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36 為什麽天體之間的會麵如此規律:軌道共振

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太陽係裏天體運動的主要規律可以被描述為“小的繞著大的轉”,這個旋轉的軌道形狀是一個橢圓。天體運動軌道的形狀是它的空間性質,除此之外,軌道和軌道之間的時間性質,有一個非常神奇的特性,叫作“軌道共振”(orbit resonance)。

軌道共振的現象是,圍繞同一中心公轉的幾個天體的公轉周期會形成整數比。比如,木星的其中三個衛星,它們的公轉周期之比值是1∶2∶4,土星的兩顆衛星“許佩裏翁”(Hyperion)和“泰坦”(Titan)(它們都是古希臘神話裏的神話人物),公轉周期之比是3∶4,冥王星和海王星的公轉周期之比是3∶2。為什麽會存在這樣的現象呢?最早研究出“軌道共振現象”原理的科學家叫拉普拉斯,是一位活躍於18至19世紀的法國數學家。

要解釋軌道共振現象,從數學上分析是比較困難的,因為涉及極其複雜的數學計算。但如果隻是定性解釋軌道共振現象的存在而不是作定量的描述,並不困難。

這裏提供一個宏觀論證:首先,無論是太陽係這樣相對大的天體係統,還是木星和它的若幹衛星構成的較小的天體係統,這些係統都是穩定的周期性係統。也就是這類係統的運動是會不斷重複的。經過若幹時間之後,係統裏的所有天體都會回到與之前幾乎相同的初始狀態,所有天體的位置和速度都與初始狀態幾乎相同,這之後天體繼續運動,又經過相同的時間段,再次回到這個狀態,周而複始、不斷循環。