沒想到吧,太陽系的這個行星根本不繞太陽轉

知道了這個知識點又有什麼用?

這非常有用。因為太陽和木星圍繞著宇宙中的一個看不見的點旋轉,因此在其他地方(其他慣性參考系)看來,太陽會微微抖動。

没想到吧,太阳系的这个行星根本不绕太阳转
没想到吧,太阳系的这个行星根本不绕太阳转

從不同角度觀察到的恆星的抖動

@NASA

其實,所有的二體系統都會發生這種抖動,而這種抖動也是天文學家發現繞著恆星旋轉的大質量太陽系外行星的一種方法。

從地球上看,如果遠處恆星有類似於木星這樣的大質量行星,那麼它相對於地球的速度就會有周期性的變化。這種變化,會讓恆星發出的光一會兒變藍,一會兒變紅。

比如,因為太陽的抖動,太陽光譜——夫琅和費線(Fraunhofer lines)會週期性地一會兒向紅光偏移——紅移,一會兒向藍光偏移——藍移。

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夫琅和費線

其他恆星也是一樣,當它們向我們這邊抖的時候,它們的夫琅和費線就會藍移,而當它們抖遠的時候,就會紅移。這個檢測恆星附近行星方法,叫做多普勒抖動(Doppler wobble)。

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沒有紅移或藍移的光譜(上),紅移(中),藍移(下)

@Caltech

說到轉動,還有一個很有意思的現象,這個現象叫做扎尼別科夫效應,是前蘇聯宇航員弗拉基米爾·扎尼別科夫(Vladimir Dzhanibekov)發現的。

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微重力中的扎尼別科夫效應

@NASA

1985年,扎尼別科夫在太空中執行任務時,發現在微重力中旋轉的蝶形螺母會週期性地翻轉。

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微重力中蝶形螺母的扎尼別科夫效應

@engineeringclicks

這個現象把前蘇聯嚇壞了,他們害怕這會引發人類對世界末日的恐慌。你想啊,地球可以看作一個大號的蝶形螺母,而且地球也在圍繞著地軸自轉。如果扎尼別科夫效應適用於萬事萬物,那麼地球在週期結束後也會180度翻轉。到時候地球不就要亂套了?

但是,物理學家們再次拯救了地球。原來,支配扎尼別科夫效應的,是中間軸定理(intermediate axis theorem),而中間軸定理並不適用於地球。

簡單來說,如果一個物體(剛體)沿著XYZ軸旋轉時,有3個不同的轉動慣量(質量乘以質點和轉軸的垂直距離的平方),那麼就認為它有3個不同的慣量主軸。

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T型剛體的3個慣量主軸。紅色的那根是中間軸,繞著它旋轉產生的轉動慣量居中。根據中間軸定理,如果T型剛體繞著它旋轉,必定會發生週期性的翻轉。

@Randy Dobson

中間軸定理指出,物體只有在沿著能產生最大轉動慣量的慣量主軸,或者沿著最小轉動慣量的慣量主軸旋轉時才比較穩定,沿著中間那個慣量主軸旋轉時,必然會發生週期性的翻轉。

這就是為什麼,你把乒乓球拍繞著下面這個軸丟起來的時候,它肯定會發生翻轉。因為這個軸是乒乓球拍的中間軸,繞著它旋轉產生的轉動慣量既不是最大,也不是最小,非常不穩定。

没想到吧,太阳系的这个行星根本不绕太阳转
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但是這樣丟就不會——

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這樣丟也不會——

没想到吧,太阳系的这个行星根本不绕太阳转
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@kettering university

其實,中間軸定理也解釋了跳水、體操運動員在旋轉和空中轉身時手部的動作。

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Simone Biles 在2019全美體操競標賽上的藐視重力的動作

運動員為了做出空翻+轉體的動作(wobbling somersault),就要讓身體變得不對稱,使自己沿著中間軸旋轉。所以你可以看到他們會突然一隻手向上,一隻手向下,擺出超人的姿勢。

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空翻+轉體的動作需要在中間軸上旋轉,因此身體要不對稱。

@Society for Industrial and Applied Mathematics

但是如果不在空中轉身(twisting somersault),那麼就要保證在最大或最小的慣量主軸上旋轉,所以運動員就要讓身體保持對稱,兩個爪子就要對齊。

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只是做多次空翻旋轉,並不轉體的話,需要身體在最大或最小慣量主軸上旋轉。

@Society for Industrial and Applied Mathematics

話說回來,完美的勻質真空球形雞不管怎麼轉,轉動慣量都一樣大,沒有中間軸,無法產生扎尼別科夫效應。

地球也差不多。地球雖然不是一個完美的球體,但赤道附近更加凸起,因此實際上是一個類球面,只有2個不同的慣量主軸,並不存在中間軸,因此不適用於中間軸定理。

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地球只有2個不同的慣量主軸

@columbia university

況且,地球已經沿著產生更大的轉動慣量的慣量主軸轉動了,因此地球的自轉是相對穩定的,不會週期性翻轉。害怕地球會突然使出托馬斯旋轉的街舞招式的同學可以安心洗路了。

没想到吧,太阳系的这个行星根本不绕太阳转

對了,貓咪總能四腳著地的定律在太空裡卻不靈了。戰鬥種族要是看到喵星人在微重力裡的轉法,可能會更加懷疑人生吧。大家來吸一下美國聯邦航空管理局做的(騙)(經)(費)研究——

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本文經授權轉載自把科學帶回家微信公眾號,版權歸原作者所有。文章只為信息的傳播,不代表本號所持觀點。具體信息請參考原文。

没想到吧,太阳系的这个行星根本不绕太阳转

《活在看得見和看不見的世界裡》

(美)羅伯特·H.尼爾森(Robert H. Nelson)原著

馬劍波 改寫

書名原文:God? Very Probably

ISBN 978-7-03-061037-9

出版社:科學出版社

出版時間:2019-06-01

没想到吧,太阳系的这个行星根本不绕太阳转

既然宇宙是在大爆炸之後隨機演變而來,那麼它本應是混沌無序的,可為什麼世界的運轉不僅遵循著一定的數學規律,而且具有如此不可思議的精準度?為什麼簡單的數學方程式就能夠控制整個世界這麼複雜的結構?人的進化路線到底是怎樣的?人的意識到底是如何產生的?為什麼科學家發現物質一旦到了微觀層面似乎也能思考?

我們儘管已經取得了那麼多科學成就,可一旦涉及這種根本性問題,就只能老老實實地說不知道。不少科學家認為,除了我們看得見的這個物理世界之外,還存在著我們看不見的隱藏著的世界,要想在科學研究上取得更大突破,就不能只是研究這個看得見的世界,而是還要積極探索那隱藏著的世界。

没想到吧,太阳系的这个行星根本不绕太阳转

科學出版社│微信ID:sciencepress-cspm

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