地球拥有大约45亿年历史,自从地球诞生以来,就一直在转动,在围绕太阳公转的同时,也在自转。
很多人就有疑问:45亿年的时间如此漫长,地球的转动为什么没有停下来呢?难道地球是永动机?
地球的转动与永动机没有任何关系,所谓的“永动机”,并不是指“永远转动的机器”,而是“不依靠能量输入持续对外做功的机器”,永动机的关键在于“是否做功”,而不在“是否运动”。
那么,地球的质量如此大,为何能一直转动数十亿年之久,而且还会持续转动下去呢?
简单说两个字:惯性!
地球诞生之初就在转动,之后依靠惯性一直转动到今天。地球质量很大,惯性自然也很大,而地球自身在太空中几乎不会受到任何摩擦力的影响,所以在惯性作用下的转动速度几乎不会改变。
牛顿提出的“惯性定律”完全改变了之前人们几千年来对运动的错误认知,长期以来人们一直认为力是物体运动的原因,任何物体的运动都需要力的作用,其实并不是这样的。
力并非物体运动的原因,而是改变物体运动状态的原因。在不受外力或者合力为零的情况下,物体会一直保持静止或者匀速直线运动。
虽然地球的运动并不是匀速直线运动,但可以通俗地理解为“匀速直线运动”。地球时刻受到太阳的引力,但公转的同时也会产生一种虚拟力:向心力,或者说“惯性力”,这两个力达到了平衡。
只要地球诞生之初处于运动状态,在惯性的作用下就可以一直保持这种状态。因此,问题本质就转变为:地球刚诞生时为什么会转动?
下面就具体分析一下地球的诞生过程和未来的演化方向。
其实我们的地球并不特殊,因为在浩瀚宇宙中,不仅仅是地球,所有的星球都会像地球那样旋转,而旋转的动力就来源于形成之初的引力势能。具体来讲是这样的。
一开始当时是没有行星的,只有恒星。其实不管是恒星还是行星,都是由星际云物质汇聚而成的,只不过是先后的问题。恒星首先诞生,在诞生之后残留下来的“边角料”形成了行星。
恒星形成的物质来源主要是含有氢的星际云,而行星的主要物质来源是星际尘埃,这些尘埃中的主要物质基本上都是通过超新星爆发产生的,比如说氧,铁,硅等元素,甚至还有比铁更重的元素。
所有的这些原始物质会在引力的作用下汇聚,而汇聚的过程其实就是引力势能转换为动能的过程。
这个过程会非常混乱,非常暴力,物质之间充满了各种碰撞,然后出现速度和方向的叠加,这种叠加完全是随机的,非常混乱,所以最终整体上会呈现旋转的状态,旋转的物质最终结合成一颗旋转的星球。
根据能量守恒,任何星球在诞生的过程都满足这样一个简单的公式:动能加上热能等于引力势能。从公式中可以看出,对于宇宙中的任何星球,其自转的动能,永远会小于它的重力结合能。
现实生活中,我们会注意到,任何物体的运动最终都会停下来,那是因为摩擦的存在。那么像地球那样的星球,在旋转的过程中是不是也会因为摩擦而减速,甚至最终停下来。
答案当然是肯定的。
刚才说了,地球在转动的过程中几乎不会受到任何摩擦力的影响,因为地球所在的太空几乎是真空环境。不过所谓“真空不空”,即使在我们看起来貌似空无一物的太空,其实也存在极其少量的气体云分子,当然气体云分子的密度是相当低的。
再加上地球自身的质量很大,而气体云分子在地球庞大质量面前显得太微不足道了,对地球的影响几乎可以忽略不计,或者说需要极其漫长的时间,才能凭借微小的摩擦力让地球的转动停下来。
具体需要多长时间才能让地球停下来呢?
科学家估计,需要大约3000万亿年的时间,才能凭借气体云分子那微小的摩擦力让地球停下来。
显然,这个时间太漫长了,甚至比目前宇宙年龄还要高出数十万倍。这再次说明了,短短几十亿年,真空中的极其微小的摩擦力对地球的损耗是可以忽略不计的,这种摩擦力对地球的影响甚至远没有逃逸到太空中的大气带走的能量多,更不要说地球经常会受到天外来客,比如说陨石彗星等撞击,这些撞击带来的能量更大于太空微小摩擦力的影响。
这是不是意味着如今地球的自转速度,与刚诞生时的自转速度差不多呢?
并不是,实际上,地球的自转速度与刚诞生之初相比,已经慢了很多。地球在刚诞生时,一天的时间只有数小时,即便是5亿年前的地球,一天也只有21个小时,而如今的一天已经有24小时,这意味着地球的自转速度慢了很多。
这是为什么呢?
因为让地球自转变慢的原因并不在浩瀚的太空,而是在月球,月球的影响是地球自转速度不断变慢的主要原因。
具体怎么回事呢?我们先从月球的诞生开始说起。
在大约46亿年前,太阳诞生了,之后包括地球在内的八大行星也相继诞生。地球的诞生过程是相当狂暴的,充满了各种疯狂的撞击,当时的太阳系也相当混乱,远不像今天这样有序。
原始地球形成后,仍旧不断遭受各种小型天体的撞击。某个偶然的机会,一颗叫做忒伊亚的行星,大约有如今火星的大小,猛烈撞向地球。双方并不是正面相撞,忒伊亚行星是斜着撞向地球的,就像一把锋利的刀,直接把地球削去一小部分,而正是这部分最终形成了月球。
如果是正面相撞,地球很可能因此变得四分五裂,最终形成多个像月球那样大小的星球。
这就是科学家们提出的“撞击说”,也是目前关于月球形成的主流学说。
而月球刚诞生时,距离地球远没有38万公里,只有大约2.25万公里而已,如此近的距离,意味着如果我们穿越到原始地球,看到的月球比现在要大得多。
由于距离地球更近,月球受到地球的引力也更大,是如今受到地球引力的大约290倍,而月球对地球的潮汐引力作用也更强,是如今的5000倍!
地球表面大部分都是液态水,而水会被月球引力吸引,就会形成潮汐作用。由于地球一直在自转,月球对地球的潮汐引力作用会出现“滞后”,结果就是地球月球之间的引力方向,与月球对地球的潮汐引力方向并不能完全重合,两者会有一定的夹角。
这就说明,地球自身的自转与地球表面的海水自转并不是同步的,也就意味着地球表面物质的相对速度是不同的,这就会形成摩擦,造成地球自转速度逐渐变慢。
这就是月球对地球潮汐力的影响,这种潮汐力不仅会让地球自转速度变慢,同时也会把月球一步步推得更远,让月球不断远离地球。
当然,月球的潮汐力虽然能让地球自转速度变慢,但并不会让地球完全停下来。因为地球自转速度远大于月球的公转速度,随着地球自转速度不断降低,到了一定程度,月球距离地球已经很远了,此时地球的引力已经不能吸引月球,意味着月球将永远离开,我们将看不到月球了。
不过,我们丝毫不用担心月球会永远离开,因为月球离开的过程也是相当漫长的,需要至少百亿年的时间。
除了月球之外,太阳对地球也会有潮汐力,那么太阳的潮汐力是否能锁定地球,让地球的自转停下来呢?(注:锁定地球其实并不意味着地球自转真的停止了,其实地球还在自转,只不过自转和公转同步了,感觉上就像是停止自转了,就像如今地球已经锁定了月球一样,其实月球自身仍旧在自转。)
理论上,如果时间足够长,地球终有一天会被太阳锁定,但锁定过程显然并不容易,因为地球的自转速度很快,一年就要转365圈,想要与公转保持同步,需要很漫长的时间才行。
在太阳潮汐力的作用下,同样会让地球自转变慢,会让地球内部产生摩擦,动能转换为热能,通过热辐射释放到太空中。
那么,想要把地球锁定,到底需要多长时间呢?大约需要至少500亿年的时间,太阳才能把地球锁定,就像如今地球锁定月球那样。
这也意味着,那一天大概率不会到来了,因为太阳的寿命不过100亿年左右。如今太阳已经50亿岁了,意味着再过50亿年太阳就会膨胀为红巨星,然后演化为白矮星,届时距离太阳更近的水星和金星会被膨胀的红巨星吞噬,即便地球足够幸运,没有被红巨星吞噬,大概也会把地球气化了,地球也不复存在了。
总结
地球自转数十亿年没有依靠任何外力,完全是惯性作用。地球刚诞生时就在转动,这种转动在惯性作用下一直维持到今天,在之后数十亿年里,地球还会一直转动下去。
不过月球和太阳对地球的潮汐力会让地球的转动速度不断变慢,其中月球的潮汐力影响最大,月球对地球的潮汐力是太阳潮汐力的大约6倍。
虽然理论上地球终有一天会被太阳锁定,停止自转(自转与公转同步),但这一天不会到来,因为在那之前,太阳和地球都会走向死亡。
死亡之后的漫长岁月里,又会有星际云和尘埃形成新的“太阳”和“地球”,然后故事会再次上演,如此不断循环下去,生生不息!
完!