首先要明确一点:地球绝不是永动机,因为永动机违背了能量守恒定律,仅仅是不切实际的妄想。
实际上,地球自转的动力主要源于四个关键方面:万有引力作为根源,娘胎里带来的先天性因素,后天环境的塑造,以及惯性运动的结果。
三百多年前,牛顿发现了万有引力定律,如同为人类打开了一扇窥探宇宙奥秘的窗户,揭示出世间万物皆受万有引力的制约。在广袤的宇宙中,所有天体的运行都在万有引力的支配下有条不紊地进行,而恒星和行星等天体,也是在这股强大力量的作用下诞生的。
一切天体的起源都可以追溯到宇宙尘埃,也就是星际云,或者称为星云。
星云大致可分为两类,一类是最古老的处女原始星云,另一类是经历过一次或多次超新星大爆炸后飘散到太空的再生星云。原始星云诞生于宇宙大爆炸之后,相对较为纯净,主要由最轻的元素氢和氦,以及少量的锂组成。而再生星云由于恒星核聚变和超新星大爆炸的影响,成分变得复杂多样,虽然仍以氢氦为主,但已经包含了 1% 至 2% 的已知 116 种从轻到重的元素。
在太空中,星际尘埃原本分布稀薄,但范围极为广阔,通常可达数光年。在万有引力的作用下,这些尘埃会逐渐聚集,而超新星大爆炸等宇宙事件会加速这一聚集过程。任何恒星的诞生,都是星云在万有引力的牵引下不断收缩的结果。最终,在星云的核心形成一颗或多颗恒星,剩余的物质则聚集形成行星等天体。我们所处的太阳系便是如此形成的,它是一个单恒星系统,中心仅有太阳这一颗恒星。
在每个恒星系统中,恒星都占据了系统绝大部分的质量。以太阳系为例,太阳的质量占据了整个太阳系质量的 99.86%,剩余的 0.14% 的碎渣残气则形成了八大行星、几百颗卫星、若干矮行星以及无数的小行星等天体。
地球的自转起源于恒星系统的形成过程,可以说是 “娘胎” 里带来的。简单来说,恒星和行星的 “娘胎” 都是星云,而它们的自转和公转则源于形成过程中的角动量继承,这是一种先天性的特征。
在恒星系统的形成过程中,星云在万有引力的作用下不断收缩。在这个收缩过程中,尤其是在后期的迅速坍缩阶段,由于收缩力的不均匀和不平衡,星云会开始自转,并且随着收缩的进行,自转速度会越来越快。这一过程形成了自转轴、两极和赤道,巨大的离心力在星云的赤道部分甩出一个行星盘,也有人称之为恒星吸积盘,这个盘面就是后来的黄道面。
随着星云核心物质坍缩得越来越紧密,在高温高压的作用下,核心部分激发了核聚变,恒星就此诞生。此时,恒星核心强大的辐射压与星体本身巨大质量产生的收缩压相互抵消,恒星不再收缩,并开始源源不断地向太空辐射能量,这标志着恒星进入了主序星时期。
主序星时期占据了恒星总寿命的 90%,是恒星相对稳定的阶段。以太阳为例,其主序星寿命约为 100 亿年,目前太阳大约 50 亿岁。
太阳形成后,继承了星云的角动量,因此持续自转。与此同时,行星盘也在不断转动,剩余的星云物质和残渣碎块在万有引力的作用下相互碰撞,如同滚雪球一般越聚越大,最终将自身轨道附近的残渣余孽全部聚集在一起,清空了轨道,行星便形成了,地球也是通过这样的过程诞生的。太阳系的八大行星,其公转和自转都继承了行星盘的角动量守恒,公转方向与太阳自转方向一致,自转方向也与公转方向基本一致。
从太阳北极俯瞰,所有行星的公转方向均为逆时针运行,自转方向基本也是围绕各自的自转轴逆时针方向转动。这便是地球自转动力中 “娘胎” 带来的部分。
人类从娘胎里出生,会继承上一辈的基因,拥有一些天生的特性,但在后天环境的影响下,长大后的模样和性格并不完全与父母相同。行星也是如此,虽然它们天生的公转和自转方向具有一致性,但在后天环境中,由于天体碰撞等因素,这种状况会发生改变。
如今,所有行星的自转轴都并非完全垂直,并且有几颗星球的自转和公转方向发生了显著变化。例如,天王星的自转轴倾斜了 97.7°,几乎是躺在轨道上公转;金星的自转方向与其他所有行星相反,且自转周期为 243 天,公转周期为 224.7 天,自转一圈的时间比公转一圈的时间还要长。
研究人员认为,这是因为在行星形成初期,各个行星都受到了不同天体的碰撞。天王星和金星受到的撞击更为强烈,从而改变了它们从 “娘胎” 里带来的自转和公转模式。地球也经历了一次重大的天体碰撞,一颗火星般大小的行星与地球相撞,这次碰撞使得地球的质量增加了约八分之一到九分之一,两颗星球的物质融合还诞生了月球,同时地球的自转轴倾斜了 23.44°,由此产生了四季更替。
由于太空中几乎不存在阻力,天体一旦形成运动状态,就会在惯性的作用下持续运动下去。惯性,按照标准解释,是物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质。简单来说,任何物体,无论是一个人、一块石头、一架飞机,还是一颗星球,都具有保持其原有运动状态的属性,这就是物体的 “惰性”。
惯性的大小只与物体的质量成正比。
要改变物体的惯性运动状态,必须施加外力,否则物体将一直保持原有的运动状态。地球自从继承了 “娘胎” 里带来的角动量,就一直以固定的速度匀速运动着。在没有阻力和外力的情况下,地球会一直保持这种运动状态。
然而,太阳的引力作为一种强大的外力,改变了地球的运行姿态。太阳的巨大引力试图将地球拉向自身,而地球则努力挣脱,向前奔跑。地球的奔跑速度恰好与太阳引力的拉扯力相互抵消,使得地球既无法逃脱太阳的引力束缚,太阳也无法将地球完全拉过去,于是地球的运行形成了一个近似圆形的轨道,这就是地球的公转轨道。
为什么所有行星的公转速度都恰好能与太阳引力相抵消呢?这仍然要追溯到行星盘的形成过程。太阳系刚刚形成时,地球距离太阳更近,因此自转速度和公转速度都更快,只有这样才能抵消太阳引力。
如今,地球还有逐渐远离太阳的趋势,这背后存在着复杂的机制。有一种观点认为,太阳风的吹拂以及太阳引力逐渐变小的趋势,导致地球逐步远离太阳。因此,地球未来的公转速度和自转速度会越来越慢,不过这种变化非常缓慢。科学研究表明,地球自转大约每 100 年慢 1.6 毫秒。
由于 1 秒等于 1000 毫秒,所以大约需要 62500 年地球自转才会慢 1 秒。照此计算,10 亿年后,地球自转一年就会慢 16000 秒,约合 4.44 个小时。虽然目前看来这种变化似乎并不明显,但有研究认为,10 亿年后地球的自转和公转都会发生较大变化,不过这已经超出了我们当前讨论的范畴。