“什么導(dǎo)致了地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)？”這一問題曾困擾人類許久。因?yàn)橄蛐牧腿鄙倌Σ烈灾劣诓荒茏柚沟厍蛐D(zhuǎn)？還是因?yàn)榕ｎD第一定律的描述？如果是這樣，那么向心力又從何而來？它是巖石被拋到宇宙并被太陽捕獲的產(chǎn)物嗎？對于自轉(zhuǎn)我毫無頭緒。會(huì)不會(huì)存在不自轉(zhuǎn)的行星，還是說旋轉(zhuǎn)是行星的必要條件？
物理學(xué)家：我將這歸為兩個(gè)問題：“自轉(zhuǎn)最初是怎么產(chǎn)生的？”和“是什么讓行星停留在運(yùn)行軌道上？”。
自轉(zhuǎn)最初是怎么產(chǎn)生的？地球圍繞太陽的公轉(zhuǎn)和它自身的自轉(zhuǎn)一樣，本質(zhì)上是運(yùn)氣不太好的結(jié)果。
如果隨便拿起一個(gè)物體拋入空中，你會(huì)發(fā)現(xiàn)讓它完全不旋轉(zhuǎn)幾乎是不可能的，對星云（凝結(jié)形成恒星和行星的巨大氣體塵埃云）來說也是一樣。它們總是不可避免的擁有一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。
當(dāng)形成星系的氣體云向內(nèi)坍縮，物質(zhì)在中心集成一團(tuán)（太陽），同時(shí)周圍伴有一個(gè)盤狀平面，這個(gè)物質(zhì)盤繼續(xù)擠壓形成眾行星。這個(gè)過程被稱為“積聚”，它循環(huán)往復(fù)的進(jìn)行。
物質(zhì)團(tuán)旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)傾向于形成一個(gè)球體和一個(gè)圓盤
旋轉(zhuǎn)雖不能避免，但它們各自的轉(zhuǎn)速卻有很大差異。木星上的一天只有10個(gè)地球時(shí)，而金星上的一天長達(dá)240地球日。一顆行星向哪個(gè)方向旋轉(zhuǎn)和它旋轉(zhuǎn)的速度是一個(gè)極其復(fù)雜的問題。有些行星是形成于由氣體和塵埃組成的原始星盤（單一結(jié)構(gòu)），這也解釋了為什么太陽系中的行星自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)的方向幾乎一致。
地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的方向一致，每到清晨6點(diǎn)，你就處在地球的“正面”。
一旦這個(gè)球團(tuán)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)太陽系里充滿了在不同軌道上運(yùn)行的大小不一的巨大團(tuán)塊，且它們的旋轉(zhuǎn)還在相互影響。例如，地球的衛(wèi)星月球就是當(dāng)時(shí)地球與一個(gè)火星大小的天體猛烈撞擊，這次撞擊將月球“拋”入了地球軌道。這種月球質(zhì)量造成的潮汐效應(yīng)，改變了地球旋轉(zhuǎn)一天需要的時(shí)間。天王星也被認(rèn)為是一次更大的碰撞的受害者，這次撞擊使它的旋轉(zhuǎn)軸與軌道軸（垂直于軌道的方向）傾斜了約98°，撞擊同樣戲劇性的改變了它的日時(shí)長。我們不了解它的過去，也無從得知它改變了多少。
總的來說，天體旋轉(zhuǎn)是因?yàn)樾纬伤鼈兊男窃圃谖刺s時(shí)就已經(jīng)在旋轉(zhuǎn)了（盡管沒有很快）。而那些不進(jìn)行軌道旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)則會(huì)落入太陽，成為太陽質(zhì)量的一部分。如果太陽系所有物質(zhì)都不旋轉(zhuǎn)，那么現(xiàn)在的太陽會(huì)擁有太陽系內(nèi)99.86%的質(zhì)量。
重力—
，其中G是引力常數(shù)（指示引力強(qiáng)度），M是恒星的質(zhì)量，m是行星的質(zhì)量，R表示恒星行星間的距離。因?yàn)樗谠噲D減小R值所以它是負(fù)的。你可以用反導(dǎo)數(shù)
求引力勢能。力是勢能的導(dǎo)數(shù)的負(fù)數(shù)，這意味著“物體要向下墜落”。
離心力Fc由公式
導(dǎo)出，這里R和m相等，“v”指切向速度（即不包括向恒星徑向運(yùn)動(dòng)距離的行星圍繞恒星的旋轉(zhuǎn)速度）。還有一種用角動(dòng)量表達(dá)的簡單方式。由
導(dǎo)出的L總是常數(shù)，用L表示Fc 可以寫成
。這樣可以求得“離心效應(yīng)勢能”Uc。當(dāng)然“效應(yīng)” 一詞只是物理學(xué)家們的小幽默：“對對對我知道離心力不是一種真正形式的力，只是幽默一下，別杠。”。
看總勢能U=Ug Uc,，為什么軌道能穩(wěn)定存在似乎有了答案。為了更好的演示，物理學(xué)家們經(jīng)常使用“勢能圖”——一種描述力和能量的直觀方式。要理解它并不難，只要想象將一顆小玻璃球放在線上然后想象它會(huì)怎么滾動(dòng)。例如下圖線上的“小球”會(huì)向左滾動(dòng)，但距離不會(huì)太遠(yuǎn)。
用與太陽的距離表示的勢能曲線。當(dāng)行星太靠近太陽，離心力會(huì)把它“甩開“，當(dāng)行星距離過遠(yuǎn)，引力又會(huì)將它”拉回來“。一個(gè)穩(wěn)定的約束軌道中的行星沒有足夠的力從勢能曲線的”坑“里甩出來。這張圖也解釋了為什么很難進(jìn)入一個(gè)運(yùn)行軌道，因?yàn)楫?dāng)你從遠(yuǎn)處向軌道前進(jìn)，會(huì)有足夠的力迫使你回到原點(diǎn)。
一個(gè)穩(wěn)定軌道在勢能曲線的凹槽內(nèi)。如果離的太遠(yuǎn)引力將它拉回，離得太近離心力又會(huì)把它甩開。
如果你還想要一個(gè)對宇宙感到有趣的理由，那么——穩(wěn)定的引力軌道只存在于二維和三維宇宙中！引力和聲波光波的衰減是一樣的（在我們的例子中是1/R2），所以假設(shè)我們的宇宙是D，引力Fg為
，當(dāng)維度D≥3,，產(chǎn)生的引力勢能
。當(dāng)D=2.，引力勢能
。
維度數(shù)量越高，引力衰減越快。一維宇宙不存在圓周運(yùn)動(dòng)和軌道。二維和三維宇宙里力在穩(wěn)定軌道處平衡。四維宇宙中物體只能掉落或飛出（掉落或飛出取決于它的角動(dòng)量）。五維或五維以上，如果距離近則引力主導(dǎo)，距離遠(yuǎn)離心力主導(dǎo)。
對低維度宇宙（2維/3維）來說，在形成軌道的區(qū)域小R面對的是更強(qiáng)的離心力，大R面對的是更強(qiáng)一點(diǎn)的引力；對高維宇宙來說，小R面臨著更強(qiáng)的引力，大R面臨的是更強(qiáng)的離心力，所以物質(zhì)的結(jié)局只有兩種——被拋出或墜落。在4維宇宙中力加強(qiáng)或衰減的強(qiáng)度同比率(~1/R3)升高，所以一旦一種力強(qiáng)于其他力，那么這種力將永遠(yuǎn)保持強(qiáng)大。
*從天體物理學(xué)角度來說，行星只是在彎曲時(shí)空中直線運(yùn)動(dòng)，并不額外擁有離心加速度。
作者：The Physicist
FY：曜
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