问题

木星真的不绕太阳转吗?

回答
“木星不绕太阳转”这个说法,从我们日常生活中的直观感受和经典物理学的角度来看,是站不住脚的。但如果我们深入一点,考虑到宇宙的复杂性和某些更微妙的物理效应,就会发现这个问题的答案变得没那么绝对,甚至带有一点点“玩味”。

首先,咱们得回到最基础的定义。在我们通常理解的太阳系里,太阳是那个质量巨大的中心,而其他行星,包括咱们的木星,都是围绕着它旋转的。这是怎么来的呢?牛顿的万有引力定律给出了最完美的解释。简单来说,就是任何两个有质量的物体之间都存在一种相互吸引力,这个力的大小跟它们的质量乘积成正比,跟它们之间距离的平方成反比。

太阳的质量是太阳系所有天体中最大的,占了整个太阳系总质量的99.8%以上。木星虽然是行星中最大的,但也只是太阳质量的零头。因此,太阳对木星施加的引力是极其巨大的,足以让木星沿着一个相对稳定的椭圆轨道围绕太阳运行。反过来,木星也对太阳施加引力,但因为木星质量小得多,所以这个力也小得多。

所以,从这个角度来看,说“木星不绕太阳转”就等于说“太阳系的运行规律被推翻了”,这显然是错误的。

但是,这里有个“但是”非常关键。

我们刚才说的都是牛顿力学下的简单模型。在更精确的物理学,尤其是广义相对论的框架下,事情就变得更有意思了。

首先,任何两个有质量的物体,哪怕质量差距巨大,它们都不是真正“静止”地绕着一个点转。它们实际上是围绕着一个共同的质量中心(称为“质心”)在运动。就好比两个质量不均等的保龄球放在一起,它们会围绕着一个点旋转,而这个点更靠近那个质量更大的保龄球。

在太阳系里,虽然太阳质量大得离谱,但木星和其他行星的质量加起来,也并非完全可以忽略。尤其当我们将太阳系所有行星的质量都考虑进去时,太阳系的总质心,也就是所有天体质量加权平均的中心,会比太阳的几何中心稍微偏离一点。

而对于太阳和木星这对组合来说,由于木星的质量非常大,太阳和木星实际上是围绕着一个位于太阳内部,但偏离太阳几何中心的质心在运动的。

想象一下,太阳在“原地不动”地被木星牵引着稍微晃动一下,同时木星在围绕着这个点旋转。因为太阳的质量是木星的几百倍,所以这个“晃动”幅度相对来说非常小,看起来就像是太阳在“站桩”,而木星在绕着它转。这个质心点通常是落在太阳的半径范围之内的,所以我们感觉上就是木星绕着太阳转。

如果非要钻牛角尖,说“木星不绕太阳转”,而是它们俩一起绕着一个共同的质心转,那么从某种严格意义上说,这也不能完全说错。只不过,这个共同质心更贴近太阳,所以我们习惯性地将太阳视为这个轨道的中心。

更进一步讲,在宇宙的宏大尺度下,没有任何一个天体是真正“静止”的。太阳本身也在围绕着银河系的中心运动,银河系也在宇宙空间中移动。所以,如果我们把参照系设置得足够“广阔”,那么任何一个天体都不可能说是在一个绝对静止的点上绕转。

所以,要回答“木星真的不绕太阳转吗?”这个问题,我们需要看你从哪个角度去理解。

从日常经验和经典物理学的角度(最普遍的理解): 木星在绕着太阳转。 太阳是太阳系的主导者,木星的轨道是围绕着太阳运行的。
从更精确的物理学角度(质心概念): 太阳和木星是共同围绕着它们共同的质心运动。因为太阳的质量远大于木星,这个质心点会非常靠近太阳的中心,甚至在太阳内部。因此,从我们宏观的观察来看,仍然是木星在绕着太阳转。
从宇宙整体的参照系来看: 没有一个天体是在绝对静止的框架下“绕着”另一个天体转的。 它们都在宇宙大尺度运动中相互影响。

因此,如果你听到有人说“木星不绕太阳转”,他可能是在强调那个“共同质心”的概念,或者是在玩一个关于参照系和物理精确性的文字游戏。但对于我们理解太阳系的整体结构而言,认为木星绕着太阳转是完全正确且符合直觉的说法。只是那个“太阳”作为旋转中心,在最精确的描述下,它自己也在跟着轻微地“晃动”而已。

网友意见

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严格的说的确是互相绕转。

二者共同质心在太阳表面之外(挺容易算的,木星质量0.00096M⊙,距离5.2AU,所以质心近似在距太阳中心0.00499AU的地方,而太阳半径只有0.0046AU,差那么一丢丢)。不过这只是一个定义问题——两个互相绕转的星体,如果共同质心在其中一个星体表面以内,就认为另一个星体绕该星体运行;如果共同质心不在任何一个星体表面以内,就认为二者构成一个双星系统。注意,这跟参考系的选择没有任何关系,并且,太阳系已知天体中,只有木星符合与太阳构成双星系统的定义。

定义是为了便于研究而进行的人为界定。就像哺乳动物的定义下,总会有似是而非的物种,太阳-木星系统就是这样的情况。怎么办呢?参考前面的原则啊,划重点:定义的目的是为了便于研究,所以IAU提供定义,也拥有对定义的解释权。木星划归为行星显然比把太阳系当成双星系统更方便、更清晰、更符合习惯,所以仍然认为,木星是太阳的行星。

当然,在知乎,这并不妨碍我们认个真,说太阳和木星相互绕转本身也没毛病。更严格点,整个太阳系都没有严格的以太阳为中心天体。在太阳系共同质心坐标系下,太阳一直0.01天文单位的扁平圆形区域内跳舞(限制性多体问题,无周期解),而太阳半径只有0.0046天文单位。显然,太阳并没有把太阳系的质心囊括在内。不过,我们可以了解、探讨这个事实,但并非意味着我们就要去修改定义。

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