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科學報 科學文摘 宇宙

如果太陽把物體拽向自己,那為什麼所有物體都繞著它轉圈呢?


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更新日期:2022313
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物理學家:牛頓運動定律表示為:

其中MP和AP分別是行星的質量與加速度,MS是太陽質量,R是行星與太陽之間的距離,G是萬有引力常數。由這則大膽的陳述所說“如果你出現在太陽附近,你將朝著它加速”。每個行星、衛星、塵埃等等所有東西都說同樣的話:“嘿!朝著我加速!”,而占整個太陽系質量99.86%的太陽說這話聲音最響亮。

一個力,比如重力,會加速其所作用的物體。所以,要了解力的作用,了解加速度很重要。速度描述了物體位置變化的快慢,而加速度描述了速度變化的快慢。

“速度”不同於“速率”,因為速度描述的不僅有你運動的快慢還有運動的方向,“向北10英裏/小時”是速度,而“10英裏/小時”是速率。所以你將從以下兩種改變速度的方式獲得加速度:改變速率和/或改變運動方向。

想象一下你坐在一輛車裏(你的速度方向指向前方):

如果你的加速度向前,你將加速。

如果你的加速度向後,你將減速。

如果你的加速度向左或向右,你會轉向該方向但保持與原來相同的速率。

注意到當用這種方式描述加速度時,你踩油門時產生的將你推入座位的力等同於你踩刹車時將你擠向安全帶的力,亦等同於你當你右轉時推你向左的離心力。

圖解:圍繞太陽轉的行星一直在朝向它加速。這一加速度改變的是行星的速度方向,而不是速率。

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對於行星也適用同樣的原理。一個以圓軌道圍繞太陽轉的行星的運動方向一直與太陽成90°夾角。這意味著這個行星一直在轉彎,但是一直維持相同的速率。這個行星運行得足夠快,以至於在它轉向的這一點時間裏運行了足夠遠而使太陽處於一個新的位置,行星轉彎後看太陽的新位置仍然保持90°的方位角。

這就是一顆行星如何永遠朝著太陽加速卻永遠不會有任何的接近。行星的側向運動是源於這一事實:如果行星沒有這種側向運動,它們將很快在太陽中找到自己(注:即掉進太陽)。事實上,太陽只不過是一種吸收所有那些太陽系形成過程中的、側向運動速度又不足夠快的物質的巨大收集器(而這些被收集了的物質占絕大多數)。

而為什麼物質最終都以圓形軌道運行就成了一個微妙的問題。對這個問題最快的解釋是:那些非圓形軌道的物質會遇到一些麻煩,直到它們的軌道變得足夠圓或不複存在。並不是說圓形軌道有多麼好,只是其它軌道會帶來更多撞擊或重力作用的風險(比如與木星)從而變成更短命的、不幸的軌道。

假設一個軌道是穩定的,那麼它將是橢圓形的(這裏有篇文章准確解釋了原因,但這是一龐然大物)。圓是最簡單的一種橢圓,但是橢圓可以被拉伸得非常極限。例如,彗星就有著非常“橢”的橢圓軌道(像下圖展示的塞德娜星的軌道)。在這種軌道上,彗星基本上是朝著或遠離太陽運動,因此對於它們而言,太陽的引力拽著他們幾乎是用於改變它們的速率,而用於改變方向的則更少。

圖解:太陽系

對於那些行星們所在的軌道而言沒什麼稀奇的。我們太陽系中的八大行星(或九個或更多)不是僅有的系內形成的行星,而是僅剩下的行星。當物體處在高度橢圓的軌道上時,它們容易“橫穿所有馬路”然後撞到別的東西。當物體之間相互撞擊會發生一些事情:通常它們會破碎或者沒有。當我們觀察我們的臨近行星時,會看見那些昭告著撞擊過的隕石坑,而這些撞擊都在行星或月亮的可承受範圍之內而沒有被撞碎。據推測,可能有比行星更大的撞擊,但是(毫不奇怪)這些撞擊不會給我們留下隕石坑。

圖解:位於火星的一個小衛星火衛一上的斯迪克尼隕石坑(左側),或“為什麼火衛一幾乎不是火衛一了”

因此,那些具有更橢圓軌道的物體更有可能被摧毀。但即使兩個物體撞擊並融合為一體,產生的新軌道也是兩物體原先軌道的平均,這也意味著新軌道趨向於更圓的軌道。這是關於吸積的一部分內容,土星環則展示了一個由吸積過程導致的近乎完美圓形軌道的美麗的例子。

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圖解:圍繞土星軌道的塵埃顆粒相互碰撞,並緩慢地進行平均,直到他們的軌道幾乎完全圓形(這意味著它們相互碰撞的頻率變得少得多)

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給予足夠久的時間,空間中的一大團物質慢慢趨向於凝結成球(聚集大部分質量),而剩餘的一點物質則在它周圍的圓形軌道上形成一盤繞著它轉的薄薄的環。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. Eternitist-The Physicist- askamathematician

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