古代,人們認為地球是方的,太陽落到地平面下面,天就黑了。也有人認為,地球是不動的,太陽嵌在天幕上,由於天幕不停地轉動才引起太陽東昇和西落。現在,人們已經明白:每隔24小時經歷的一次白天和黑夜是由於地球自轉造成的。在圍繞地軸自轉的同時,地球又在一個橢圓形遠軌道上環繞太陽公轉,帶來晝夜交替和季節變化,使人類及萬物繁衍生息。那麼是什麼力量驅使地球如此永不停息地運動?
宇宙間的天體都在旋轉傳,這是它們運動的一種基本形式,但要真正說明這個問題,首先要弄清楚地球和太陽系是如何形成的,因為地球自轉和公轉的產生與太陽系的形成密切相關。天文學家認為,太陽系是由古代的原始星雲形成的。原始星雲是非常稀薄的大片氣體雲,因受到某種擾動影響,再加上引力的作用而向中心收縮。經過漫長的演化,中心部分物質的氣溫越來越高,密度也越來越大,最後達到了可以引發熱核反應的程度,從而演變成了太陽。太陽周圍的殘餘氣體,慢慢形成了一個旋轉的盤狀氣體層,經過收縮、碰撞等複雜的過程,在氣體層中凝聚成固體顆粒、微行星、原始行星,最後形成了一個完整的太陽系天體。大家知道,如果要測量物體直線運動的快慢,應該用速度來表示,但是如何來衡量物體旋轉的狀況呢?有一種辦法就是用“角動量”。一個繞定點轉動的物體,它的角動量就是質量乘以速度,再乘以該物體與定點的距離。物理學中有一條非常重要的角動量守恆定律,就是說,一個轉動的物體,只要不受外力作用,它的角動量就不會因物體形狀的變化而發生變化。例如一個芭蕾舞演員,當他在旋轉的時候突然把手臂收起來(質心與定點的距離變小),他的旋轉速度就會自然而然地加快,因為這樣才能保證角動量不變。這一定律在地球自轉速度的產生中有非常重要的作用。
原始星雲原本就帶有角動量,在形成太陽系之後,它的角動量仍然不會損失,但已經發生了重新分佈,各個星體在漫長的演變過程中都從原始星雲中得到了各自的角動量。由於角動量守恆,行星在收縮的過程中轉速也將越來越快。地球也是這樣,它獲得的角動量主要分配在地球繞太陽的公轉、地月系統的相互繞轉以及地球的自轉中。我們很容易產生錯覺,常常以為地球的運動是勻速運動,否則每一日的長短也會改變。物理學家牛頓就這樣認為,他把宇宙天體的運動看成是上好發條的鐘,認為它們的運行確無誤。而實際上地球的運動也是在變化的,而且非常不穩定。有人研究“古生物鐘”時發現,地球的自轉速度逐年變慢。距今4.4億年前的晚奧陶紀,地球公轉一個週期需要412天;而到了4.2億年前的中志留紀,每年只有400天;到了3.7億年前的中泥盆紀,一年為398天;到了一億年前的晚石炭紀,每年大約是385天;到了6500萬年前的白堊紀,每年是376天;面現在一年是365.25天。科學家認為,產生這種現象的原因,是由於月球和太陽對地球潮汐作。
用的結果。在地球上,面向月球及其相反方向的海面會因潮汐力而發生漲潮現象,面向月球側的漲潮是因月球的引力大於離心力之故,而相反一側則是因為離心力大於引力的緣故。當發生潮汐時,海水與海底產生摩擦,使得海面發生變化需要一段時間,因而對地球的自轉產生牽制作用。這種牽制力會使地球自轉減慢。
由於人類發明了石英鐘,便可以更準確地測量和記錄時間。通過一系列觀測和研究發現,在一年內,地球自轉存在著時快時慢的週期性變化:春季自轉比較緩慢,秋季則加快。科學家認為,這種週期性變化的原因,與地球上大氣和冰的季節性變化有關。另外,地球內部物質的運動,如重元素下沉,輕元素上浮等,都會影響到地球的自轉速度。除此之外,地球公轉也不是勻速運動。地球公轉的軌道是橢圓形的,最遠點與最近點相差大約500萬千米的距離。當地球由遠日點向近日點運動,離太陽近的時候,受太陽引力的作用就會加強,速度也就變快。由近日點到遠日點時則相反,地球的運行速度會減慢。另外,地球自轉軸與公轉軌道並不是垂直的,地軸也並不是穩定的,而是像陀螺一樣在地球軌道面上作圓錐狀旋轉。地軸的兩端也不是始終指向天空中的某一個方向,而是圍繞著點不規則地畫圓。地軸指向的不規則,是地球運動所造成的。
由此可知,地球的公轉和自轉包括了許多複雜的因素,並不只是簡單的線速或角速運動。地球還同太陽系一起圍繞銀河系運動,並隨著銀河系在宇宙中飛馳。地球在宇宙中運動不息,這種奔波可能在它形成時便開始了。地球仍然在運動著,它的加速、減速與太陽、月亮以及太陽系其他行星的引力有關。那麼,地球最初是怎麼運動起來的呢?是否存在所謂的第一推動力呢?17世紀,意大利科學家伽利略發現了慣性定律:一個運動的物體,只要不再受到外力的作用,慣性就會使它保持著原來的速度和方向一直運動下去。後來,物理學家牛頓在發現了三大運動定律和萬有引力定律之後,曾用他後半生的全部精力來研究和探索第一推動力。他得出了這樣的結論:上帝設計並塑造了這完美的字宙運動機制,且給予了第一次動力,使它們運動起來,但這顯然與現代科學格格不入。
那麼,地球運動的能量又從何而來?假如地球運動不需要消耗能量的話,那麼它是“永動機”嗎?
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