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地球就是“永動機”?自轉46億年都沒有停下,其動力來自哪裡?

作者:答案在這兒

人們一直追求一種機器,能夠給一個初始動量,然後一直運動下去,人們将其稱為永動機。無數人在這個永動機上做嘗試,試圖制造出第一台永動機,名垂青史。但是,人們付出了大量的腦力和體力,最後沒有得到永動機,反而從中總結出了一條定律——能量守恒。

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能量守恒示意圖

有了這條定律,永動機基本上告别了,誰再宣揚永動機誰就是騙子。但是有人不服,既然能量守恒說不可能存在永動,那如何解釋地球的自轉?地球已經自轉了46億年,絲毫沒有停下來的迹象,按照能量守恒來說,這是不可能的。

人們這才發現,這麼些年兩撥人都在支援和反駁永動機,都沒發現,我們的地球已經孜孜不倦地自我旋轉了46億年。那麼它的能量哪裡來的?它會是我們苦苦尋找的永動機嗎?

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地球的自轉

我們都知道地球圍繞太陽公轉,周期是一年365天,而地球公轉的能量來自太陽的引力。可是地球的自轉是怎麼回事?不僅是地球,太陽系的八大行星都在公轉的同時自轉。究竟是何方力量讓行星自轉的?

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八大行星繞太陽公轉

要揭開地球乃至所有行星自轉的秘密,就要把時光退回到46億年前太陽系剛形成的時候。太陽系形成于一團星雲,這團星雲來自上一個恒星晚年的超新星爆炸。在形成太陽的過程中,一些比較大的星雲碎片開始因為太陽稚嫩的引力而圍繞它聚集起來,這便是最初的太陽系。随着中心物質逐漸緊緻,幼年的太陽形成,而最初的八大行星也陸續誕生。

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太陽形成過程

然而這個時候的太陽系是混沌的,各星體的引力紊亂,碎片在這混亂的體系裡亂飛,初期地球的引力将它們吸引,于是這些碎片紛紛撞向地球。早期地球經曆過無數次撞擊,甚至被一顆火星般大小的小行星撞擊過。這些撞擊為當時還沒有自轉的地球提供了巨大的角動量,于是在堆積到一定的數值後,地球開始了自轉。

太陽系乃至整個宇宙中的行星幾乎都是這種原因發生的自轉。根據估計,地球的自轉幾乎與它誕生的時間相當,也就是說地球已經自轉了46億年。地球憑借最初的角動量自轉,卻一直沒有停下來,這不就是我們苦苦尋找的永動機嗎?

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永動機

永動機的曆史很久遠,早在公元前1200年的古印度,就有人設想過一種永不停止運動的裝置,後來這個想法跟随數字一起傳入了阿拉伯地區,又經阿拉伯人之手進入了歐洲。最早的永動機裝置在13世紀有了雛形,法國人亨内考設想的圓盤永動機。

這種永動機有一個車輪一樣的橫杆,上面連接配接着小球,轉動時,右邊的轉動力矩會大于左邊的力矩。這時給它一個初始動量,圓盤就會沿着初始力的方向轉動下去,并且永不止步。

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這個設想激勵了很多人嘗試,但從未實作永動。通常情況下,旋轉幾周後圓盤就會停下來。文藝複興時期,達芬奇也試圖制作一個永動機,它按照這個設想複刻了一個裝置,結果依然失敗。

随後,各國的工程師們對這個裝置進行改良,比如意大利的斯特爾試圖利用水流來帶動永動機。他設計了一個類似于中國水車的結構,希望利用第一縷流水帶動這個裝置轉動,每一次轉動會把下面水槽的水帶到最上面,然後繼續落下。然而它的裝置沒運動多久,運輸的水就越來越少,根本無法到達最頂端,最終失敗。

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“水流”永動機

歐洲這群機械工程師們就在這個永動機上折騰了幾百年,直到熱力學定律誕生,人們才意識到了永動機根本不可能實作。曆史上人們搗鼓的永動機分兩種,第一種企圖利用機械手段,在沒有能量注入的前提下進行運轉。這違背了熱力學第一定律,即能量守恒定律。物體都會受到空氣阻力,是以在沒有外界供能的情況下,這個裝置的獲得的初始能量很快轉化為了空氣阻力消耗的能量。

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人類制造的“永動機”之一

第二種永動機,是在保證能量守恒的情況下,試圖讓其的所有外部能量都轉換為機械能。這種永動機也不會存在,因為光是滿足第一定律是不夠的,還要滿足熱力學第二定律,即熵增的定律,任何體系都有自發地超熵增的方向發展,也就是能量無法做到百分百傳遞,最終有被消耗完的時候。

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經過大約300多年的失敗,人類接受了永動機不存在,自己竹籃打水一場空的事情。

變慢的自轉

可依然有人不死心,他們認為,永動機的确在地球上不存在,但是在宇宙中肯定存在,畢竟宇宙比我們相信的複雜,很多地球上可以用科學理論解釋的事情,放在宇宙裡就不一定成立了。很顯然,宇宙中的永動機遠在天邊,近在眼前,就是地球。

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然而經過天文學家們的觀察,地球并沒有46億年都維持一個速度自轉,它的速度正在逐漸減慢。比如地球剛誕生之初的自轉速度還是一圈6個小時,而現在自轉一圈的速度是大約24個小時。地球平均每3.5萬年自轉周期增加1秒。為什麼會出現自轉變慢的情況,按理說,宇宙中是真空,沒有空氣阻力,地球完全可以憑借最初時的角動量,實作永遠自轉。

然而不要忘了,地球不是一個單獨的個體,它時刻都處在各種體系之中,比如它和自己的天然衛星月球。月球與地球之間存在一個潮汐鎖定,是以引起的潮汐會産生摩擦,減緩地球自轉的速度。此外地球自身會因為季節原因調整自己的自轉速度,可能與表面的洋流有關。

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月球與地球的潮汐鎖定

人類發射的人造衛星也會消耗地球的自轉能量。一些衛星距離地球的距離很近,剛好貼近大氣層,這個時候,雙方會造成一定量的摩擦,減緩地球的自轉周期。宇宙雖然是真空,但并不代表它内部不存在消耗能量的物質。

永不止步

我們之是以會覺得地球永動,是因為這個角動量十分巨大,可以支撐地球自轉長達46億年,并且還将在未來繼續。可事實上,這股初始角動量終有消耗完的一天,屆時地球的自轉可能就會停止。

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地月系統中也存在角動量

46億年對人類來說十分久遠,可是對于地球這樣的星體來說,根本就不值得一提。從地球的角度看,地球根本就沒有永動,它再因為其他物質消耗角動量而減速,依然符合熱力學第一定律,能量守恒。其實不隻是地球,其他的行星也同樣如此。宇宙沒有絕對的永恒,一切物質都将會改變,這不過這個改變周期太長了,人類短暫的曆史很難遇到。

太陽是恒星,然而不要以為它就不會圍繞其他星體旋轉,太陽也在圍繞銀河系旋轉。銀河系也不是靜止的,它也會圍繞星體運動,至于圍繞的是什麼,人類目前還沒有結論。理論上,任何天體都在做圍繞運動,宇宙的中心有一股人類現在未知的力量,驅使着整個宇宙。

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我們賴以為生的太陽,也不會永遠用陽光滋養地球。的确已經安穩燃燒了45億年,根據恒星的壽命來看,太陽還要燃燒50億年,在這期間,太陽的體積會變大。可能要不了幾億年,太陽的半徑膨脹到地球與太陽軌道半徑的大小時,地球很有可能被太陽吞噬。

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宇宙不存在永恒,是以也就沒有永動機存在,相反,它更加诠釋了,能量會有消耗完的一天,不管是在地球上,還是在宇宙中,永動機永遠不可能存在。

地球的末日

如果地球消耗完了自轉的角動量,地球便會停止自轉,這個時候,地球再也沒有所謂的晝夜,面對太陽的一邊将會有很高的溫度,而背對太陽的一邊,将會成為新的極地。人類如果到時候還存在,就會躲去地球晨昏線附近生活,整個地球再也不能稱為生命的搖籃,相反,它會變成生命的地獄。

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而地球也是有壽命的,它的壽命與太陽緊密相連。恒星的壽命與它的體積有關系,因為壽命都是以億年起步,人類不可能連續不斷地觀察一個恒星長達數億年之久。是以人類将宇宙中觀測到的各個階段的恒星串聯起來,總結出了太陽的壽命軌迹圖。此時的太陽還處在壯年時期,成為主序星,它的表面有足夠的氫發生核聚變反應,保障能量輸出。

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核聚變反應

但太陽消耗完自己的氫後,它就會膨脹,成為一顆紅巨星,最後因為内部的密度過大引發坍塌,它會發生爆炸,最後隻留下一顆白矮星,沒有光亮、沒有溫度,猶如一座墓碑,訴說這裡曾經有過一顆恒星。地球,可能早在太陽結束主序星膨脹時,就已經不複存在了。

是以,沒有什麼是永恒的,能量不會,星體物質也不會。

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追尋永恒的意義

雖然人類試圖制造永動機失敗了,但這不應該成為人類避而不談的恥辱。的确,在沒有清楚認知世界認知自我的時候,人類犯了很多在現在看來很可笑的錯誤。

比如古人追求長生不老,然而現代醫學表明,細胞衰老是不可逆的過程,本質上隻有延緩衰老,沒有抵抗衰老的方法,更不可能有永生。什麼喝永生之水,吃仙丹靈藥都是沒用的,反而會吃進去很多有害的物質,提前結束生命。

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煉丹圖

再比如,人類希望得到永動機,生産永不眠,但最後結果是,哪怕脫離地球去往宇宙,也沒有永動機,看似地球不停自轉了46億年,其實它也在逐漸減慢,很當初大家的永動機實驗一樣。隻是因為它減速的時間跨度太長,而人類的時間又太短,才會有它永遠旋轉的錯覺。

地球就是“永動機”?自轉46億年都沒有停下,其動力來自哪裡?

我們現代人當然可以站在科技的制高點嘲笑前人的愚昧無知,但疏忽了一點,如果沒有當初人們的“犯傻”,人類就不會意識到一些想法和理論是錯誤的。比如永動機的設想,早在3000多年前的古印度就存在,直到13世紀人們才開始嘗試,很快就發現了問題,于是隻過了幾百年,人們便修正了永動機的錯誤,還總結得出了熱力學定律。

地球就是“永動機”?自轉46億年都沒有停下,其動力來自哪裡?

想象一下,如果人類不去試着制作永動機,這個錯誤可能會延遲更改,人類的科技會比現在晚一段時間。感謝曾經的人類,某種程度上說,他們的貢獻對人類來說是永恒的,因為會被曆史永遠記住。

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