根据一系列的证据,地球的诞生时间可以追溯到45.4亿年前。数十亿年来,地球不断围绕着自转轴自转,同时还环绕太阳公转。那么,地球持续转动的动力来自于哪里?地球是永动机吗?
随着热力学第一和第二定律的相继确立,第一类和第二类永动机早就在科学上被否定掉,永动机不可能被制造出来,而且自然界中也没有永动机,所以地球肯定也不是永动机。那么,地球如何持续保持转动呢?
关于地球转动的动力来源,需要追溯到地球乃至太阳系的起源。早在46亿年之前,太阳系还未形成时,没有八大行星,也没有太阳,只有一团主要由氢和氦组成的星云。
在外界的干扰下,太阳星云的中心发生了引力坍缩,气体和尘埃不断落入中心。虽然星云看似杂乱无章,但组成粒子之间的互相碰撞不可能会恰好抵消掉,必然会在某个方向上产生净角动量,所以太阳星云会逐渐在那个方向上旋转起来。
随着太阳星云中心不断吸收物质,星云将会越转越快,这是因为角动量不会无端损失掉,始终是守恒的。由于角动量(L)是位置矢量(r)与动量(P)的叉积(L=r×P),转动半径变小,必然会导致转速变得越来越快。在生活中也有类似的现象,当滑冰运动员在原地旋转收起手臂时,自身的旋转速度会变得越来越快。
星云不但越转越快,而且还会变得越来越扁。这是因为旋转赤道面附近的星云转速最快,可以对抗引力作用,它们不容易落入中心。而在赤道面上下的星云转得较慢,它们将会逐渐落入赤道面和中心,使得太阳星云越来越扁平。
最终,大部分星云都被卷入中心,由此形成太阳。太阳的核心区域可以进行氢核聚变,源源不断产生能量,这会向外释放出强大的太阳风,阻止气体和尘埃落入其中。残余的星云环绕太阳运动,形成原行星盘,半径约为100天文单位。
在引力和电磁力的作用下,原行星盘中的气体和尘埃颗粒不断聚集起来形成大量的微行星,直径为数公里。微行星继承了星云的角动量,它们会继续环绕太阳运动。微行星之间又会不断发生碰撞,从而变得越来越大,直至最终形成了包括地球在内的行星。
地球形成之后,就有自转和公转。因为微行星的碰撞不可能刚好完全抵消自转角动量,使地球没有自转。而公转角动量更大,更是无法完全抵消掉。由于太空近乎真空,地球的自转和公转几乎不受阻力影响,使得地球的自转和公转角动量几乎不会因此而损失,所以地球可以一直自转和公转长达45亿年,未来还会继续转动下去。
不过,地球不是什么永动机,因为地球并没有对外做功。地球只是遵循了角动量守恒,这是主宰宇宙的物理学定律。
按照牛顿第一运动定律的描述,假若施加于某物体的总外力为零,那么该物体的运动速度不变。根据这个定律,假设外力之和为零,则运动中的物体将始终保持匀速直线运动状态,静止物体则总保持静止状态。物体所呈现出的这种维持运动状态不变的性质称为“惯性”。这和我们的日常经验相悖,是因为我们生活在一个充满了各种各样阻力(大多是摩擦力)的世界中。只要你松开汽车的油门,它最终就会停下来。但一辆行进中的汽车需要持续耗油,是因为大地的阻力和空气的阻力。如果没有这两者的影响,一辆已经开始运动的汽车,就能持续运行下去。
就目前来看,在诸多理论中,“星云假说”在科学界得到的认同度是最高的。
该理论认为,我们太阳系的前身是一片跨度几光年的星云,在几十亿年前,在它附近的一次超星新爆发破坏了这片星云的引力平衡,于是这里的物质就开始向一个共同的质量中心坍塌。在这个过程中,大量的物质在引力的作用下向这片星云的质量中心不断聚集,这使它们在整体上拥有了一个角动量。
由于现在还没有制造出时间机器,我们并不能回到45亿年前去对当时的地球进行实地勘察,所以科学家只有根据之前总结出来的自然规律,以及观测到的各种现象来推测这个问题的答案,就目前来看,在诸多理论中,星云假说,在科学界得到的认同度是最高的该理论认为,我们太阳系的前身是一片跨度几光年的星云,在几十亿年前,在它附近的一次超星新爆发破坏了这片星云的引力平衡,于是这里的物质就开始向一个共同的质量中心坍塌,在这个过程中,大量的物质在引力的作用下向这片星云的质量中心不断聚集,这使它们在整体上拥有了一个角动量