沒(méi)想到吧，太陽(yáng)系的這個(gè)行星根本不繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)

參考資料 NASA等

編譯 七君

教科書(shū)告訴我們，太陽(yáng)系的八大行星圍繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，太陽(yáng)是太陽(yáng)系的中心。畫(huà)成圖大致是這樣的——

于是乎，當(dāng)我們想象行星繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，腦子里總是會(huì)出現(xiàn)一個(gè)類(lèi)似于旋轉(zhuǎn)木馬的模型，太陽(yáng)似乎被固定在中心，其他行星繞著太陽(yáng)的中心旋轉(zhuǎn)。

這種解釋方式清晰易懂，適合教學(xué)，但實(shí)際上它有缺陷。這是因?yàn)椋?yáng)系里有一個(gè)行星并不圍繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，它實(shí)際上在繞著太空中的一個(gè)看不見(jiàn)的點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。

這個(gè)行星就是木星。

木星

@NASA / JPL

是這樣的，太陽(yáng)對(duì)行星有引力，行星對(duì)太陽(yáng)也有引力，因此行星繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，不動(dòng)點(diǎn)并不正好是太陽(yáng)的重心。就比如你和同學(xué)互相拉著手轉(zhuǎn)動(dòng)，不動(dòng)的那個(gè)點(diǎn)既不在你體內(nèi)，也不在你同學(xué)體內(nèi)，而在你倆之間。

這個(gè)不動(dòng)點(diǎn)，就叫做質(zhì)心（barycenter），類(lèi)似于天平的支點(diǎn)。計(jì)算質(zhì)心的位置在哪里是一個(gè)典型的二體問(wèn)題 ，中學(xué)生應(yīng)該算了不少遍了。誰(shuí)質(zhì)量更大，質(zhì)心就更靠近誰(shuí)；大家質(zhì)量差不多，質(zhì)心就居中。

質(zhì)心

@NASA

就比如在地月系統(tǒng)里，地球和月亮的質(zhì)心就位于地球半徑75%的地方，也就是離地球重心4671千米的地方。

地月系統(tǒng)的質(zhì)心（黑叉）

@ESA

然而對(duì)于太陽(yáng)系除木星以外的其他行星來(lái)說(shuō)，它們的質(zhì)量相較于太陽(yáng)可以忽略不計(jì)（如地球的質(zhì)量只有太陽(yáng)的0.0003%），因此這個(gè)質(zhì)心總是落在太陽(yáng)體內(nèi)，接近太陽(yáng)的重心。

但是呢，木星的質(zhì)量是其他所有行星加起來(lái)的2倍（木星的質(zhì)量約是太陽(yáng)的0.1%），因此木星-太陽(yáng)的質(zhì)心距離太陽(yáng)的重心更遙遠(yuǎn)，約是太陽(yáng)半徑的1.07倍，大概離太陽(yáng)表面有4.8萬(wàn)千米，比地球的赤道周長(zhǎng)還要長(zhǎng)，人類(lèi)賣(mài)出的奶茶首尾連起來(lái)不知道能不能夠到。

太陽(yáng)和木星的質(zhì)心所在位置

@NASA/SDO

換句話說(shuō)，木星和太陽(yáng)都圍繞著離太陽(yáng)表面4.8萬(wàn)千米的這個(gè)看不見(jiàn)的點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。

那么太陽(yáng)繞著這個(gè)質(zhì)心的轉(zhuǎn)速有多大呢？

因?yàn)槟拘堑囊?，太?yáng)圍繞著質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)速度是13米/秒。作為比較，太陽(yáng)圍繞地球-太陽(yáng)系統(tǒng)的質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)速度只有9厘米/秒。木星要花11.8年才能繞太陽(yáng)一周，而太陽(yáng)繞質(zhì)心一周的時(shí)間也是11.8年。

知道了這個(gè)知識(shí)點(diǎn)又有什么用？

這非常有用。因?yàn)樘?yáng)和木星圍繞著宇宙中的一個(gè)看不見(jiàn)的點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，因此在其他地方（其他慣性參考系）看來(lái)，太陽(yáng)會(huì)微微抖動(dòng)。

從不同角度觀察到的恒星的抖動(dòng)

@NASA

其實(shí)，所有的二體系統(tǒng)都會(huì)發(fā)生這種抖動(dòng)，而這種抖動(dòng)也是天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)繞著恒星旋轉(zhuǎn)的大質(zhì)量太陽(yáng)系外行星的一種方法。

從地球上看，如果遠(yuǎn)處恒星有類(lèi)似于木星這樣的大質(zhì)量行星，那么它相對(duì)于地球的速度就會(huì)有周期性的變化。這種變化，會(huì)讓恒星發(fā)出的光一會(huì)兒變藍(lán)，一會(huì)兒變紅。

比如，因?yàn)樘?yáng)的抖動(dòng)，太陽(yáng)光譜——夫瑯和費(fèi)線（Fraunhofer lines）會(huì)周期性地一會(huì)兒向紅光偏移——紅移，一會(huì)兒向藍(lán)光偏移——藍(lán)移。

夫瑯和費(fèi)線

其他恒星也是一樣，當(dāng)它們向我們這邊抖的時(shí)候，它們的夫瑯和費(fèi)線就會(huì)藍(lán)移，而當(dāng)它們抖遠(yuǎn)的時(shí)候，就會(huì)紅移。這個(gè)檢測(cè)恒星附近行星方法，叫做多普勒抖動(dòng)（Doppler wobble）。

沒(méi)有紅移或藍(lán)移的光譜（上），紅移（中），藍(lán)移（下）

@Caltech

說(shuō)到轉(zhuǎn)動(dòng)，還有一個(gè)很有意思的現(xiàn)象，這個(gè)現(xiàn)象叫做扎尼別科夫效應(yīng)，是前蘇聯(lián)宇航員弗拉基米爾·扎尼別科夫（Vladimir Dzhanibekov）發(fā)現(xiàn)的。

微重力中的扎尼別科夫效應(yīng)

@NASA

1985年，扎尼別科夫在太空中執(zhí)行任務(wù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在微重力中旋轉(zhuǎn)的蝶形螺母會(huì)周期性地翻轉(zhuǎn)。

微重力中蝶形螺母的扎尼別科夫效應(yīng)

@engineeringclicks

這個(gè)現(xiàn)象把前蘇聯(lián)嚇壞了，他們害怕這會(huì)引發(fā)人類(lèi)對(duì)世界末日的恐慌。你想啊，地球可以看作一個(gè)大號(hào)的蝶形螺母，而且地球也在圍繞著地軸自轉(zhuǎn)。如果扎尼別科夫效應(yīng)適用于萬(wàn)事萬(wàn)物，那么地球在周期結(jié)束后也會(huì)180度翻轉(zhuǎn)。到時(shí)候地球不就要亂套了？

但是，物理學(xué)家們?cè)俅握攘说厍颉Ｔ瓉?lái)，支配扎尼別科夫效應(yīng)的，是中間軸定理（intermediate axis theorem），而中間軸定理并不適用于地球。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果一個(gè)物體（剛體）沿著XYZ軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，有3個(gè)不同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（質(zhì)量乘以質(zhì)點(diǎn)和轉(zhuǎn)軸的垂直距離的平方），那么就認(rèn)為它有3個(gè)不同的慣量主軸。

T型剛體的3個(gè)慣量主軸。紅色的那根是中間軸，繞著它旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量居中。根據(jù)中間軸定理，如果T型剛體繞著它旋轉(zhuǎn)，必定會(huì)發(fā)生周期性的翻轉(zhuǎn)。

@Randy Dobson

中間軸定理指出，物體只有在沿著能產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的慣量主軸，或者沿著最小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的慣量主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)才比較穩(wěn)定，沿著中間那個(gè)慣量主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，必然會(huì)發(fā)生周期性的翻轉(zhuǎn)。

這就是為什么，你把乒乓球拍繞著下面這個(gè)軸丟起來(lái)的時(shí)候，它肯定會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。因?yàn)檫@個(gè)軸是乒乓球拍的中間軸，繞著它旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量既不是最大，也不是最小，非常不穩(wěn)定。

但是這樣丟就不會(huì)——

這樣丟也不會(huì)——

@kettering university

其實(shí)，中間軸定理也解釋了跳水、體操運(yùn)動(dòng)員在旋轉(zhuǎn)和空中轉(zhuǎn)身時(shí)手部的動(dòng)作。

Simone Biles 在2019全美體操競(jìng)標(biāo)賽上的藐視重力的動(dòng)作

運(yùn)動(dòng)員為了做出空翻+轉(zhuǎn)體的動(dòng)作（wobbling somersault），就要讓身體變得不對(duì)稱(chēng)，使自己沿著中間軸旋轉(zhuǎn)。所以你可以看到他們會(huì)突然一只手向上，一只手向下，擺出超人的姿勢(shì)。

空翻+轉(zhuǎn)體的動(dòng)作需要在中間軸上旋轉(zhuǎn)，因此身體要不對(duì)稱(chēng)。

@Society for Industrial and Applied Mathematics

但是如果不在空中轉(zhuǎn)身（twisting somersault），那么就要保證在最大或最小的慣量主軸上旋轉(zhuǎn)，所以運(yùn)動(dòng)員就要讓身體保持對(duì)稱(chēng)，兩個(gè)爪子就要對(duì)齊。

只是做多次空翻旋轉(zhuǎn)，并不轉(zhuǎn)體的話，需要身體在最大或最小慣量主軸上旋轉(zhuǎn)。

@Society for Industrial and Applied Mathematics

話說(shuō)回來(lái)，完美的勻質(zhì)真空球形雞不管怎么轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都一樣大，沒(méi)有中間軸，無(wú)法產(chǎn)生扎尼別科夫效應(yīng)。

地球也差不多。地球雖然不是一個(gè)完美的球體，但赤道附近更加凸起，因此實(shí)際上是一個(gè)類(lèi)球面，只有2個(gè)不同的慣量主軸，并不存在中間軸，因此不適用于中間軸定理。

地球只有2個(gè)不同的慣量主軸

@columbia university

況且，地球已經(jīng)沿著產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的慣量主軸轉(zhuǎn)動(dòng)了，因此地球的自轉(zhuǎn)是相對(duì)穩(wěn)定的，不會(huì)周期性翻轉(zhuǎn)。害怕地球會(huì)突然使出托馬斯旋轉(zhuǎn)的街舞招式的同學(xué)可以安心洗路了。

對(duì)了，貓咪總能四腳著地的定律在太空里卻不靈了。戰(zhàn)斗種族要是看到喵星人在微重力里的轉(zhuǎn)法，可能會(huì)更加懷疑人生吧。大家來(lái)吸一下美國(guó)聯(lián)邦航空管理局做的（騙）（經(jīng)）（費(fèi)）研究——