世間本沒永動機,大到星系宇宙,小到恆星行星,為什麼都在運動?

2021-01-18 騰訊網

世間不存在永動機,但如果有人舉出一個地球的自轉來例子來,估計很多朋友會啞口無言,儘管能量守恆大家都學過,但地球自轉卻是永恆不變!所以這地球真的會是永動機嗎?

地球自轉的動力來自哪裡?

其實不僅是地球,宇宙中所有的天體都在轉,只是有的轉的不太規則,比如小型天體的運動方式就無法用轉來衡量,但能稱得上矮行星級別的天體,包括恆星以及它發展後的白矮星、中子星和黑洞,都是自轉的,因為它們都有一個類似的經歷!

行星與恆星系的形成

恆星形成的理論最早可以追溯到18世紀,拉普拉斯和康德先後提出了星雲假說,儘管這個理論最貼近當前的恆星形成理論,但這個理論成熟還是要等到二十世紀中後期!

行星和行星系都來自於星雲的坍縮,這個星雲可以是原初星雲,也可以是上一代超新星爆發的後的星雲!星雲的初期坍縮因素來自於臨近超新星的爆發衝擊,或者金斯不穩定性,當星雲的熱壓力不足以抵抗引力時,便會在引力作用下坍縮!

獵戶座馬頭星雲

1947年巴特·博克提出這團開始收縮的星雲會坍縮成一團很像昆蟲繭的形狀,會盡力重力坍縮後形成新的恆星,因此以他的名字命名了這個像繭一樣的坍縮體,在博克球狀體中,可能會誕生雙星或者聯星!1990年,在近紅外線的觀測中證實了恆星在博克球狀體內誕生!

右上角的毛毛蟲就是博克球狀體

為什麼坍縮的塵埃雲會開始旋轉?

物體在引力場中的運動都遵循測地線運動,因為這是引力場中運動的最短距離,理想的運動是直接指向質心,但這理論上卻很難實現,因為原始星雲本身就有一定的運動模式,它必定包含了部分角動量,因此它會干擾坍縮中的塵埃雲!所以最終這條測地線運動就會變成一條螺旋形下墜的線路,如果以整個星雲運動模式來看,就是旋轉起來了!

捕獲物體的運動方式

而且根據角動量守恆,它的旋轉速度會隨著坍縮轉的越來越快!所以從中間誕生的恆星有著天然的自轉運動,而像地球這樣的行星則會在恆星的塵埃盤中誕生,它的誕生原因和恆星並沒有本質的差別,但模式可能會有一些差異。

早期是微行星互相碰撞成長,而更多的微行星聚集則會有可能開始誕生行星,但盤面上的湍流可能會影響行星的行程過程,但最終寡頭行星的形成會清理軌道上的其他天體,因為當質量夠大時,它會在漫長的繞行過程中以引力捕獲的方式將軌道上的小型天體一一合併,最終在恆星的星雲積盤中留下一個清晰的同心圓!

各種行程中的原始星雲積盤

而行星的成長的角動量也來自於此,因為這些微行星合併時候角動量無法消除為零,這和恆星的誕生時的角動量來源是一致的。簡單地說,就是行星也是自轉的。所以這裡不需要上帝的存在!

成功的恆星(左側),失敗的恆星(右側)

宇宙是怎麼誕生的?

這裡會牽涉到一個問題,就是原始星雲的誕生,根據天文界比較支持的理論是誕生於宇宙大爆炸,如果不相信這個理論的話其實也沒問題,但至少現在觀測到的大量證據都指向宇宙在很久以前發生過一次大爆炸,比如宇宙膨脹,以及微波背景輻射和原初元素的豐度!

20世紀80年代初,天文學家觀測到距離100億光年外存在的原始星系雲,基本處於電離氫狀態,其體積與銀河系接近,有可能是初始宇宙大爆炸後遺留下來的原始星雲物質。

大爆炸時這一切運動的起始,大爆炸之前的運動,可能誰都不知道,但之後所以宇宙的運動是大爆炸給予的能量!

地球會永遠自轉下去嗎?

我們搞清楚了地球是怎麼轉起來的,那麼問題來了,它會一直轉下去嗎?理論上來說確實是這樣,但現實中的地球卻不會一直轉下去,因為很多因素在消耗它的角動量!

地球流動的內核影響它的自轉

這一點其實挺好理解的,就像一個生雞蛋想要穩定旋轉很難,因為會有很多角動量消耗在內外層的摩擦上!地球就是一個生雞蛋,從內核到外殼,中間有非常厚的熔融層。

月球的潮汐引力消耗地球自轉角動量

月球和地球之間有相互的引力,月球的引力也是地球上潮漲潮落的重要原因,因此這些被月球引力帶起的海水就會粘滯地球的自轉,而且月球的引力也會導致地球內核熔融態的巖漿分布差異,會導致更嚴重的地球差異旋轉,地殼每天比地幔平均少轉約138毫角秒,合成弧長達4.26米,每年地殼比地幔少轉1553米弧長,在25786年的時間裡地殼比地幔少轉一圈(360°)

因此地球自轉在逐漸減速,這些角動量除了消耗在各種摩擦上,還有一部分轉移到了月球上,所以月球軌道每年都在提升,大約是3.8釐米/年!地球的角動量被月球偷走了!

所以地球並不會永遠自轉下去,它更不可能是一個永動機!

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