“什么導致了地球的自轉和公轉？”這一問題曾困擾人類許久。因為向心力和缺少摩擦以至于不能阻止地球旋轉？還是因為牛頓第一定律的描述？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物嗎？對于自轉我毫無頭緒。會不會存在不自轉的行星，還是說旋轉是行星的必要條件？
物理學家：我將這歸為兩個問題：“自轉最初是怎么產生的？”和“是什么讓行星停留在運行軌道上？”。
自轉最初是怎么產生的？地球圍繞太陽的公轉和它自身的自轉一樣，本質上是運氣不太好的結果。
如果隨便拿起一個物體拋入空中，你會發(fā)現(xiàn)讓它完全不旋轉幾乎是不可能的，對星云（凝結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旋轉。
當形成星系的氣體云向內坍縮，物質在中心集成一團（太陽），同時周圍伴有一個盤狀平面，這個物質盤繼續(xù)擠壓形成眾行星。這個過程被稱為“積聚”，它循環(huán)往復的進行。
物質團旋轉時會傾向于形成一個球體和一個圓盤
旋轉雖不能避免，但它們各自的轉速卻有很大差異。木星上的一天只有10個地球時，而金星上的一天長達240地球日。一顆行星向哪個方向旋轉和它旋轉的速度是一個極其復雜的問題。有些行星是形成于由氣體和塵埃組成的原始星盤（單一結構），這也解釋了為什么太陽系中的行星自轉公轉的方向幾乎一致。
地球自轉和公轉的方向一致，每到清晨6點，你就處在地球的“正面”。
一旦這個球團進行旋轉，這時你會發(fā)現(xiàn)太陽系里充滿了在不同軌道上運行的大小不一的巨大團塊，且它們的旋轉還在相互影響。例如，地球的衛(wèi)星月球就是當時地球與一個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。這種月球質量造成的潮汐效應，改變了地球旋轉一天需要的時間。天王星也被認為是一次更大的碰撞的受害者，這次撞擊使它的旋轉軸與軌道軸（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，天體旋轉是因為形成它們的星云在未坍縮時就已經在旋轉了（盡管沒有很快）。而那些不進行軌道旋轉的物質則會落入太陽，成為太陽質量的一部分。如果太陽系所有物質都不旋轉，那么現(xiàn)在的太陽會擁有太陽系內99.86%的質量。
重力—
，其中G是引力常數(shù)（指示引力強度），M是恒星的質量，m是行星的質量，R表示恒星行星間的距離。因為它在試圖減小R值所以它是負的。你可以用反導數(shù)
求引力勢能。力是勢能的導數(shù)的負數(shù)，這意味著“物體要向下墜落”。
離心力Fc由公式
導出，這里R和m相等，“v”指切向速度（即不包括向恒星徑向運動距離的行星圍繞恒星的旋轉速度）。還有一種用角動量表達的簡單方式。由
導出的L總是常數(shù)，用L表示Fc 可以寫成
。這樣可以求得“離心效應勢能”Uc。當然“效應” 一詞只是物理學家們的小幽默：“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，物理學家們經常使用“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怎么滾動。例如下圖線上的“小球”會向左滾動，但距離不會太遠。
用與太陽的距離表示的勢能曲線。當行星太靠近太陽，離心力會把它“甩開“，當行星距離過遠，引力又會將它”拉回來“。一個穩(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入一個運行軌道，因為當你從遠處向軌道前進，會有足夠的力迫使你回到原點。
一個穩(wěn)定軌道在勢能曲線的凹槽內。如果離的太遠引力將它拉回，離得太近離心力又會把它甩開。
如果你還想要一個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），所以假設我們的宇宙是D，引力Fg為
，當維度D≥3,，產生的引力勢能
。當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動和軌道。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量）。五維或五維以上，如果距離近則引力主導，距離遠離心力主導。
對低維度宇宙（2維/3維）來說，在形成軌道的區(qū)域小R面對的是更強的離心力，大R面對的是更強一點的引力；對高維宇宙來說，小R面臨著更強的引力，大R面臨的是更強的離心力，所以物質的結局只有兩種——被拋出或墜落。在4維宇宙中力加強或衰減的強度同比率(~1/R3)升高，所以一旦一種力強于其他力，那么這種力將永遠保持強大。
*從天體物理學角度來說，行星只是在彎曲時空中直線運動，并不額外擁有離心加速度。
作者：The Physicist
FY：曜
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