从人类诞生之初,就感受到地球的昼夜交替与四季更迭 —— 这源于地球的自转与公转。地球围绕地轴自转形成昼夜,围绕太阳公转产生四季,这种转动已持续了约 46 亿年。
很多人会好奇:地球为何能转动这么久而不停止?难道有某种 “神秘力量” 在持续推动它?其实,答案藏在基础物理学中的 “角动量守恒” 原理,以及太阳系形成的初始条件里,而非 “持续外力支撑”。
首先要纠正一个常见认知误区:物体的运动不需要 “持续外力支撑”。
根据牛顿第一定律(惯性定律),任何物体都有保持原有运动状态的性质 —— 如果不受外力作用,静止的物体将保持静止,运动的物体将保持匀速直线运动(或匀速圆周运动)。地球的转动,本质上是 “初始角动量的保持”,而非 “持续外力推动”。
这里需要引入 “角动量” 的概念:它是描述物体旋转运动的物理量,与物体的质量、旋转速度和旋转半径相关。
在没有外部阻力(或阻力极小)的情况下,物体的角动量会保持不变,这就是 “角动量守恒定律”—— 就像花样滑冰运动员在旋转时,若收紧手臂(减小旋转半径),旋转速度会加快;若伸展手臂(增大旋转半径),速度会减慢,但整体角动量始终守恒。
地球的转动(包括自转和公转)正是角动量守恒的典型体现。
太阳系形成于约 46 亿年前的 “太阳星云”(一片由气体和尘埃组成的云团),这片星云在自身引力作用下逐渐收缩、旋转,形成一个扁平的 “星云盘”。在收缩过程中,星云的旋转速度因角动量守恒而逐渐加快(类似滑冰运动员收紧手臂),最终星云盘中心形成太阳,周围的物质则逐渐聚集成行星、卫星等天体 —— 地球作为太阳系的行星之一,从诞生时就继承了太阳星云的 “初始角动量”,这便是地球转动的 “源头动力”。
地球的自转是围绕地轴的旋转,当前自转周期约为 24 小时(一个太阳日)。这种自转从地球形成时便开始,之所以能持续 46 亿年,核心原因是 “太空几乎没有阻力”—— 地球所处的宇宙空间是接近真空的环境,没有空气摩擦等阻力来快速消耗地球的自转角动量,因此地球能以极慢的速度衰减自转,而不会突然停止。
不过,地球自转并非完全不受阻力,仍有少量因素会导致其转速逐渐减慢:
一是 “潮汐摩擦”。
月球和太阳对地球的引力会引发潮汐(海洋潮汐和地球内部的固体潮汐),潮汐的涨落会与地球表面产生摩擦,这种摩擦会消耗地球的自转角动量,导致自转速度逐渐变慢。科学家通过化石记录发现,约 6.2 亿年前的寒武纪,地球自转周期约为 21.9 小时(一天只有 21.9 小时);到了约 2.3 亿年前的三叠纪,一天约为 23 小时;如今则是 24 小时,且每年仍在以约 1.7 毫秒的速度变慢(未来一天会越来越长,但这个过程极其缓慢,百万年内人类难以明显感知)。
二是 “大气与地表的摩擦”。
地球大气层的流动会与地表产生轻微摩擦,也会消耗少量自转角动量,但这种阻力远小于潮汐摩擦,对自转速度的影响微乎其微。
尽管存在这些阻力,但地球的质量极大(约 5.97×10²⁴千克),自转角动量也非常大,少量阻力只能让其转速缓慢衰减,而无法使其停止转动。按照当前的衰减速度,即使再过数十亿年,地球自转也不会完全停止,只是自转周期会变得更长(比如未来可能一天长达 25 小时、26 小时)。
地球围绕太阳的公转,同样不需要 “持续推力”,而是依靠 “太阳引力” 与 “公转惯性” 的平衡。地球在诞生时继承了太阳星云的公转角动量,具有沿轨道切线方向的 “惯性速度”(约 29.78 公里 / 秒);同时,太阳对地球的引力会提供 “向心力”,将地球拉向太阳方向 —— 这两种力的平衡,使得地球既不会因惯性飞离太阳系,也不会因太阳引力坠入太阳,而是沿着稳定的椭圆轨道持续公转。
这种 “引力与惯性的平衡”,就像人造卫星围绕地球运行:卫星发射时获得切线方向的速度,地球对卫星的引力提供向心力,两者平衡让卫星持续绕地飞行,无需额外燃料推动(除非需要调整轨道)。地球的公转也是如此,太阳引力是 “向心力来源”,而非 “推动公转的动力”,地球的公转运动本质上是 “惯性运动与引力约束的结合”,只要太阳的质量不发生剧烈变化(太阳目前处于稳定的主序星阶段,还能稳定燃烧约 50 亿年),地球的公转就会持续下去。
此外,太阳系内其他行星(如木星、土星)的引力会对地球公转产生轻微的 “摄动”(轨道微小变化),但这种影响只会改变公转轨道的细节(如椭圆的偏心率),不会导致地球停止公转或脱离太阳系。
很多人之所以会问 “什么力量支撑地球转动”,是因为将地球的转动与日常生活中的运动(如推车、跑步)混淆了 —— 在日常生活中,物体运动需要持续外力(如人推车时,若停止施力,车会因地面摩擦而停下),但这是因为存在 “摩擦阻力”;而地球在太空环境中,阻力几乎可以忽略不计,因此不需要持续外力,仅靠初始角动量就能保持转动。
打个形象的比方:在冰面上滑冰时,若冰面足够光滑(阻力极小),人一旦滑动起来,就能滑行很远而不停止;地球在太空中的转动,就像在 “超光滑的冰面” 上运动,几乎没有阻力,因此能持续数十亿年。
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