先回答第二個問題,簡單粗暴地說,地球可以自轉幾十億年,是因為地球有角動量且角動量守恆。
而地球之所以有角動量,大多數人認為是因為地球形成時期質量被引力吸積而分布不對稱所致,當然也受太陽和月球潮汐力影響,還有人說是大碰撞造成的……,不過本人更傾向於地球具有的初始自轉角動量應該來自於現代星雲起源說中描述的太陽系形成初期:地球和太陽由同一原始星雲在自身引力下收縮形成的,由於角動量守恆,收縮必然引起整個星雲開始旋轉,最後形成中心天體――太陽及其自轉,還有地球的公轉和自轉。
還由於角動量收恆,在沒有受到外部足夠力量的情況下,太陽的自轉、地球的公轉和自轉會一直持續下去,不止幾十億年。
下面再來回答第一個問題。
狹義上講,自轉當然不是一種慣性運動。
牛頓力學的慣性定律說的很清楚,慣性就是物體維持原來運動狀態的性質。因此在不受外力的情況下,物體或者靜止或者勻速直線運動。也就是說,在這種情況下物體不會改變速度的大小和方向,而自轉卻是一種一直在改變速度方向的運動,它顯然不符合慣性運動的特徵。
當然,慣性是物體自身的一種固有性質嘛,所以它每時每刻都會伴隨著物體及其運動,它會存在於所有運動中(即無論受沒受到外力),而不只存在於勻速直線運動或靜止(勻速直線運動和靜止只是直接體現慣性的運動)中。既然所有運動中都包含著慣性運動,因此從這個意義上可以這樣講:自轉運動中包含著慣性運動。
慣性概念也是一個發展的概念,因此要想更深入地回答第一個問題,還要先來了解一下慣性概念的發展過程。
慣性概念的發展和推廣
一,馬赫對牛頓慣性概念的批判
最早對牛頓慣性概念提出批判的是奧地利物理學家恩斯特·馬赫,
他認為慣性並不是物體自身的固有屬性,而是整個宇宙其他所有物質共同作用的結果。在非慣性系裡物體所受的「慣性力」不是虛擬的,而是一種引力表現,是宇宙中其他物質對其的總作用。馬赫甚至設想,如果宇宙中只有一個物體,那麼這個物體是沒有慣性的。他把慣性等同於引力,並認為物體的運動是相對運動,速度和加速度都是相對的。這些思想被愛因斯坦稱為馬赫原理,啟發了愛因斯坦對廣義相對論的創立。但馬赫原理是不完備的。
二,馬赫原理是不完備的
首先,撤掉一個物體周圍的其他所有物質,但由於物體本身還有多個部分,它們之間還可作相對運動;其次,馬赫為反對絕對空間的存在,把包括真空在內的所有物質組成的馬赫空間作為一件東西完全「拋棄」掉了。因此他認為這樣是無法去判斷物體作什麼運動的,因而也就沒有慣性。
實際上即使在空無一物的太空中,慣性也是存在的,這反映的是物質運動的本質。因為沒有「慣性」就意味著運動是沒有規律的,如果是靜止,它會無緣無故動起來,如果它正在運動會無緣無故靜止。或者給它一個任意小的作用力,它會即時動,而一旦撤走作用力,它會即時停,因而否定了真正地運動,同時也否定了物體之間的相互作用和聯繫,陷入偏面、孤立和靜止,進而否定空間的物質性和這個世界的物質性。
愛因斯坦對慣性概念的深化和推廣
愛因斯坦吸取馬赫原理的精華,從物體的引力質量總是等同於慣性質量這一事實出發,提出局域引力場等效於加速度(慣性場)的觀點,即等效原理,並以此原理為基礎創立了廣義相對論。愛因斯坦認為引力只不過是時空彎曲的幾何效應,其本身作為「力」是不存在的。因此不能說慣性力就是「引力」,不是虛擬力。不能說慣性就是一種引力表現,就是宇宙其他物質總作用的結果,因為引力只是一個幾何效應。與其說慣性等同於引力,不如說慣性是時空彎曲的等價表現。
愛因斯坦認為宇宙中分布的物質彎曲了其周圍的時空,因此整個宇宙時空是彎曲的。而所謂的引力場就是彎曲的時空,就是與其等價的慣性場。物體的運動就是在彎曲時空的運動,而物體的所謂慣性運動就是沿著彎曲時空作的「測地線」運動,這就是廣義的慣性運動。
如果在相對平直的時空(牛頓時空)裡,物體的軌跡就是一條直線,運動速度也是恆定的,這就是牛頓力學中描述的慣性運動。因此從中可以看出,牛頓力學中的慣性運動只是廣義慣性運動中的一個特例而已。
因此廣義上講,天體的公轉和自轉就是在彎曲時空的慣性運動
天體公轉和自轉同時起源於中心天體的自轉,因此並不存在沒有公轉的單獨自轉,天體的自轉總是伴隨著公轉,而在愛因斯坦的廣義相對論看來,公轉只是天體沿著中心天體周圍彎曲的路徑在作測地線運動而已。天體自身並沒有受到任何「引力」等外力,天體只是在作儘可能最短距離的運動,即類似於在平直時空中沒有受到任何外力的勻速直線運動――狹義的慣性運動。而自轉運動也沒有受到任何的外力,因此天體的自轉也是廣義的慣性運動。
當然也可以把天體自轉看作是其自身每一部分都在圍繞中心作測地線運動――廣義的慣性運動。
事實上,地球的自轉在逐漸減慢
地球自轉減慢已經在考古上得到證明,變慢的原因是因為受大氣摩擦、外來天體撞擊以及太陽和月球對地球的潮汐力等因素的影響所致。
有科學家研究指出,地球早期的自轉周期只有2.5小時,一顆行星大小的天體撞擊了地球後,撞擊出的物質形成了月球,
那時地球的自轉周期就變為5小時。但是在宇宙膨脹和潮汐力的影響下,月球每年都在極其緩慢地遠離地球,而由於角動量守恆原理,地球的自轉速度隨著月球的遠離會越來越慢,直到數十億年後的今天,地球的自轉周期變為24小時。
科學還通過計算機模擬和計算,認為大約在幾十億年後,當地球反過來也被月球鎖定的時候,即地球自轉周期與月球公轉周期相同時,
那時地球的自轉周期將大約為41天半,而如果地球完全停止自轉(自轉停止的同時,公轉也會停止,如果那時還有太陽和地球,地球會墜落太陽)需要一千億年,根據現代恆星演化理論,地球和太陽不會有這麼長的壽命,那時的人類早已離開地球,離開太陽系,成為了多星球物種。因此相比一千億年,地球自轉幾十億年實在不算什麼,即使它不算慣性運動。