星分布图。

• 拉普拉斯在1799年后陆续出版的《天体力学》，论述了行星之间互相影响的摄动理论。拉普拉斯另外在数学层面证明了太阳系行星轨道运行的稳定性，在1796年《天体力学》出版以前他就提出了太阳系可能形成于一片星云的说法，解释了为什么太阳系内所有行星的旋转运动都同一个方向。

• 19世纪天文学家对仙女星系的认识逐渐了解到可能银河系也是这样的螺旋星系；
• 1918年美国天文学家沙普利发现太阳系在银河系边缘；
• 1926年瑞典天文学家贝蒂尔·林德布拉德分析出银河系也在自转；

在从地心说到银河系的认识过程中，唯有旋转是一直以来不变的特性，牛顿无法解释这个原因“上帝之手推了它一把”，牛顿如是说。

从诞生的后的天体运行可以找到它们运动的规律，但却无法找到形成这种运动的原因，不过却可以辅助我们去分析为什么会形成这种运动方式，我们可以发现，天体如果不考虑进动或者其它天体引力或者广义相对论弯曲时空影响的话，它的运动非常简单，沿着测地线运动，这将指导我们发现天体转动的奥秘。

• 天体形成的星云说

康德和拉普拉斯都提出了天体形成的星云假设，当然这个理论在二十世纪处在初步成熟，因为英国物理学家詹姆斯·霍普伍德·金斯在二十世纪初发现了星云坍缩的几个条件，即形成金斯不稳定性的几个条件。

当分子云不足以对抗引力时，就会发生坍缩，它需要满足如下几个条件：

1. 当分子云密度扰动区域时会发生引力坍缩
2. 当分子云密度大于金斯密度或者质量大于金斯质量时，会发生引力坍缩

超新星爆炸是促成其条件的因素之一。

• 坍缩初期的博克球状体

星云内部满足这一个条件的会形成一个坍缩区域，这在星云观测中屡有发现，而这个区域可能有数十颗太阳的质量，也有可能分裂成多个区域诞生多颗恒星。

绰号为“毛虫”的博克球状体。它发光的边缘表明它正在被星团中最热的恒星电离。

• 坍缩运动的测地线轨迹

只有在绝对理想的状态下，向引力中心掉落的物质测地线才会指向质心，但这条件在复杂的星云内部是无法满足的，因此在坍缩过程中形成旋转的星云积盘是必然的。

猎户星云（M42）中的稠密气体和尘埃正在孕育大量恒星。

来自于坍缩测地线运动中心天体会继承这个运动，因为角动量守恒，这些角动量必然会被继承，因此从中诞生的天体都是转动的，包括公转也同样如此，因为形成行星的星云坍缩区域本来就围绕中心原恒星公转。

银河系的自转运动我们几乎可以说是参考仙女星系M31的发现的，因为这个距离银河系最近的完整星系犹如镜子一样可供我们对比，而银河系与仙女星系尽管大小上有所差别，但自转却并没有区别。

• 旋涡星系或者棒旋星系等以整个星系都处在自转运动为主;

星系的分类

本星系群中的银河系和仙女星系都属于Sb型，都属于棒旋星系，三角座星系则属于Sc型

银河系

• 矮星系的不规则自转方式

比如人马座矮椭球星系，大小麦哲伦等都属于矮星系，不过人马座矮星系正在和银河系合并。

上图是大麦哲伦星系的成员运动方式，这个矮星系大致仍然在自转中，但很不规则，因此恒星的轨迹形成了一枚指纹。

• 椭圆星系仅有部分恒星以不规则自转为主。

椭圆星系是已经过了恒星快速形成的时期，当前形成过程已经结束的部分星系，几乎不自转或者仅以少量恒星的不规则运动的星系。

著名的M87就是椭圆星系，它的中心就是今年4月10日首次取得的黑洞真身。

在星系以上更大的尺度内，运动并非以转动为主，而是不贵则的，有些类似溪流（如上图），看起来是不是一个很怪异的羽毛状？

准确的说应该没有，只有传说中的史瓦希黑洞是可能不转的，比如克尔黑洞或者克尔纽曼黑洞都是自转的，理论上恒星型黑洞形成时都会继承恒星的自转，因此黑洞是自转的，但原初黑洞可能并没有经过恒星阶段，因此它可能是史瓦希黑洞，但到现在为止我们尚未观测到这种类型黑洞。不过从理论上来看，它是存在的，也许这是宇宙中唯一上帝推不动的天体了。

史瓦希黑洞是一种特殊结构的黑洞，但各位不要将其吸积盘的转动与黑洞的自转混淆起来，它与黑洞的自转没有任何关系。

文末再提一下未来本星系群的成员的命运，大小麦哲伦星系可能没有那么快被银河系合并，但银河系与仙女星系的合并可能无法避免，但在之前可能会大麦哲伦星系会先和仙女星系合并。不过多次超级计算机的模拟结果都不一致，但本星系群的合并是最终趋势。

宇宙中的各种天体为什么要转？

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：

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=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。

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：

1. 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）

2. 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。

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？

“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，但这个分布式混沌且不均匀的，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。

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）。

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。

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。