|
在地球上，如果没有动力来源，没有什么机器可以一直转动下去，最终总会停止下来。然而，对于地球本身，它的质量重达6亿亿亿公斤（6×10^24 kg），它自45亿年前形成以来，一直在绕地轴自转和绕太阳公转。那么，地球持续转动的动力来源是什么？难道地球是永动机？ 长久以来，一些人总是梦想着制造出永动机。起先，人们希望通过力矩的变化或者浮力等原理，不需要消耗能源，就能驱动永动机，并能对外做功。但经过数百年的尝试，这类永动机从未被制造出来。随着热力学第一定律的确立，人们认识到了这种永动机违背了能量守恒，所以不可能实现。 此后，人们又尝试从自然界中捕获热量，以此让永动机转起来，并能向外输出功。但同样地，这类永动机也失败了。因为根据热力学第二定律，也就是熵增原理，热量不会自发地从低温传向高温，或者说热量无法百分之百转化为功。 热力学定律同样适用于地球，既然永动机无法被人为制造出来，也不能被宇宙制造出来，所以地球也不会是什么永动机。虽然地球一直在转动，但它并没有对外输出功。那么，究竟是什么力量在驱动地球呢？ 关于地球转动的动力来源，需要追溯到地球乃至整个太阳系的形成。距今46亿年前，太阳系中并没有太阳、水星、地球、木星、海王星等一众天体，只有一团星云——太阳星云。它的直径估计为3光年，其中98%为来自宇宙大爆炸产生的氢气和氦气，2%为上一代大质量恒星合成出的重元素。 在原始太阳星云中，分子与分子之间相互碰撞，总体的角动量不会刚好为零，在某个方向上会有净值。在中学物理中，我们学过动量，这是相对于平动的概念。如果运动方式是转动，则对应的是角动量（L），它正比于转动半径平方和角速度（L=mr^2ω）。就像动量守恒一样，角动量也严格遵循守恒定律。 在引力的作用下，太阳星云开始坍缩，大量分子聚集到中心，星云逐渐扁平化。根据角动量守恒，星云在最初那个角动量不为零的方向上越转越快，因为星云的转动半径变得越来越小。举个例子，一位花样滑冰运动员伸开双手原地旋转，当他把双手缩回去时，它的旋转速度会随之加快。 经过上千万年的时间，太阳星云中99.86%物质坍缩到中心，最终启动了氢核聚变反应，形成了能够发光发热的太阳。余下的物质绕着太阳旋转，形成原行星盘。 在原行星盘中，尘埃颗粒互相碰撞，结合成更大的微行星。这些天体又继续互相碰撞，体型变得越来越大，越大的个体能够吸引更多的物质。最终，几个“寡头”胜出，形成了各大行星，这其中就包括地球。 因为角动量始终是守恒的，从原行星盘中形成的地球仍然会绕着太阳旋转，并且自身还会自转。正因为如此，太阳系各大天体的自转和公转方向大都是一致的，而且还差不多处在同一个平面上。 在几乎是真空的太空中，地球的转动基本不会消耗能量，地球的角动量能够一直保持下去，所以地球能够靠着惯性不断转动。地球的持续转动不需要一个外加的动力，地球在形成之初已经转动起来了，它就能一直维持这种运动。 不过，地球的自转角动量在不断变小，自转角速度越来越慢。地球在刚形成时，绕轴自转一圈只需6小时，恐龙时期延长为21小时，目前为24小时，未来还有可能延长至47天。这背后的原因与月球有关，月球引力对地球形成潮汐作用，这会阻碍地球的自转，地球的自转角动量会逐渐转移给月球。 在宇宙中，天体的自转和公转都是非常普遍的，想要保持静止是不可能的。太阳本身也有自转，只不过太阳是等离子态，没有固体表面，不同区域的自转速度不一样，太阳的平均自转周期为27天。 同样地，太阳也有公转运动，其绕行中心位于2.6万光年外的银河系中心。太阳以大约220公里/秒的速度绕着银心旋转，每2.3亿年公转一圈。也就是说，过去46亿年来，太阳才公转了20圈。 |
|
|
