最后更新：2025年7月30日

太阳为何自转如此缓慢？角动量缺失之谜

什么是角动量？

角动量是一个矢量量，用于衡量物体相对于某一点的旋转程度：\( \vec{L} = \vec{r} \times \vec{p} \)

\( \vec{L} \)：角动量，\( \vec{r} \)：位置矢量，从参考点（原点）指向运动物体，\( \vec{p} \)：物体的动量。

角动量守恒定律是经典力学和量子力学的基本原理。它指出，在孤立系统（无净外力矩作用）中，总角动量保持不变。

一位滑冰者将双臂收拢靠近身体时，其旋转速度会加快（转动惯量\(I\)减小，因此角速度\(\omega\)增大，因为\(L = I\,\omega = \text{常数}\)）。
行星在靠近太阳时会加速（开普勒第二定律：角动量守恒）。
陀螺仪由于角动量守恒而保持其旋转轴固定。如果你试图倾斜它，它会以进动运动作为反应，这展示了在没有净外力矩作用时角动量的稳定性。
在无扰动的孤立原子中，电子的轨道角动量守恒。当存在相互作用（如光子发射或吸收）时，轨道角动量可能发生变化，但系统（电子+场）的总角动量仍然守恒。

在旋转的原太阳云坍缩的情景中，我们预期角动量会守恒。然而，模拟显示，在没有角动量传递机制的情况下，太阳的旋转速度应快得多，周期仅为数小时而非27天。

太阳系的角动量主要集中在行星上，尤其是像木星和土星这样的气态巨行星。这一事实有违直觉：太阳拥有太阳系超过99.8%的质量，却仅占其总角动量的约2%。相比之下，仅木星和土星就贡献了超过90%的角动量。

质量为 \( m \) 的物体以速度 \( v \) 沿半径为 \( r \) 的圆形轨道运动时，其轨道角动量 \( L \) 由下式给出：\( L = m \cdot r \cdot v \)

对于开普勒轨道，角动量 \( L \) 可通过中心恒星（此处为太阳）的质量 \( M \) 表示为：\( L = m \cdot \sqrt{G M r} \)，其中 \( G \) 为引力常数。

太阳系的角动量悖论是一个天体物理学谜题，涉及太阳与行星之间角动量的意外分布。

太阳系中角动量的分布
身体	角动量（千克·米²/秒）	占总数的百分比	评论
木星	1.9 × 10⁴³	60%	轨道动量主导行星
土星	7.8 × 10⁴²	25%	第二大贡献者
其他行星	3.8 × 10⁴²	12%	包括天王星、海王星等。
太阳（自转）	1.9 × 10⁴¹	~2%	低微分旋转
小行星与彗星	~10³⁹	0.01%	可忽略不计的贡献