當前位置: 華文問答 > 科學

地球重達 6 億億億公斤,它不停轉動 45 億年,動力來自哪裏?

2021-02-27科學

來看下題主的問題描述,逐一解惑:

在地球上,如果沒有動力來源,沒有什麽機器可以一直轉動下去,最終總會停止下來。 然而,對於地球本身,它的質素重達6億億億公斤(6×10^24 kg),它自45億年前形成以來, 一直在繞地軸自轉和繞太陽公轉。那麽,地球持續轉動的動力來源是什麽?難道地球是永動機?

在地球上,如果沒有動力來源,沒有什麽機器可以一直轉動下去。

  • 那是因為在地球上摩擦力無法避免,物體運動一定會受到阻力。
  • 最終總會停止下來。

  • 值得一提的是,自轉也會受到阻力,月球一開始也是有較快自轉的,地球上能看到月球在旋轉,但現在已經看不到了。今天月球已經被地球潮汐釘選,一面永遠朝向地球。
  • 如果地月系能在紅巨星爆發中幸存,若幹年後地球也會被月球潮汐釘選。
  • 地月相互潮汐釘選
  • 如果我們失去了月亮,地球最終將被太陽潮汐釘選,類似下面的雙星系統。
  • 相互潮汐釘選的雙星系統

    然而,對於地球本身,它的質素重達6億億億公斤(6×10^24 kg),

  • 質素越大,慣性越大(加速度等於阻力除以質素)越不容易停下來。
  • 它自45億年前形成以來,

  • 是46億年前,所以問題的關鍵就在於地球是怎麽形成的。
  • 一直在繞地軸自轉和繞太陽公轉。

  • 是的,但是自轉速度一直在變慢。地球形成初期,一天大約8小時;6.2億年前,一天21.9小時;1億年之後,地球的一天會有25小時。地球自轉變慢的速度大過很多人想象:目前約為每年0.7毫秒(不是一個常數)。
  • 這個變化並不均勻,人類不得不透過閏秒來讓世界時間和地球自轉同步(當天時間多計入或少計入一秒),目前,全球已經進行了27次閏秒(皆為正閏秒)。
  • 2016年末多出的一秒

    那麽,地球持續轉動的動力來源是什麽?

  • 牛頓在350年前糾正了人類長達幾千年的錯覺:運動需要力來維持。牛頓定律清楚地告訴我們:力是改變物體運動的原因,而在無外力作用下,物體會保持靜止或維持其運動——也就是慣性。
  • 自轉球體上的每個點都在做勻速圓周運動,維持自轉或公轉運動的力都是向心力,由萬有重力提供。
  • 當然,向心力不做功,不發生能量轉換(橢圓公轉軌域會有勢能和動能的周期轉換)。
  • 如果真的存在某種力推動地球,並對地球不斷做功使地球的自轉動能增加,那麽我們將會觀察到地球的自轉速度越來越快;如果使地球的公轉動能增加,那麽地球將偏離原有軌域。
  • 難道地球是永動機?

  • 可能題主對永動機有一些誤解。永動機是需要不斷對外做功的,能夠產生源源不斷的能量。地球的動能從始至終都沒增加過,況且自轉還在不斷變慢。
  • 根據地球目前的自轉公轉速度,我們還可以估算地球的自轉動能:2.6×10²⁹ J;和地球的公轉動能:27×10³² J。
  • 下面,正片開始,來回答題幹:

    地球重達 6 億億億公斤,它不停轉動 45 億年,動力來自哪裏?

    也就是地球一開始為什麽會轉動,這10³²J的能量從哪來( 即所謂的 第一推動力 )。

    一:星逝

    故事要從一顆衰老的大質素恒星開始,它的時代和我們不同,那時候的宇宙,絕大部份都是氫和氦,沒有形成生命的可能,甚至連巖石行星也沒有。它孤寂的燃燒完自己,不斷在體內透過核聚變合成更重的元素,從氦元素到鐵元素,為下一代恒星系誕生巖石行星做準備。

    鐵元素(Fe)站在比結合能的頂點,輕核聚變到鐵都是釋放能量,但要聚變出更重的元素就要吸收能量了。這是所有恒星在緩慢燃燒階段無法透過核聚變生成比鐵重的元素的原因。

    恒星在一開始燃燒的是氫,氫核聚變會產生氦。因為氦元素比較重,會在恒星中心積累。隨著氦元素不斷累積,中心溫度不斷升高,達到氦核聚變的臨界值,點燃氦元素參與聚變。氦元素聚變形成碳。恒星不斷重復著前面的步驟,碳聚變之後引發氖聚變,再引發氧聚變,鎂聚變、矽聚變。矽聚源源不斷生成鐵元素,而鐵元素是比結合能最高的元素,在恒星燃燒階段無法繼續聚變了。

    最終鐵核的質素超過了簡並壓的臨界點,開始不可阻擋的塌縮,核心外圍的物質將以0.2倍光速猛烈撞向鐵核,電子被擠進原子核,物質壓力瞬間突破白矮星級別。同時壓力的增加導致溫度升高,高溫引發原本不參與核聚變的元素參與聚變,又進一步提升內核的溫度與壓力。由此迴圈不止的熱失控發生了。

    在這樣失控的連鎖反應下,最終恒星的熱壓力突破自身重力的束縛,形成了恒星系級別的巨大爆炸。星屑噴湧而出,速度可達到光速的3%以上,同時伴隨著超高能γ線爆和微中子噴流,一瞬間爆炸的亮度可達太陽的數億倍。

    恒星中心的鐵元素也只有在這種超新星爆炸的極端高溫高壓下,才達到了鐵核聚變的臨界值,產生了比鐵更重的元素,生命的材料就此誕生。地球上(以及我們體內)所有比鐵重的元素,包括金,銀,鎳,鈾等,都誕生於這個瞬間。

    二:雲聚

    整個爆發過程持續數月,余輝點亮了整個銀河系。數月後,曾經明亮的恒星化為了殘骸,散布在光年範圍的宇宙空間。

    分散的殘骸在萬有重力的作用下,開始相互靠近,形成了數團星雲。

    落入星雲的物質都或多或少帶有重力勢能,勢能轉化成了動能。它們一開始是一團混亂的高速旋轉的星雲,沒有規則的形狀。雖然他們的運動路徑幾乎不可能被預測,但是可以大致分為兩種結局:動能高的碎片在落入星雲後圍繞中心點旋轉,動能低的碎片在星雲中心聚集。

    有意思的一點是,所有的團狀星雲經過一段時間之後,都會變為圓盤狀。我們可以觀察到,太陽系是圓盤狀,銀河系是圓盤狀,大部份系外行星系是圓盤狀,黑洞的吸積盤和行星的光環也是圓盤狀。

    公轉軌域可以是空間中的任意一個平面,為什麽大家到最後都要擠在同一個平面呢?

    這裏面的原因詳細解釋起來夠寫幾篇論文的,我這裏簡單解釋一下:

    因為只有大家都在一個平面上旋轉,才能避免發生碰撞從而保持穩定的圓周運動。

    三維空間中任意兩個非平行的平面一定會在某條直線上重疊。想象一下如果一團星雲留下了兩個旋轉的平面,那麽經過足夠長的時間,在某個平面中旋轉的星體遲早會和另一個平面的星體相撞。最後只會留下一個質素或者動量更有優勢的平面。

    三:重生

    大多數情況下,絕大部份星雲團的質素都會掉入星雲中心聚集,隨著密度和溫度的提高點燃核聚變,誕生出一顆新的恒星(也有小概率會誕生出雙星系統或三體系統)。能夠在外面繼續保持圓周運動的,只有一小部份。我們的太陽系就是典型的例子(太陽占太陽系總質素的99.86%)。

    在軌域上繼續保持圓周運動的碎片們也會在小尺度上受萬有重力作用,相聚成小團繞太陽運動,這就是行星的雛形。

    一旦雛形開始形成,它將會在質素上先發制人,不斷吸引著軌域上的碎片不斷成長,滾雪球一般越滾越大,直到把自己軌域上的所有碎片都清掃幹凈。

    在這同一時期,太陽已經初具規模,太陽風吹走了近日軌域密度較低的氫氦元素,這解釋了為何內太陽系的四顆行星(水金地火)都是巖石行星。宇宙中豐度高達74%和24%的氫和氦為何在地球上卻是ppm(百萬分比)級別。

    到這裏,我們已經找到了問題的答案。地球的公轉動量和自轉角動量分別來源於太陽系初期形成地球的星際碎片本身的角速度和線速度,初中物理就提到過能量守恒,地球會繼承這些碎片速度的向量和(角速度的向量和=地球自轉動量;線速度的向量和=地球公轉動量。抵消的部份轉為了內能,成為地熱的來源之一。

    地球,太陽和我們都來自那顆曾經照亮過銀河的超新星的星屑。