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地球重达 6 亿亿亿公斤,它不停转动 45 亿年,动力来自哪里?

2021-02-27科学

来看下题主的问题描述,逐一解惑:

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?

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。

  • 那是因为在地球上摩擦力无法避免,物体运动一定会受到阻力。
  • 最终总会停止下来。

  • 值得一提的是,自转也会受到阻力,月球一开始也是有较快自转的,地球上能看到月球在旋转,但现在已经看不到了。今天月球已经被地球潮汐锁定,一面永远朝向地球。
  • 如果地月系能在红巨星爆发中幸存,若干年后地球也会被月球潮汐锁定。
  • 地月相互潮汐锁定
  • 如果我们失去了月亮,地球最终将被太阳潮汐锁定,类似下面的双星系统。
  • 相互潮汐锁定的双星系统

    然而,对于地球本身,它的质量重达6亿亿亿公斤(6×10^24 kg),

  • 质量越大,惯性越大(加速度等于阻力除以质量)越不容易停下来。
  • 它自45亿年前形成以来,

  • 是46亿年前,所以问题的关键就在于地球是怎么形成的。
  • 一直在绕地轴自转和绕太阳公转。

  • 是的,但是自转速度一直在变慢。地球形成初期,一天大约8小时;6.2亿年前,一天21.9小时;1亿年之后,地球的一天会有25小时。地球自转变慢的速度大过很多人想象:目前约为每年0.7毫秒(不是一个常数)。
  • 这个变化并不均匀,人类不得不通过闰秒来让世界时间和地球自转同步(当天时间多计入或少计入一秒),目前,全球已经进行了27次闰秒(皆为正闰秒)。
  • 2016年末多出的一秒

    那么,地球持续转动的动力来源是什么?

  • 牛顿在350年前纠正了人类长达几千年的错觉:运动需要力来维持。牛顿定律清楚地告诉我们:力是改变物体运动的原因,而在无外力作用下,物体会保持静止或维持其运动——也就是惯性。
  • 自转球体上的每个点都在做匀速圆周运动,维持自转或公转运动的力都是向心力,由万有引力提供。
  • 当然,向心力不做功,不发生能量转换(椭圆公转轨道会有势能和动能的周期转换)。
  • 如果真的存在某种力推动地球,并对地球不断做功使地球的自转动能增加,那么我们将会观察到地球的自转速度越来越快;如果使地球的公转动能增加,那么地球将偏离原有轨道。
  • 难道地球是永动机?

  • 可能题主对永动机有一些误解。永动机是需要不断对外做功的,能够产生源源不断的能量。地球的动能从始至终都没增加过,况且自转还在不断变慢。
  • 根据地球目前的自转公转速度,我们还可以估算地球的自转动能:2.6×10²⁹ J;和地球的公转动能:27×10³² J。
  • 下面,正片开始,来回答题干:

    地球重达 6 亿亿亿公斤,它不停转动 45 亿年,动力来自哪里?

    也就是地球一开始为什么会转动,这10³²J的能量从哪来( 即所谓的 第一推动力 )。

    一:星逝

    故事要从一颗衰老的大质量恒星开始,它的时代和我们不同,那时候的宇宙,绝大部分都是氢和氦,没有形成生命的可能,甚至连岩石行星也没有。它孤寂的燃烧完自己,不断在体内通过核聚变合成更重的元素,从氦元素到铁元素,为下一代恒星系诞生岩石行星做准备。

    铁元素(Fe)站在比结合能的顶点,轻核聚变到铁都是释放能量,但要聚变出更重的元素就要吸收能量了。这是所有恒星在缓慢燃烧阶段无法通过核聚变生成比铁重的元素的原因。

    恒星在一开始燃烧的是氢,氢核聚变会产生氦。因为氦元素比较重,会在恒星中心积累。随着氦元素不断累积,中心温度不断升高,达到氦核聚变的临界值,点燃氦元素参与聚变。氦元素聚变形成碳。恒星不断重复着前面的步骤,碳聚变之后引发氖聚变,再引发氧聚变,镁聚变、硅聚变。硅聚源源不断生成铁元素,而铁元素是比结合能最高的元素,在恒星燃烧阶段无法继续聚变了。

    最终铁核的质量超过了简并压的临界点,开始不可阻挡的坍缩,核心外围的物质将以0.2倍光速猛烈撞向铁核,电子被挤进原子核,物质压力瞬间突破白矮星级别。同时压力的增加导致温度升高,高温引发原本不参与核聚变的元素参与聚变,又进一步提升内核的温度与压力。由此循环不止的热失控发生了。

    在这样失控的连锁反应下,最终恒星的热压力突破自身引力的束缚,形成了恒星系级别的巨大爆炸。星屑喷涌而出,速度可达到光速的3%以上,同时伴随着超高能γ线爆和中微子喷流,一瞬间爆炸的亮度可达太阳的数亿倍。

    恒星中心的铁元素也只有在这种超新星爆炸的极端高温高压下,才达到了铁核聚变的临界值,产生了比铁更重的元素,生命的材料就此诞生。地球上(以及我们体内)所有比铁重的元素,包括金,银,镍,铀等,都诞生于这个瞬间。

    二:云聚

    整个爆发过程持续数月,余辉点亮了整个银河系。数月后,曾经明亮的恒星化为了残骸,散布在光年范围的宇宙空间。

    分散的残骸在万有引力的作用下,开始相互靠近,形成了数团星云。

    落入星云的物质都或多或少带有重力势能,势能转化成了动能。它们一开始是一团混乱的高速旋转的星云,没有规则的形状。虽然他们的运动路径几乎不可能被预测,但是可以大致分为两种结局:动能高的碎片在落入星云后围绕中心点旋转,动能低的碎片在星云中心聚集。

    有意思的一点是,所有的团状星云经过一段时间之后,都会变为圆盘状。我们可以观察到,太阳系是圆盘状,银河系是圆盘状,大部分系外行星系是圆盘状,黑洞的吸积盘和行星的光环也是圆盘状。

    公转轨道可以是空间中的任意一个平面,为什么大家到最后都要挤在同一个平面呢?

    这里面的原因详细解释起来够写几篇论文的,我这里简单解释一下:

    因为只有大家都在一个平面上旋转,才能避免发生碰撞从而保持稳定的圆周运动。

    三维空间中任意两个非平行的平面一定会在某条直线上重叠。想象一下如果一团星云留下了两个旋转的平面,那么经过足够长的时间,在某个平面中旋转的星体迟早会和另一个平面的星体相撞。最后只会留下一个质量或者动量更有优势的平面。

    三:重生

    大多数情况下,绝大部分星云团的质量都会掉入星云中心聚集,随着密度和温度的提高点燃核聚变,诞生出一颗新的恒星(也有小概率会诞生出双星系统或三体系统)。能够在外面继续保持圆周运动的,只有一小部分。我们的太阳系就是典型的例子(太阳占太阳系总质量的99.86%)。

    在轨道上继续保持圆周运动的碎片们也会在小尺度上受万有引力作用,相聚成小团绕太阳运动,这就是行星的雏形。

    一旦雏形开始形成,它将会在质量上先发制人,不断吸引着轨道上的碎片不断成长,滚雪球一般越滚越大,直到把自己轨道上的所有碎片都清扫干净。

    在这同一时期,太阳已经初具规模,太阳风吹走了近日轨道密度较低的氢氦元素,这解释了为何内太阳系的四颗行星(水金地火)都是岩石行星。宇宙中丰度高达74%和24%的氢和氦为何在地球上却是ppm(百万分比)级别。

    到这里,我们已经找到了问题的答案。地球的公转动量和自转角动量分别来源于太阳系初期形成地球的星际碎片本身的角速度和线速度,初中物理就提到过能量守恒,地球会继承这些碎片速度的矢量和(角速度的矢量和=地球自转动量;线速度的矢量和=地球公转动量。抵消的部分转为了内能,成为地热的来源之一。

    地球,太阳和我们都来自那颗曾经照亮过银河的超新星的星屑。