提起太陽系你會想到什麼？是碩大、熾熱、質量佔整個太陽系99.8%的太陽，還是圍繞它不停繞圈的八大行星和矮行星，抑或是彗星、小行星、流星體等數量眾多的小天體。
其實，太陽系還有一個最顯而易見，也最容易被我們忽視的特點，那就是它非常的扁！
仔細回想，無論是書上的圖畫還是模型，你見過的太陽系是不是都是這樣的：
這樣的
或是這樣的
但你卻從來沒有見過這樣立體的太陽系：
很少有星系呈現這樣的形態
為什麼太陽系裏許多天體的公轉軌道幾乎都在同一個平面附近呢？這是一場美麗的意外，還是其中另有玄機？
如果你放眼星空，你會發現，除了太陽系外，宇宙中許多星系都是又扁又平的，我們所在的銀河系就如同一個大盤子一般。
可不要以為這個規律在星系的尺度才成立，大到黑洞的吸積盤，小到與我們同在太陽系的土星環都是扁平的盤狀。
黑洞吸積盤假想圖
土星和土星環
我們身邊倒是也有個例外，那就是在地球外的人造衞星。根據功能不同，人造衞星的軌道是人為選擇的。另外，利用衞星發動機，人們也可以人為地調整或維持衞星的軌道。
各種人造衞星軌道
讀到這兒你或許已經意識到，在沒有人為干預下，星系或是宇宙中的一些天體系統，總會或多或少地呈現扁平的盤狀，這其中一定有什麼被我們忽視的規律。
在討論太陽系為什麼“平”之前，我們先要了解下到底什麼是“平”？
通常，我們把圍繞太陽繞圈的運動稱為公轉，公轉的軌跡可以近似看作橢圓，四季變化便與地球繞太陽的公轉有關。
除了地球，太陽系中其他的行星、矮行星和數量眾多的小天體也會沿着各自的軌道圍繞太陽週期往復地公轉。
我們假想這些天體與太陽之間有一根連線，公轉一週後，這條線掃過一圈形成的平面就是該天體的公轉軌道平面，地球繞太陽公轉的軌道平面就是我們常説的黃道面。
我們發現，太陽系內，許多天體公轉軌道平面之間的夾角都不大，有的幾乎是重合的，有的只相差一個較小的夾角，這便是所謂“扁平”。
太陽系局部，主要天體的公轉軌道之間夾角都不大
一個星系越扁平，整體來看，其內部各個天體圍繞中心天體的公轉軌道平面之間平均夾角越小。
回到最初的問題，太陽系為什麼會“又扁又平”呢？我們不妨把時間倒回，看看太陽系誕生之初是什麼樣子。
這時的“太陽系”只是一團瀰漫着氣體和塵埃的星雲，別説八大行星，甚至連太陽本身都沒有形成。
這團星雲看上去並沒有固定的形狀，但要比今天的太陽系“立體”得多，雖稱不上球形，但也沒有形成一個扁扁的盤狀。
不過，歲月可不會一直如此靜好，在萬有引力的作用下，這些彌散的物質會漸漸匯聚，並不斷髮生着碰撞，形成太陽和太陽系裏的各個天體。
太陽系的演變
在這個過程中，最初組成太陽系的那些微小的物體會在相互的引力作用下不斷地旋轉翻飛，做着極度複雜、無法預料的運動（曾有一位數學家試圖預測這種運動，結果賠了不少錢，點這裏瞭解）。
雖然每個物體的運動紛繁複雜、根本無法預測，但是整體上看，你會發現它們好像都在圍繞着某個軸轉着圈。
假設把所有物體的運動疊加在一起，剩下的只不過是簡單的旋轉。此時，我們稱這個系統具有角動量。（不知道什麼是角動量，點擊這裏，看看我們之前的文章吧）
角動量的方向與旋轉軸共線，朝向取決於旋轉的方向，大小則與系統內各個物體的位置、質量、繞轉軸旋轉的速度都有關。
滄海桑田，時過境遷，太陽系的形態在不斷演變着，太陽系整體旋轉的快慢也隨之不斷改變着，然而有一個量卻幾乎不會發生變化，那就是太陽系整體的角動量。
這是因為太陽系距離其他星系十分地遙遠，幾乎是一個孤立的系統，受到的外力矩可以忽略不計，對於這樣的系統，角動量是不會發生改變的，此時我們稱系統的角動量守恆。
在三維空間中，具有角動量的系統會在整體上順着某平面旋轉，這個平面與旋轉軸垂直，這是我們生活的三維空間中特有的。
在天體物理中，這個平面被稱為拉普拉斯不變面（Laplace's Invariable plane），最早由數學家拉普拉斯提出，與其相關的論述被收錄在論文集《天體力學》（Traité de Mécanique Céleste）中。
拉普拉斯（Pierre Simon Laplace）
之所以稱為“不變面”正是因為對於太陽系這個接近孤立的系統來講，無論它內部的各個天體經歷怎樣的變遷，整體上看這個平面的方向永遠不發生改變，總與角動量方向垂直，這恰恰是角動量守恆的體現。
更有趣的是，而隨着時間推移，太陽系內各行星的公轉軌道會穩定在拉普拉斯不變面附近，只相差一個較小的角度，比如地球的公轉平面（黃道面）與拉普拉斯不變面只差了1.58°。
黃道面與拉普拉斯不變面的夾角很小，只有1.58°
不過以上規律僅在三維空間中成立，如果是四維空間，系統則可以看作同時順着兩個平面旋轉，角動量也會變成一個二維的量，最終星系不會越來越平，而是越來越像個球，是不是有些難以想象呢？（不光是難想象，小編也沒辦法用圖表示出來）
至於二維空間，所有物體本來就在一個平面內，沒有所謂的“變平“的概念。
所以，正是由於我們生活的宇宙擁有3個空間維度，才讓我們看到了“星系越來越平”這個獨特的現象。
講到這裏，可能有人會問，雖然太陽系具有角動量，整體上會沿着平面旋轉，但是這並不妨礙裏面的物體在垂直於平面的方向來回運動啊，為什麼現在太陽系裏的天體大多數都老老實實地呆在一個平面內，而沒有上下翻飛呢？
其實，太陽系是被“撞”扁的，不要誤會，不是別的星系撞到了太陽系把它“壓扁”，而是太陽系內部的各個天體相互碰撞導致的。
一開始太陽系內的或大或小的天體確實存在着大量垂直於拉普拉斯不變面的運動，有的垂直向上運動，有的垂直向下運動。如果把所有天體的垂直運動疊加在一起，你會發現，向上和向下的垂直運動可以完全抵消。
不過，要想讓垂直運動完全消失還需要一種強烈的相互作用——碰撞。
經過持續不斷的碰撞和相互作用，動量和能量在天體之間不斷傳遞、轉移，最終使向上和向下的運動相互抵消，隨着時間推移，太陽系就變得越來越平了。
模擬星系變平的過程，每兩點之間只受萬有引力
敲黑板劃重點啦！
太陽系變平，這幾點必不可少：
1. 我們生活在三維空間，三維空間的旋轉是順着某一個平面的，這個平面一定和旋轉軸垂直。
2. 太陽系近似可以看作孤立系統，它的角動量是守恆的，由於質量分佈不同，旋轉的快慢會隨之變化，但角動量卻是守恆的，旋轉的狀態本身並不會消失。
3. 太陽系內部的物質不斷地相互碰撞，抵消了垂直於拉普拉斯不變面的運動，使太陽系看起來很扁平。
三維空間、旋轉、碰撞……這些都是我們最熟悉的詞彙、最司空見慣的現象。然而，如果你仔細思考，探索現象背後的規律，就會發現在這些尋常的現象背後往往藏着深刻的科學原理，甚至能解釋一些你意想不到的現象。