Галилей был неправ. Земля не вращается вокруг Солнца. Она вращается вокруг вас, уже десятки лет. По крайней мере, по вашему собственному представлению.
Шрикумар Рао
Читатель спрашивает:
Где Солнце и планеты приобрели угловой момент, который привёл к их вращению? Я не говорю про орбиты, а про вращение вокруг осей. Я понимаю аналогию с фигуристом, в которой распростёртые руки увеличивают вращение из-за сохранения углового момента. Но фигурист сам закручивает себя. Если фигурист стоит на месте, он может вытягивать и поджимать руки, но вращаться от этого он не начнёт.
Когда планеты и солнце начали образовываться, как они получили изначальный момент вращения?
Легко заставить что-либо вращаться быстрее, если оно уже вращается – нужно лишь поменять момент инерции. А что такое момент инерции?
Вспомним второй закон Ньютона – сила равна произведению массы на ускорение, F = ma. Точнее сказать, что сила изменяет свойство тела под названием момент. Если вы приложите к массе внешнюю силу, её момент, то есть то, как она движется, изменится. Если известна сила, то известно, как именно изменится момент. А если вы не прикладываете внешнюю силу к объекту, то его момент не может меняться.
И если бы во всей вселенной всё состояло из точечных масс, расположенных на одной линии, то ничего бы и не возникло. Но в нашей Вселенной двигающиеся массы распределены в нескольких измерениях.
А в этом случае у системы есть не только момент, но и угловой момент. Момент изменяется в зависимости от массы, а угловой момент меняется в зависимости от комбинации массы и её распределения. Эта комбинация и составляет момент инерции. Поэтому второй закон Ньютона говорит о том, как объекты изменяют свой момент (как массы меняют скорость), и есть эквивалентный закон, относящийся к тому, как объекты меняют свой угловой момент, или как момент инерции испытывает изменения в скорости вращения.
Примером служит то, как фигурист, подтягивая руки и ноги, начинает быстрее вращаться. Когда его масса распределяется ближе к оси вращения, и момент инерции уменьшается, скорость вращения увеличивается для компенсации. Если ваши масса и её распределение изменяются, то скорость вращения изменяется в обратную сторону для компенсации. Но так же, как вы можете изменить момент системы, прилагая внешнюю силу, вы можете изменить угловой момент системы, применяя внешний крутящий момент.
Крутящий момент – сила, прилагаемая таким образом, что она меняет вращение объекта.
Дальше – интереснее. Каждая звёздная система во Вселенной начиналась с облака газа и пыли. Эта облака могут быть в сотни или миллионы раз массивнее нашего Солнца, но изначально они очень рассеянные, и распространяются на многие сотни или тысячи световых лет. Если у этих облаков есть какое-либо вращение, то его сложно обнаружить, так как для завершения даже одного оборота им потребуется миллиарды лет.
Но газовые облака существуют не в изоляции. Вокруг них существует вся остальная материя и энергия Вселенной, подверженная гравитации. И когда две массы во Вселенной двигаются друг относительно друга, но не двигаются точно друг к другу или друг от друга, гравитационная сила, испускаемая ими, создаёт крутящий момент.
Этот феномен известен как приливное ускорение, и впервые был понят Джимом Пиблзом (куратором моего куратора) в 1976 году. (Так что ваш вопрос попал по адресу!). Поэтому каждая масса, существующая во Вселенной, родилась она с угловым моментом, или нет, получила таковой, спустя 13,8 миллиардов лет. Это включает все облака газа, в том числе и то, из которого родилась наша Солнечная система. Можно разбивать эти газовые облака и далее, по участкам, из которых создаются отдельные звёзды и системы.
Все они, превратившись в звезду или систему, будут распределены как трёхосевые эллипсоиды. Проще говоря, типа как сферы, но только если нарисовать внутри них три перпендикулярные оси, допустим, X, Y, Z, то одна из осей будет короче остальных. Когда региональная гравитация сжимается, она быстрее всего сожмётся вдоль самой короткой из осей, а поскольку обыкновенная материя взаимодействует сама с собой, то она расплющится, как блин. Эти образования называют «блины Зельдовича», по имени советского физика, работавшего над теориями образования звёзд.
Ну а по двум остальным осям вы получите что-то вроде диска, который в целом будет вращаться так, как указывает угловой момент. Поэтому в нашей Солнечной системе все планеты вращаются вокруг Солнца в одном направлении – против часовой стрелки, если смотреть вниз с северного полюса Солнца, Солнце вращается в том же направлении, почти все луны вращаются вокруг своих планет в том же направлении, и почти все планеты вращаются вокруг своих осей в том же направлении.
