自转46亿年也没停下,地球的动力来自哪里?地球会是永动机吗?

人们一直追求一种机器,能够给一个初始动量,然后一直运动下去,人们将其称为永动机。无数人在这个永动机上做尝试,试图制造出第一台永动机,名垂青史。但是,人们付出了大量的脑力和体力,最后没有得到永动机,反而从中总结出了一条定律——能量守恒

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有了这条定律,永动机基本上告别了,谁再宣扬永动机谁就是骗子。但是有人不服,既然能量守恒说不可能存在永动,那如何解释地球的自转?地球已经自转了46亿年,丝毫没有停下来的迹象,按照能量守恒来说,这是不可能的。

人们这才发现,这么些年两拨人都在支持和反驳永动机,都没发现,我们的地球已经孜孜不倦地自我旋转了46亿年。那么它的能量哪里来的?它会是我们苦苦寻找的永动机吗?

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地球的自转

我们都知道地球围绕太阳公转,周期是一年365,而地球公转的能量来自太阳的引力。可是地球的自转是怎么回事?不仅是地球,太阳系的八大行星都在公转的同时自转。究竟是何方力量让行星自转的?

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要揭开地球乃至所有行星自转的秘密,就要把时光退回到46亿年前太阳系刚形成的时候。太阳系形成于一团星云,这团星云来自上一个恒星晚年的超新星爆炸。在形成太阳的过程中,一些比较大的星云碎片开始因为太阳稚嫩的引力而围绕它聚集起来,这便是最初的太阳系。随着中心物质逐渐紧致,幼年的太阳形成,而最初的八大行星也陆续诞生。

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然而这个时候的太阳系是混沌的,各星体的引力紊乱,碎片在这混乱的体系里乱飞,初期地球的引力将它们吸引,于是这些碎片纷纷撞向地球。早期地球经历过无数次撞击,甚至被一颗火星般大小的小行星撞击过。这些撞击为当时还没有自转的地球提供了巨大的角动量,于是在堆积到一定的数值后,地球开始了自转。

太阳系乃至整个宇宙中的行星几乎都是这种原因发生的自转。根据估计,地球的自转几乎与它诞生的时间相当,也就是说地球已经自转了46亿年。地球凭借最初的角动量自转,却一直没有停下来,这不就是我们苦苦寻找的永动机吗?

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永动机

永动机的历史很久远,早在公元前1200年的古印度,就有人设想过一种永不停止运动的设备,后来这个想法跟随数字一起传入了阿拉伯地区,又经阿拉伯人之手进入了欧洲。最早的永动机装置在13世纪有了雏形,法国人亨内考设想的圆盘永动机。

这种永动机有一个车轮一样的横杆,上面连接着小球,转动时,右边的转动力矩会大于左边的力矩。这时给它一个初始动量,圆盘就会沿着初始力的方向转动下去,并且永不止步

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这个设想激励了很多人尝试,但从未实现永动。通常情况下,旋转几周后圆盘就会停下来。文艺复兴时期,达芬奇也试图制作一个永动机,它按照这个设想复刻了一个装置,结果依然失败

随后,各国的工程师们对这个装置进行改良,比如意大利的斯特尔试图利用水流来带动永动机。他设计了一个类似于中国水车的结构,希望利用第一缕流水带动这个装置转动,每一次转动会把下面水槽的水带到最上面,然后继续落下。然而它的装置没运动多久,运输的水就越来越少,根本无法到达最顶端,最终失败

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欧洲这群机械工程师们就在这个永动机上折腾了几百年,直到热力学定律诞生,人们才意识到了永动机根本不可能实现。历史上人们捣鼓的永动机分两种,第一种企图利用机械手段,在没有能量注入的前提下进行运转。这违背了热力学第一定律,即能量守恒定律。物体都会受到空气阻力,因此在没有外界供能的情况下,这个装置的获得的初始能量很快转化为了空气阻力消耗的能量。

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第二种永动机,是在保证能量守恒的情况下,试图让其的所有外部能量都转换为机械能。这种永动机也不会存在,因为光是满足第一定律是不够的,还要满足热力学第二定律,即熵增的定律,任何体系都有自发地超熵增的方向发展,也就是能量无法做到百分百传递,最终有被消耗完的时候

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经过大约300多年的失败,人类接受了永动机不存在,自己竹篮打水一场空的事情。

变慢的自转

可依然有人不死心,他们认为,永动机的确在地球上不存在,但是在宇宙中肯定存在,毕竟宇宙比我们相信的复杂,很多地球上可以用科学理论解释的事情,放在宇宙里就不一定成立了。很显然,宇宙中的永动机远在天边,近在眼前,就是地球

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然而经过天文学家们的观察,地球并没有46亿年都维持一个速度自转,它的速度正在逐渐减慢。比如地球刚诞生之初的自转速度还是一圈6个小时,而现在自转一圈的速度是大约24个小时。地球平均每3.5万年自转周期增加1秒。为什么会出现自转变慢的情况,按理说,宇宙中是真空,没有空气阻力,地球完全可以凭借最初时的角动量,实现永远自转

然而不要忘了,地球不是一个单独的个体,它时刻都处在各种体系之中,比如它和自己的天然卫星月球。月球与地球之间存在一个潮汐锁定,因此引起的潮汐会产生摩擦减缓地球自转的速度。此外地球自身会因为季节原因调整自己的自转速度,可能与表面的洋流有关。

人类发射的人造卫星也会消耗地球的自转能量。一些卫星距离地球的距离很近,刚好贴近大气层,这个时候,双方会造成一定量的摩擦,减缓地球的自转周期。宇宙虽然是真空,但并不代表它内部不存在消耗能量的物质

永不止步

我们之所以会觉得地球永动,是因为这个角动量十分巨大,可以支撑地球自转长达46亿年,并且还将在未来继续。可事实上,这股初始角动量终有消耗完的一天,届时地球的自转可能就会停止

46亿年对人类来说十分久远,可是对于地球这样的星体来说,根本就不值得一提。从地球的角度看,地球根本就没有永动,它再因为其他物质消耗角动量而减速,依然符合热力学第一定律,能量守恒。其实不只是地球,其他的行星也同样如此。宇宙没有绝对的永恒,一切物质都将会改变,这不过这个改变周期太长了,人类短暂的历史很难遇到。

太阳是恒星,然而不要以为它就不会围绕其他星体旋转,太阳也在围绕银河系旋转。银河系也不是静止的,它也会围绕星体运动,至于围绕的是什么,人类目前还没有结论。理论上,任何天体都在做围绕运动,宇宙的中心有一股人类现在未知的力量,驱使着整个宇宙

我们赖以为生的太阳,也不会永远用阳光滋养地球。的确已经安稳燃烧了45亿年,根据恒星的寿命来看,太阳还要燃烧50亿年,在这期间,太阳的体积会变大。可能要不了几亿年,太阳的半径膨胀到地球与太阳轨道半径的大小时,地球很有可能被太阳吞噬。

宇宙不存在永恒,因此也就没有永动机存在,相反,它更加诠释了,能量会有消耗完的一天,不管是在地球上,还是在宇宙中,永动机永远不可能存在

地球的末日

如果地球消耗完了自转的角动量,地球便会停止自转,这个时候,地球再也没有所谓的昼夜,面对太阳的一边将会有很高的温度,而背对太阳的一边,将会成为新的极地。人类如果到时候还存在,就会躲去地球晨昏线附近生活,整个地球再也不能称为生命的摇篮,相反,它会变成生命的地狱

地球也是有寿命的,它的寿命与太阳紧密相连。恒星的寿命与它的体积有关系,因为寿命都是以亿年起步,人类不可能连续不断地观察一个恒星长达数亿年之久。因此人类将宇宙中观测到的各个阶段的恒星串联起来,总结出了太阳的寿命轨迹图。此时的太阳还处在壮年时期,成为主序星,它的表面有足够的氢发生核聚变反应,保障能量输出

但太阳消耗完自己的氢后,它就会膨胀,成为一颗红巨星,最后因为内部的密度过大引发坍塌,它会发生爆炸,最后只留下一颗白矮星,没有光亮、没有温度,犹如一座墓碑,诉说这里曾经有过一颗恒星。地球,可能早在太阳结束主序星膨胀时,就已经不复存在了。

所以,没有什么是永恒的,能量不会,星体物质也不会。

追寻永恒的意义

虽然人类试图制造永动机失败了,但这不应该成为人类避而不谈的耻辱。的确,在没有清楚认知世界认知自我的时候,人类犯了很多在现在看来很可笑的错误

比如古人追求长生不老,然而现代医学表明,细胞衰老是不可逆的过程,本质上只有延缓衰老,没有抵抗衰老的方法,更不可能有永生。什么喝永生之水,吃仙丹灵药都是没用的,反而会吃进去很多有害的物质,提前结束生命

再比如,人类希望得到永动机,生产永不眠,但最后结果是,哪怕脱离地球去往宇宙,也没有永动机,看似地球不停自转了46亿年,其实它也在逐渐减慢,很当初大家的永动机实验一样。只是因为它减速的时间跨度太长,而人类的时间又太短,才会有它永远旋转的错觉

我们现代人当然可以站在科技的制高点嘲笑前人的愚昧无知,但疏忽了一点,如果没有当初人们的“犯傻”,人类就不会意识到一些想法和理论是错误的。比如永动机的设想,早在3000多年前的古印度就存在,直到13世纪人们才开始尝试,很快就发现了问题,于是只过了几百年,人们便修正了永动机的错误,还总结得出了热力学定律。

想象一下,如果人类不去试着制作永动机,这个错误可能会延迟更改,人类的科技会比现在晚一段时间。感谢曾经的人类,某种程度上说,他们的贡献对人类来说是永恒的,因为会被历史永远记住

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深耕疑问,重在科普,尽量专业,解析几何。

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