如何用簡明的方式闡述行星的公轉會產生共面性?

為了回答一個初中生的提問,所以答案盡量少些公式推導,可盡量用生活中的事物類比。
孩子的提問是這樣的:「聽老師說星系中的群星在運動時有『共面性』這一特性可是為何行星只在幾乎同一水平面繞中心天體轉動呢?引力不是全方位的嗎?」


角動量守恆


這個問題的關鍵是角動量守恆和碰撞。

首先從星雲開始,雖然星雲看起來就像塵埃團一樣,但是實際上並不是各向同性的,整體存在一個角動量。這就是這個問題的關鍵。有角動量就有一個轉軸,所以整體上會圍著這個軸轉,對於偏離轉軸的運動通過相互碰撞就會逐漸抵消。最終整體上都是在一個平面內進行轉動了。

Update:有一點是很明確的,這個過程是有明確的時間方向的。也就是隨著時間的推移行星會逐漸產生共面性。而唯一具有時間方向性的物理定律是熱力學第二定律。所以很顯然,單純從力學上分析是錯誤的。


本來看到這個問題,準備直接套公式解決的。但是一來我記不住,二來這是個初中生,那我就簡單的用描述性語言來談一下這個問題。

首先星系的共面性不是精確的,而是統計上的,總有些偏離了這個平面。然而,大部分確實是在一個平面上的,更精確來說,是呈圓盤狀的(跟UFO差不多)。實際上是的有球狀的,只是比較年輕。這個可以參照太陽系或者銀河系。
那為什麼會成這種樣子?我們得從他剛剛誕生開始說起。
銀河系(或者其他星系)最初可能是球狀的,或者近似等效於球狀的,(大部分星雲還是不規則的,其實這是為了便於找質心,好計算,作用和「真空中的球形雞」類似。蛋疼物理學家總喜歡做這種事情,結果卻往往是有效的。)而且由於某種原因(星系間相互作用啊,一誕生就不正常啊,擾動啊)而具有一定的角動量,也就可以理解成這個球本身就在轉。
然而,由於引力的作用,星雲會坍塌凝聚,凝聚過程中,角動量是守恆的(wr^2不變,這個你去和他解釋,什麼芭蕾舞演員啊,什麼陀螺啊,什麼印度甩餅啊,隨你),由此看出轉速隨r的減小而增大,結果使離心力增大了。(f正比於rw^2正比於r^-3,它往往比引力增大的快R^-2,最終引力等於離心力)。我這裡用了兩種r,意思就是這兩個r 是不同的,r指到自轉軸的垂直距離,R指到質心的距離。因為這兩個r不同,所以不同位置的穩定情況是不同的,穩定後的樣子就不會是球形了。比如說在轉軸上的天體,r=0,R≠0,由於引力不需要填補離心力,所以就會坍塌的很厲害,結果就是靠近轉軸的扁平而垂直轉軸的寬窄,最終呈現一種扁平的樣子而穩定下來。
要知道在坍塌的過程中,能量不是守恆的,失去的引力勢能會以輻射的形式釋放掉。由於近軸處釋放的能量多,故星系的脈衝多來源於軸向。(實際這點我也不大確定是不是這個原因)
本來準備補兩張圖,結果傳不上去,作罷……


初中是吧,學過物理了,見圖。一般不能無限擠壓,最終會變成UFO狀。


這個問題問得很好。
樓上全部都在扯淡,誤人子弟說的就是他們。
提供一種特殊而簡單的角度。

若是只有一顆行星,那麼公轉平面自然只有一個。
若是有兩顆行星,設定兩顆行星轉動慣量相近,兩顆行星的轉動半徑並不十分相近(忽略相互作用),那麼,該恆星系最穩定的情形一定是三點一線,只有這種情形下,中間的恆星才不會被「扯來扯去」。

畢竟我不能給出公式的方案,也不能論證『扯』這個說法,所以我不過是拋磚引玉,希望有人能給出完整的解釋。
遠離書本太久,難免陷入民科的陷阱,比如自創名詞什麼的,所以有問題還請指出!


行星與行星之間也有不可忽略的引力存在,非共平面之間的行星會互相吸引牽扯直至運行至同一個軌道平面上才會達到基本平衡。


作為物理老師的我決定以最簡單的模型告訴你


我勒個去.樓上幾位煞有介事的回答簡直令人尷尬到死,樓主,太陽系的行星並不是在一個平面上運動的,太陽也不是恆定不動的


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