地球在圍繞太陽公轉的同時,也在圍繞著地軸作周期性的公轉,正是因為有了自轉和公轉,在地球上才得以形成白天和黑夜,才有了春夏秋冬四季的變遷,也正因為有了公轉帶來的離心力,我們才得以不被太陽巨大的引力所俘獲。有人腦洞大開,想問問地球如果突然停止轉動,會發生什麼樣的情況,我們的第一反應就是地球不會再有黑夜和白天之分,也沒有四季的變化。如果再深入想一下,地球就會失去公轉離心力的作用,從而加速向太陽墜落。情況僅是這樣嗎?
地球在太陽系內的運動
這裡我們不考慮太陽系在銀河系、以及銀河系向巨引源兩方面的運動情況,僅考慮地球在太陽系內的轉動情況,這樣會更加直接,不會影響最終的分析結果。在太陽系內,地球的轉動主要分為兩種情況,一個是自轉,另一個是公轉。
對於自轉來說,地球圍繞著地軸轉動一周的時間為23小時56分4秒,這個轉動軸是圍繞地球質心轉動所假想出來的軸線,在外部天體和地球組成物質的共同影響下,這個自轉軸的連線並不是固定不變的,會有微弱的周期性變動,但是我們常用的就是通過連接地球南、北極點的連線來代表地球的自轉軸。地球自轉軸與圍繞太陽公轉的黃道平面,呈現的有一個夾角(23度26分),這個夾角與黃赤交角的和為90度,因而地球自轉軸的傾角與黃赤交角相等。從自轉的速度上看,在赤道處的自轉線速度最大,平均值為465米/秒,從赤道向兩極這個自轉線速度呈現逐漸降低,到達兩極點後自轉線速度為0。
對於公轉來說,地球圍繞著太陽以一個橢圓形的軌道進行公轉,公轉軌道的偏心率0.0167%,因此會產生一個近日點和一個遠日點,而太陽處在這個橢圓軌道的一個焦點上,其中地球在近日點時與太陽的距離約為1.471億公裡,遠日點距離為1.521億公裡,二者相差500萬公裡。根據克卜勒定理,行星在沿著橢圓軌道圍繞恆星公轉時,其單位時間內與恆星連線掃過的面積相等,因此地球圍繞太陽公轉時的速度是不一樣的,在近日點時快,平均線速度為30.3公裡/秒;在遠日點時慢,平均線速度約為29.3公裡/秒,在一年的公轉周期裡平均線速度約為29.8公裡/秒。
地球停止轉動所需要的能量
按照牛頓物理學定律,我們知道任何物體都有保持靜止和勻速運動的狀態,這就是物體所固有的慣性,物體的質量越大,其慣性也越大。以一定的加速度改變物體的靜止或者勻速運動狀態,所需要的外力也就越大。
由於地球的質量非常巨大,如果要在瞬間使地球的運動速度變為0,按照動量守恆定律,當一個與地球同等質量、速度方向正好相反的星體,與地球發生正面碰撞,在這種情況下,地球肯定會在巨大能量的撞擊下而分崩離析。當然,還有可能是地球受到其它大質量天體的引力作用,在與太陽、其它行星等引力擾動的綜合作用之下,或許能夠將地球進行減速,但是這個過程都不可能在一瞬間完成。
那麼,如果我們不考慮是什麼原因造成地球突然停止運動的情況,而只是假設出現這樣的一種結果,那麼地球在得到多少能量的輸入時會突然停止呢?這裡我們就應用能量守恆進行一下模擬。
當然,我們在分析時也不考慮組成物體各種分子、原子的總靜能,只從動能的變化來考慮。而通過地球自轉和公轉線速度的數值來看,由於自轉線速度與公轉線速度差距太大,我們這裡就將自轉忽略,僅用公轉的運動來計算整體的動能。
動能計算公式為:Ek=m*v^2/2,這裡m為物體的質量,v為物體的運動速度。我們將地球的質量5.965*10^24千克、公轉平均線速度29.8*10^3米/秒代入,最後計算出的動能值為:5.3*10^33焦耳。也就是說,在瞬間外力給予地球的輸入能量要達到這個數值,方可以使地球停止運動。
地球會如何
地球突然停止之後引發的後果,我們可以從兩個方面來理解。
第一個方面,就是地球表面的物體,在地球突然停止運動之後,仍然有繼續按原有趨勢進行運動的慣性,也就是說,無論是山體的突出部分、樓宇、樹木、海水,還是地球的大氣層、圍繞著地球運轉的月亮、人造衛星、空間站等,仍然會以每秒29.8公裡的速度向前運動,所以,在這種情況下,在地球周圍的衛星、大氣層等原本圍繞的物體,會在慣性下繼續向前飛奔,如果這些物體處在原先地球行進方向的另一側,則不可避免地會高速撞向地球,其它的則會在星際空間中遊蕩,直至被其它行星的引力所捕獲。與此同時,地球表面的各種建築物、樹木、山體、海水以及表層的土壤和巖石,則會在巨大的慣性作用下被甩出,這個速度已經遠大於第二宇宙速度,因此將會永遠離開地球。
第二個方面,就是由外力輸入的巨大能量,對地球整體結構造成的影響。根據萬有引力公式,我們可以計算出地球組成物質在脫離地球無限遠的地方所做的功,即結合能為E=G*m*dm/r=3*G*m^2/(5r)=2.25*10^32焦耳。而剛才我們計算出的外力輸入的總能量為5.3*10^33焦耳,已經大於了地球的結合能,因此地球的組成物質將不會再結合在一起,完全地分崩離析了。
總結一下
由於地球突然停止,圍繞著地球運行的天體和人造物體已經地球表面的物體,將在地球解體的同時被甩出,這些物質在其固有的慣性作用下繼續向前行進,直至被其它天體引力所捕獲,加入另外的行星系統。與此同時,將地球突然停止所需要的外力,其輸入性能量已經大於地球的結合能,因此地球勢必會在瞬間解體,地球也將不復存在。
這種情況想想就得了,在實際狀態下不可能發生。地球是我們賴以生存的家園,地球的哪怕一絲微小的變動,都將會對生態系統包括我們的人類造成嚴重影響。