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根據一系列的證據,地球的誕生時間可以追溯到45.4億年前。數十億年來,地球不斷圍繞著自轉軸自轉,同時還環繞太陽公轉。那麼,地球持續轉動的動力來自於哪裡?地球是永動機嗎?
隨著熱力學第一和第二定律的相繼確立,第一類和第二類永動機早就在科學上被否定掉,永動機不可能被製造出來,而且自然界中也沒有永動機,所以地球肯定也不是永動機。那麼,地球如何持續保持轉動呢?
關於地球轉動的動力來源,需要追溯到地球乃至太陽系的起源。早在46億年之前,太陽系還未形成時,沒有八大行星,也沒有太陽,只有一團主要由氫和氦組成的星雲。
在外界的幹擾下,太陽星雲的中心發生了引力坍縮,氣體和塵埃不斷落入中心。雖然星雲看似雜亂無章,但組成粒子之間的互相碰撞不可能會恰好抵消掉,必然會在某個方向上產生淨角動量,所以太陽星雲會逐漸在那個方向上旋轉起來。
隨著太陽星雲中心不斷吸收物質,星雲將會越轉越快,這是因為角動量不會無端損失掉,始終是守恆的。由於角動量(L)是位置矢量(r)與動量(P)的叉積(L=r×P),轉動半徑變小,必然會導致轉速變得越來越快。在生活中也有類似的現象,當滑冰運動員在原地旋轉收起手臂時,自身的旋轉速度會變得越來越快。
星雲不但越轉越快,而且還會變得越來越扁。這是因為旋轉赤道面附近的星雲轉速最快,可以對抗引力作用,它們不容易落入中心。而在赤道面上下的星雲轉得較慢,它們將會逐漸落入赤道面和中心,使得太陽星雲越來越扁平。
最終,大部分星雲都被捲入中心,由此形成太陽。太陽的核心區域可以進行氫核聚變,源源不斷產生能量,這會向外釋放出強大的太陽風,阻止氣體和塵埃落入其中。殘餘的星雲環繞太陽運動,形成原行星盤,半徑約為100天文單位。
在引力和電磁力的作用下,原行星盤中的氣體和塵埃顆粒不斷聚集起來形成大量的微行星,直徑為數公裡。微行星繼承了星雲的角動量,它們會繼續環繞太陽運動。微行星之間又會不斷發生碰撞,從而變得越來越大,直至最終形成了包括地球在內的行星。
地球形成之後,就有自轉和公轉。因為微行星的碰撞不可能剛好完全抵消自轉角動量,使地球沒有自轉。而公轉角動量更大,更是無法完全抵消掉。由於太空近乎真空,地球的自轉和公轉幾乎不受阻力影響,使得地球的自轉和公轉角動量幾乎不會因此而損失,所以地球可以一直自轉和公轉長達45億年,未來還會繼續轉動下去。
不過,地球不是什麼永動機,因為地球並沒有對外做功。地球只是遵循了角動量守恆,這是主宰宇宙的物理學定律。