地球 自转 加快 一天 已 不足 24小时 ！地球 如何 形成 ？谁 推动 它 旋转？ (1)
各位 同學 大家 好 我 是 李永樂 老師
最近 有壹個 新聞
說 的 是 2020 年 地球 的 自轉 加快 了
壹天 已經 不足 24 個 小時 了
尤其 是 2020 年 的 7 月 19 號這壹天
足足 比 平時 快 了 1.46 毫秒
有 小朋友 就問 我 說
這個 地球 自轉 還 可以 壹會 快 壹會慢 嗎
地球 為什 麽 會 自轉 呢
那 今天 我們 就 來 討論 壹下 這個 問題
我們 要 想 討論 地球 自轉 變化 的 問題
首先 要 研究 地球 為什 麽 會 自轉
而 地球 是 在 形成 之初 就 開始 自轉 了
這 過程 跟 太陽系 的 形成 是 壹體 的
所以 我們 首先 要 研究 壹下 太陽系 的 形成
太陽系 的 形成 既 包括 太陽 的 形成
也 包括 太陽系 的 行星 的 形成
那 麽 最初 在 宇宙 大 爆炸 的 時候
空間 中彌漫 了 很多 的 星際 物質
這些 星際 物質 主要 就是 氫
當然 還有 壹些 氦 對 吧
這些 物質 稱之為 星際 物質
那 麽 在 太陽系 這
就 有 很多很多 的 星際 物質 存在
這些 個 星際 物質 彼此之間 有 萬有引力 的 作用
所以 靠 著 這些 萬有引力 的 作用
它們 就 會 逐漸 聚集
但 大家 註 意 聚集 的 時候
它們 可能 並 不是 朝著 中心 就 過去 了
而是 可能 會 稍微 有點 斜 對 吧
因為 誰 也 不能 保證 咱們 都 朝壹個 方向 走
它 可能 會 稍微 有 壹 點點 斜
在 這個 聚集 的 過程 中 萬有引力 會 做 正功
我們 知道 引力 如果 做 正功
相當於 是 把 能量 釋放出來 了
就 好像 我們 把 壹個 鉛球 從 高處 扔下來
這個 時候 它 往 下落 越落 越 快 為什 麽
因為 重力勢能 釋放出來 了
這個 引力 勢能 就 會 減小
引力 勢能 減少 的 時候
這些 物質 的 動能 就 會 增大
就 好像 鐵球 扔下來 速度 越來越快 壹樣
砸 到 地面 之後 動能 沒 了 變成 什 麽 呢
變成 生熱 了
同樣 道理 這些 個 物質 在 往 裏 聚集 的 過程 中
它們 的 這個 動能 就 會 逐漸 變成 了 熱量
變成 溫度
逐漸 地 摩擦 碰撞
所以 溫度 就 會 越來越 高 越來越 高
這個 就是 太陽系 形成 的 第壹個 過程
就是 在 萬有引力 的 作用 下 怎 麽 樣 啊
這些 個 星際 物質 就 聚集 對 吧
星際 物質 就 會 聚集
而壹旦 聚集 就 會 造成 什 麽 呢
就 會 造成 升溫
原因 是 它 的 這個 引力 勢能 釋放出來 了
好 那 麽 它 在 聚集 的 過程 中 質量 越來越 大
於是 就 形成 了 壹個 星球
這個 星球 的 溫度 也 越來越 高
因為 它 引力 勢能 逐漸 地 釋放
內部 的 壓強 也 越來越 大
如果 這個 溫度 和 壓力 足以 引發 核聚變 的話
那 麽 壹顆 恒星 就 誕生 了
這 就是 什 麽
這 就是 太陽
但是 在 太陽 形成 的 過程 中
大家 壹定 要 知道 太陽 其實 是 有 自轉 的
太陽 為什 麽 有 自轉 呢
這就 涉及 到 第二個 概念 了
叫做 角動量 守恒
角動量 守恒 我們 在 之前 其實 是 反 復 講過 的
角動量 是 說 壹個 物體 的 質量 m
再 乘以 它 到 轉軸 的 距離 r 的 平方
再 乘以 轉動 角速度 ω
把 它們 三個 乘起來 就是 壹個 物體 的 角動量
如果 有 很 多個 物體 的話
我們 就 把 每壹個 物體 的 角動量 給加 起來
這就 叫 角動量
這個 角動量 它 是 保持 不變 的
太陽 它 實際上 是 存在 這樣 的 壹個 轉軸 的
它會 旋轉
原因 就是 因為
這些 個 星際 物質 往 裏邊 靠近 的 過程 中
妳會 發現
它 的 這個 到 轉軸 的 距離 r 它 逐漸 的 縮小 對 吧
r 壹旦 縮小
因為 這個 式子 整個 是 不變 的
質量 乘以 距離 再 乘以 角速度 它 不變
妳 距離 越來越近 了
所以 轉動 的 角速度 就 越來越 大
換句話說 它 就是 加速 的 旋轉
整個 太陽系 就 旋轉 起來 了
如果 我們 說 的 通俗 壹點
大概 的 意思 就是說 這個 過程 就 好像 是 什 麽 呢
我們 看過 芭蕾舞 演員
她們 在 跳舞 的 時候 往往 是 先 張開 雙臂 旋轉
旋轉 了 之後 突然 把 雙臂 收 起來
然後 她 就 會 轉得 特別 快
為什 麽 會 出現 這個 過程 呢
這 就是 因為
她 在 轉的 過程 中 角動量 是 保持 不變 的
當 妳 突然 之間 收起 雙臂 的 時候
她 的 質量 分布 更 靠近 轉軸
就 這個 半徑 r 小 了
半徑 r 小 了 之後
她 的 角速度 ω 就 會 增大
所以 轉得 特別 快
如果 妳 家裏 有 旋轉 椅 的話
妳 可以 做 這樣 壹個 實驗
以前 我們 也 講過
就是 妳 先 坐在 旋轉 椅上
然後 手裏 邊拿 兩個 杠鈴 這 麽 張開 雙臂
讓 別人 把 妳 轉 起來
轉 起來 之後 妳 突然 之間 把 杠鈴 收到 胸前
妳 就 會 發現 轉動 加快 了 是 吧
這個 和 太陽 最 開始 形成 的 時候 道理 是 壹樣 的
這些 個 星際 物質 往 裏 聚集 的 時候
有 壹 點點 角動量
但是 因為 它 的 r 越來越 小
所以 它 轉動 速度 越來越 大
於是 太陽 就 開始 自轉
太陽 自轉 的 速度 大約 是 二十多天 轉壹圈
那 不僅僅 太陽 會 自轉
而且 在 太陽 的 周圍 還會 存在 壹些 物質
這些 物質 就是 所謂 的 太陽 星雲
太陽 星雲 就是 在 太陽 附近
沒有 被 吸到 太陽 上 的 這些 星際 物質 是 吧
這些 物質 構成 了 太陽 星雲
太陽 星雲 當然 也 會 聚集
因為 有 引力 它 也 會 聚集
但是 在 聚集 的 過程 中 大家 註 意 兩個 方式
如果說 它 本來 是 壹個 球體 的 星際 物質
然後 往 中間 收縮 的話 就 會 出現 壹個 問題
妳 越 收縮 r 就 越 小
r 越小 轉動 的 就 越 快
轉動 越快 會 產生 慣性 離心力
慣性 離心力 抵抗 萬有引力
妳有 可能 就 縮 不 進去
所以 它會 選擇 這樣 的 壹種 收縮 方式
就是 讓 這些 星際 物質 它 這樣 走
就是 往 中間 這個 盤子 上 走
它 不是 往 裏邊 這樣 縮
它 是 往 中間 這個 盤子 上 收縮
我們 稱之為 什 麽 呢
我們 稱之為 平坦 化 平坦 化
就是 形成 壹個 盤子
平坦 化 的 好處 在於 什 麽 呢
它 既 使得 萬有引力 勢能 發生 了 釋放
然後 溫度 會 升高 能量 釋放出來 了
同時 在 這個 過程 之中
妳 離 轉軸 的 距離 是 不變 的 對 吧
妳 往下走 到 轉軸 的 距離 是 不 發生變化 的
妳 到 轉軸 距離 不 發生變化 的話
妳 就 不 需要 讓 角速度 變快 對 不 對
所以 依然 滿足 角動量 守恒
因此 太陽 形成 之後
周圍 的 這些 物質 會 出現 平坦 化
那 麽 除了 平坦 化 之外
因為 這些 個 物質 越來越 聚集 越 多
越來越 聚集 越 多
就 會 出現 什 麽 呢
就 會 出現 碰撞 還有 融合
什 麽 叫 碰撞 融合 呢
就 比如說 這壹塊
這壹塊 有 很多 的 這個 星際 物質
有 很多 的 塵埃 小石頭 什 麽 的
這個 地方 越來越 多
於是 它們 彼此之間 會 發生 碰撞
如果 這 兩個 石頭 個頭 差不多
它們 倆 咣 嘰 撞 了 妳 說 會 發生 什 麽
那 就 誰 也 不讓 誰 都 粉身碎骨
粉身碎骨 變成 更 小 的 石頭 了 對 不 對
但是 如果說 在 碰撞 過程 中
是 有 壹個 小 的 碰 了 壹個 大 的
這個 時候 大 的 就 不會 解體
小 的 石頭 就 會 鉆 到 大 的 石頭 裏邊 去
讓 這個 大 的 石頭 變得 更大
這個 過程 就 稱 之 為 融合
在 不斷 地 碰撞 和 融合 的 過程 中
小 的 石頭 基本 都 沒有 了 都 被 大 的 石頭 給吸 了
那 麽 這個 大石頭 就 會 形成 什 麽
就 會 形成 行星
於是 行星 就 形成 了
整個 的 這 壹套 理論 被 我們 稱為 什 麽 呢
就 被 稱 為 太陽 星雲 說
而 太陽 星雲 說 它 的 提出 者 有 這 麽 幾個
比如說 康德 就是 那個 著名 的 哲學家
他 也 是 壹個 天文學家 康德
除了 他 以外
還有 壹 個人 就是 拉普拉斯 拉普拉斯
拉普拉斯 被 稱 為 法國 的 牛頓
這個 人 也 非常 厲害
他們 提出 了 這種 太陽 星雲 說
太陽 星雲 說 解釋 太陽系 形成 的 時候
有壹些 支持 的
比如說 它 可以 解釋 為什 麽 太陽系 的 這 八個 行星
它 都 排 在 幾乎 壹個 圓盤 上
都 在 壹個 面上 對 不 對
為什 麽 都 在 壹個 面上 呢
那 就是 因為 在 最 開始 的 時候
它們 都 是 由於 太陽系 的 太陽 星雲 產生 的
而 這個 太陽 星雲 在 演化 的 過程 中 它 會 平坦 化
於是 就 形成 了 所謂 的
八 大行星 在 壹個 黃道面 上 這種 情況
除此之外 它還 可以 解釋
比如說 為什 麽 在 離 太陽 比較 近 的 星球
它 就是 類地行星 都 是 巖 石狀 的 是 吧
那 是 因為 在 這個 演化 的 過程 之中
那個 離 太陽 近 的 地方 溫度 比較 高
像 那氫 氦 這些 氣體
妳 沒有 辦法 留下 是 吧
能夠 留 得 下來 都 是 比較 重 的 物質
於是 形成 地球 什 麽 金星 火星
這樣 的 這個 巖 石 行星
但是 離得 稍微 遠壹點 就 會 變成 類木行星 了
那 是 因為 它 離 得 遠 所以 這個 氣體 可以 沈積
離得 再遠 的 像 海王星 天王星
就 變成 冰 巨星 了 是 吧
就是 我們 可以 解釋 行星 的 這些 特點
按照 這種 學說 我們 就 可以 解釋 行星 什 麽 會 自轉
就是 因為 行星 的 形成 是 由於 太陽 星雲 這些 物質
逐漸 碰撞 聚集 形成 的
而 在 碰撞 聚集 過程 中
這些 物質 可能 會 剩余 壹 點點 角動量
這壹 點點 角動量 逐漸 收縮 r 越來越 小
轉動 得 就 會 越來越快
就 形成 了 這種 行星 的 自轉
這個 過程 其實 和 太陽 自轉 的 原因 是 差不多 的
壹個 理想 的 星球
它 的 自轉軸 應該 是 垂直於 黃道面 的
我們 的 這個 地球 應該 是 豎 著轉 的 對 吧
但 實際上 我們 知道 地球 地軸 稍微 歪壹點 的
歪 了 二十多 度
這個 原因 是 什 麽 呢
又 有人 提出 了 壹種 假說
他 說 這是 因為 在 某個 時間
有壹個 小行星 咣嘰壹 下子 撞 了 地球
撞 完 了 地球 之後
就 把 地球 撞 出個 碎片 來 了 就是 月亮 對 吧
而且 在 這 過程 中 把 地球 的 這個 軸給 撞 歪 了
這 麽 壹個 情況
於是 地球 上 形成 了 四季 對 吧
這是 壹種 假說
這種 假說 是 大家 比較 公認 的 壹種 假說
好 那 麽 我們 既然 明白 了
說 這個 星球 之所以 會 自轉
是 因為 在 形成 的 時候 有壹點 角動量 是 吧
角動量 是 守恒 的 所以 它 就轉
那 麽 是 誰 第壹個 證明 了 地球 在 自轉 呢
我們 來說 第二個 問題 證明 地球 自轉
大家 知道 地球 自轉 的 提出 者 是 誰 吧
其實 古希臘 就 有人 提 出來 是 吧
沒有 受到 什 麽 重視
然後 就是 哥白尼
哥白尼 在 他 的 《 天體 運行 論 》 裏面 提出
說 地球 是 在 自轉 的
而且 地球 還是 圍繞 太陽 轉的 是 吧
壹邊 自轉 壹邊 公轉
那 麽 真正 實驗 證明 了 地球 在 自轉 的 這個 人
名字 叫做 什 麽 呢
名字 叫做 萊昂 · 傅科
壹個 法國 科學家 萊昂 · 傅科
萊昂 · 傅科 通過 壹個 著名 的 實驗
叫做 傅科擺 實驗
傅科擺 實驗 證明 了 地球 在 自傳 是 吧
這個 萊昂 · 傅科 以前 是 學 醫學 的
後來 發現自己 暈血 是 吧 看到 血 就 害怕
於是 醫學 是 學 不成 了 那 就 改學 別的
於是 就 開始 研究 物理 了
他 的 壹個 比較 著名 的 貢獻 是 測光 速
以前 我們 提到 過 這種 方法
傅科 也 發明 了 壹種 棱鏡 可以 用來 測光 速 的
那 麽 他 還有 壹個 重要 的 實驗
就是 證明 了 地球 在 自轉
也 就是 所謂 的 傅科擺
