宇宙中的各种天体为什么要转？

kanglanlan 2019-09-27

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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。

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）。