提起太阳系你会想到什么？是硕大、炽热、质量占整个太阳系99.8%的太阳，还是围绕它不停绕圈的八大行星和矮行星，抑或是彗星、小行星、流星体等数量众多的小天体。
其实，太阳系还有一个最显而易见，也最容易被我们忽视的特点，那就是它非常的扁！
仔细回想，无论是书上的图画还是模型，你见过的太阳系是不是都是这样的：
这样的
或是这样的
但你却从来没有见过这样立体的太阳系：
很少有星系呈现这样的形态
为什么太阳系里许多天体的公转轨道几乎都在同一个平面附近呢？这是一场美丽的意外，还是其中另有玄机？
如果你放眼星空，你会发现，除了太阳系外，宇宙中许多星系都是又扁又平的，我们所在的银河系就如同一个大盘子一般。
可不要以为这个规律在星系的尺度才成立，大到黑洞的吸积盘，小到与我们同在太阳系的土星环都是扁平的盘状。
黑洞吸积盘假想图
土星和土星环
我们身边倒是也有个例外，那就是在地球外的人造卫星。根据功能不同，人造卫星的轨道是人为选择的。另外，利用卫星发动机，人们也可以人为地调整或维持卫星的轨道。
各种人造卫星轨道
读到这儿你或许已经意识到，在没有人为干预下，星系或是宇宙中的一些天体系统，总会或多或少地呈现扁平的盘状，这其中一定有什么被我们忽视的规律。
在讨论太阳系为什么“平”之前，我们先要了解下到底什么是“平”？
通常，我们把围绕太阳绕圈的运动称为公转，公转的轨迹可以近似看作椭圆，四季变化便与地球绕太阳的公转有关。
除了地球，太阳系中其他的行星、矮行星和数量众多的小天体也会沿着各自的轨道围绕太阳周期往复地公转。
我们假想这些天体与太阳之间有一根连线，公转一周后，这条线扫过一圈形成的平面就是该天体的公转轨道平面，地球绕太阳公转的轨道平面就是我们常说的黄道面。
我们发现，太阳系内，许多天体公转轨道平面之间的夹角都不大，有的几乎是重合的，有的只相差一个较小的夹角，这便是所谓“扁平”。
太阳系局部，主要天体的公转轨道之间夹角都不大
一个星系越扁平，整体来看，其内部各个天体围绕中心天体的公转轨道平面之间平均夹角越小。
回到最初的问题，太阳系为什么会“又扁又平”呢？我们不妨把时间倒回，看看太阳系诞生之初是什么样子。
这时的“太阳系”只是一团弥漫着气体和尘埃的星云，别说八大行星，甚至连太阳本身都没有形成。
这团星云看上去并没有固定的形状，但要比今天的太阳系“立体”得多，虽称不上球形，但也没有形成一个扁扁的盘状。
不过，岁月可不会一直如此静好，在万有引力的作用下，这些弥散的物质会渐渐汇聚，并不断发生着碰撞，形成太阳和太阳系里的各个天体。
太阳系的演变
在这个过程中，最初组成太阳系的那些微小的物体会在相互的引力作用下不断地旋转翻飞，做着极度复杂、无法预料的运动（曾有一位数学家试图预测这种运动，结果赔了不少钱，点这里了解）。
虽然每个物体的运动纷繁复杂、根本无法预测，但是整体上看，你会发现它们好像都在围绕着某个轴转着圈。
假设把所有物体的运动叠加在一起，剩下的只不过是简单的旋转。此时，我们称这个系统具有角动量。（不知道什么是角动量，点击这里，看看我们之前的文章吧）
角动量的方向与旋转轴共线，朝向取决于旋转的方向，大小则与系统内各个物体的位置、质量、绕转轴旋转的速度都有关。
沧海桑田，时过境迁，太阳系的形态在不断演变着，太阳系整体旋转的快慢也随之不断改变着，然而有一个量却几乎不会发生变化，那就是太阳系整体的角动量。
这是因为太阳系距离其他星系十分地遥远，几乎是一个孤立的系统，受到的外力矩可以忽略不计，对于这样的系统，角动量是不会发生改变的，此时我们称系统的角动量守恒。
在三维空间中，具有角动量的系统会在整体上顺着某平面旋转，这个平面与旋转轴垂直，这是我们生活的三维空间中特有的。
在天体物理中，这个平面被称为拉普拉斯不变面（Laplace's Invariable plane），最早由数学家拉普拉斯提出，与其相关的论述被收录在论文集《天体力学》（Traité de Mécanique Céleste）中。
拉普拉斯（Pierre Simon Laplace）
之所以称为“不变面”正是因为对于太阳系这个接近孤立的系统来讲，无论它内部的各个天体经历怎样的变迁，整体上看这个平面的方向永远不发生改变，总与角动量方向垂直，这恰恰是角动量守恒的体现。
更有趣的是，而随着时间推移，太阳系内各行星的公转轨道会稳定在拉普拉斯不变面附近，只相差一个较小的角度，比如地球的公转平面（黄道面）与拉普拉斯不变面只差了1.58°。
黄道面与拉普拉斯不变面的夹角很小，只有1.58°
不过以上规律仅在三维空间中成立，如果是四维空间，系统则可以看作同时顺着两个平面旋转，角动量也会变成一个二维的量，最终星系不会越来越平，而是越来越像个球，是不是有些难以想象呢？（不光是难想象，小编也没办法用图表示出来）
至于二维空间，所有物体本来就在一个平面内，没有所谓的“变平“的概念。
所以，正是由于我们生活的宇宙拥有3个空间维度，才让我们看到了“星系越来越平”这个独特的现象。
讲到这里，可能有人会问，虽然太阳系具有角动量，整体上会沿着平面旋转，但是这并不妨碍里面的物体在垂直于平面的方向来回运动啊，为什么现在太阳系里的天体大多数都老老实实地呆在一个平面内，而没有上下翻飞呢？
其实，太阳系是被“撞”扁的，不要误会，不是别的星系撞到了太阳系把它“压扁”，而是太阳系内部的各个天体相互碰撞导致的。
一开始太阳系内的或大或小的天体确实存在着大量垂直于拉普拉斯不变面的运动，有的垂直向上运动，有的垂直向下运动。如果把所有天体的垂直运动叠加在一起，你会发现，向上和向下的垂直运动可以完全抵消。
不过，要想让垂直运动完全消失还需要一种强烈的相互作用——碰撞。
经过持续不断的碰撞和相互作用，动量和能量在天体之间不断传递、转移，最终使向上和向下的运动相互抵消，随着时间推移，太阳系就变得越来越平了。
模拟星系变平的过程，每两点之间只受万有引力
敲黑板划重点啦！
太阳系变平，这几点必不可少：
1. 我们生活在三维空间，三维空间的旋转是顺着某一个平面的，这个平面一定和旋转轴垂直。
2. 太阳系近似可以看作孤立系统，它的角动量是守恒的，由于质量分布不同，旋转的快慢会随之变化，但角动量却是守恒的，旋转的状态本身并不会消失。
3. 太阳系内部的物质不断地相互碰撞，抵消了垂直于拉普拉斯不变面的运动，使太阳系看起来很扁平。
三维空间、旋转、碰撞……这些都是我们最熟悉的词汇、最司空见惯的现象。然而，如果你仔细思考，探索现象背后的规律，就会发现在这些寻常的现象背后往往藏着深刻的科学原理，甚至能解释一些你意想不到的现象。
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