地球重达 6 亿亿亿公斤，它不停转动 45 亿年，动力来自哪里 ...

倪丹军

在地球上，如果没有动力来源，没有什么机器可以一直转动下去，最终总会停止下来。然而，对于地球本身，它的质量重达6亿亿亿公斤（6×10^24 kg），它自45亿年前形成以来，一直在绕地轴自转和绕太阳公转。那么，地球持续转动的动力来源是什么？难道地球是永动机？

露水珠珠

一句话回答这个问题：一般来说，地球的自转和公转是可以不考虑“摩擦”的。这种情况下角动量守恒，地球会一直转下去。就好比在光滑地面上前进的物块，不加干预的话永远不会停下来，即使这个物块重大6亿亿亿公斤，它也不会停下，这个不需要额外的动力来维持运动。
那么，实际上地球转动有没有摩擦呢？当然是有的，只不过很小。楼下 @瞻云 的回答计算了各种“摩擦”对地球转动的影响，可以看到多数摩擦的影响是非常小的，除了月球带来的潮汐作用。除了他那里写的“摩擦”，我还想到了一种可能对地球转动造成影响的特殊的“摩擦”——引力波辐射。按理说，地球的公转和自转是会辐射引力波的，这样一来系统的能量被引力波带走，自转公转的速度就可能变慢。我晚上估算一下这种情况下引力波辐射的功率吧，到时候更新一下（估计是很小很小的）。
<hr/>更新：

• 引力波辐射功率可以按照以下公式计算（参考赵峥《广义相对论基础》(5.3.26)式）：
  
  其中 是引力常数， 是光速。 是角速度， 是转动惯量， 是赤道椭率。
  
• 先来算地球自转产生引力波的功率。这种情况下，地球自转角速度 ，地球转动惯量 ，地球赤道椭率 ，由此可得地球自转的引力波辐射功率为： . 这个功率非常小，大概只有你手机充电器的一千万分之一。
  
• 再来算地球公转产生引力的功率。这种情况下转动惯量 ，转动角速度 ，  ，可以算出地球公转辐射引力波的功率为： . 这个功率大致相当于一张RTX3070显卡的满载功率。
  
• 还可以算一算地月双星系统的引力波辐射功率。这种情况下 ， ，  ，可以算出地月系统辐射引力波的功率为： . 和地球自转的辐射功率在一个数量级，还是很小的。
  

可以看到，地球的引力波辐射中占主导的是地球公转的情况，但这种情况下对地球的影响也是微乎其微的，因此引力波辐射给地球转动带来的“摩擦”可以忽略。

天使粉粉魏

如果50亿年后，衰老成红巨星的太阳没有吞噬地球。
地球的自转，最终也会停下来，只不过时间会相当漫长。
宇宙中任何星体都会旋转，它们的动力来源于形成之初，引力势能的转化：



一颗正在形成的恒星

无论恒星也好，还是行星也罢，都是由星际物质，汇聚形成的。

• 只不过恒星的物质来源，是氢气为主的星云。
  
• 行星的物质来源是星际尘埃，而星际尘埃的主要物质是超新星爆发所产生的物质：铁、氧、镁、硅，甚至比铁更重的元素，以及化合物。
  

这些原始物质，分散在星空中，在引力作用下汇聚。
在汇聚成的过程中，星际物质互相碰撞，速度叠加、方向叠加，最终形成整体的逆时针或者顺时针旋转。
旋转的物质结合，最终形成一颗不停旋转的星球：



太阳自转周期，约25天。由于是气态的，各部分自转速度不同

如果是一颗孤立的星球，当星际物质结合成星体后，符合能量守恒。
满足：引力势能=动能+势能转化的热能。

• 热能除了引力提供外，还有核能提供：恒星的核聚变，行星内核的重核衰变。
  

从等式可以看出，对于一个孤立星球来说，无论如何形成，它的自转动能，永远低于它的重力结合能：
旋转体的动能公式为：

为转动惯量，实心球的转动惯量为

其中地球质量 ，半径 ，角速度
得，地球动能大约为：
这个能量是很庞大的，人类当前能源利用功率为2×10^13 W，按照这个功率，人类需要4亿年的时间，消耗的总能量才能相当于地球自转的动能。
现实中运动的物体会停下来是因为摩擦。
那么星体在宇宙中旋转，是否会因为摩擦减速呢？
当然是存在的，因为——
真空不空。
就拿我们整个太阳系来说，我们处在本星际云之中。


太阳在4.4~15万年前进入本星际云，大约1~2万年之后就会离开。
即便离开了本星际云，也还处在本星系泡之中：


本星际云密度0.26个原子/cm^3，本星际泡密度0.1个原子/cm^3。
而1克的水，就有3.344×10^22个原子。
也就是说，地球与星际物质即便存在摩擦损耗，能量损耗的比率也至少低于1/10^23
即便按照每秒损失这么多的能量比，那么地球要停止下来的时间是：
3000万亿年。
这个时间远远超过当前宇宙寿命的20万倍。对于地球形成到现在，短短数十亿年的损耗来说，几乎忽略不计。甚至还没有地球大气散逸带走的能量更多。
而地球经常受到陨石、小行星的撞击，带来的能量可能比这种方式散失的更多。
但是，地球的速度，其实相比起45亿年前，已经慢了很多。

• 刚刚形成的时候，一昼夜只需要数个小时。
  
• 哪怕5亿年前的寒武纪，一天也只有21个小时。
  

既然之前已经说了，地球与太空摩擦损失的能量很少，地球又是如何变慢的呢？
主要在于月球的影响。
提到月球的影响，就不得不说月球形成的过程。
45亿年前，星际尘埃汇聚无数的陨石，陨石撞击、汇聚形成众多的小行星。小行星，再互相撞击，形成更大的行星，太阳系最初形成的行星很多，原始的地球只是其中一颗。
一颗叫做忒伊亚的行星撞击了原始地球：


撞击后，地球和月球形成。

• 月球形成曾有诸多学说，现在撞击说已是主流，NASA和BBC做的视频或纪录片，都是直接采用撞击说。
  
• 动图来源于BBC纪录片《我们真的需要月亮吗》，尝试上传高清源视频，但审核没通过……
  

一开始月球距离我们只有2.25万公里，只有现在38.4万公里的1/17。
当时看到的月球，也比现在大很多：


地球对月球的引力，是现在的290倍。
地球锁住月球（月球公转周期=自转周期）：



相关动图源于BBC纪录片

地表形成的潮汐力是现今的5000倍。
地表大多数是液体的水，水被月球吸引，从而形成潮汐作用。
水跟着月球，与地球自转出现相对运动：


地球变慢的关键就是潮汐力。
地球自转动能的降低，主要在于两个方面：

• 1、潮汐力带来地表物质相对速度的不同，形成摩擦，动能转变成热能。
  
• 2、潮汐力把月球一步步推得更远，地月系统的动能，部分转变成了月球的引力势能。
  

当然，在月球的作用下，地球的自转是不可能停下来的。
因为地球的自转速度远远快于月球的公转，当地球自转降低足够低的时候，月球已经足够的远。由于月球动能损失并不大，此时地球的引力将不足以吸引月球，月球将永远离开地球。
不过，这个时间可能至少100亿年以上。
但无论怎么样，依靠潮汐力，不可能让地球停止自转的。
那么，太阳对地球形成的潮汐力，是否可能锁定地球，让地球自转停下来呢？
这样的状态下，其实就是地球的自转角速度变得和公转一模一样。

• 金星公转周期224.7天，而自转因为大气潮汐效应，朝相反方向自转，周期243天，金星在未来，或成为被太阳最早潮汐锁定的行星。
  

但地球要被太阳锁定却并不那么容易，因为地球自转很快，一年365个周期。
地球现今的自转动能，相对于锁定时的自转动能，高出10万倍。
在太阳引力下，地球自转变慢，同样在于潮汐作用下，地层内部摩擦动能转化成热能。而热能是会通过热辐射，释放进入宇宙的。
根据地球半径、地日的距离关系来看，在某一刻，地球正对太阳和背对太阳的两面，受到的引力差，大约只有地球受到太阳引力的1/10^14
太阳对地球引力的平均值为：3.5739×10^22N
引力差的数量级为10^8 N，考虑地球自转和锁定自转速度差，功率数量级为10^11W.
预估地球被太阳潮汐锁定的时间，至少500~1000亿年。
由此也可以看出，虽然地球变慢的主要因素来自月球，但太阳至少也有10%的功劳。

• 月球对地球的潮汐力大约是太阳对地球的6倍左右。
  

但无论月球远离，还是地球停止自转（实际因为潮汐锁定，自转=公转周期，人的感官为自转停止。），这个时间都相当的漫长。
极有可能永远都等不到那一天。
100亿年后太阳主序星历程结束，化作红巨星，膨胀250倍，那时的半径正好差不多一个天文单位（地日距离），大概率会吞没地球。即便不吞没，也足以汽化地球了。
又过100亿年后，这里或许会形成的新的“太阳”。
原来组成地球的星际尘埃，或许会形成新的“地球”。
旋转，依旧永不停息……
直到再次毁灭，继续轮回。

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题主你知道吗？我们马路上用的沥青其实是液体，它的流动速度非常非常慢，以至于以我们人类的视角来看，沥青近乎于固体状态。科学家为了向大众展示沥青是液体，花了接近100年做了个沥青滴落实验，终于拍到了沥青滴落的过程，下图就是沥青滴落实验的照片


说了这么多你可能觉得我在跑题，实际上这个沥青滴落实验和你的问题有相似之处，有些东西变化很快，我们人可以轻松观察它变化的全过程，但有些东西变化很慢，以我们人类的寿命来看它几乎是不变的。因此，我们根据日常观察得出的结论，很有可能与事实不符。我们再看你的问题

在地球上，如果没有动力来源，没有什么机器可以一直转动下去，最终总会停止下来。然而，对于地球本身，它的质量重达6亿亿亿公斤（6×10^24 kg），它自45亿年前形成以来，一直在绕地轴自转和绕太阳公转。那么，地球持续转动的动力来源是什么？难道地球是永动机？

一个机器，在关掉电源后，从运转到停止，少则几秒钟，多则几天，这个以我们人类的寿命来讲不是什么特别长的时间，因此你很轻松就能得出你第一段的结论。然而，地球形成了45亿年，人类文明，就算把第一个直立猿算上，也不过20万年历史罢了，你所听说的故事，大部分也就集中在200年左右，你自己亲身经历的事情，可能不过20年左右，这点时间，对于一个45亿年的地球来说太微不足道了，你根本不可能在这么短的时间内，观测到地球的明显变化，因此，你才会得出地球可以一直在转动的结论。实际上，由于太空中微小的阻力存在，地球也是在慢慢停止运动的，这个减缓速度在人类眼中几乎观察不到，但是放到宇宙尺度上，却可以造成很明显的影响。月球刚形成的时候，自转速度很可能比现在快很多，但由于地球潮汐锁定对月球日积月累的影响，现在我们看到的月球自转已经降到了很低的速度。题主想到的问题很好，但是不要轻易推广你观察到的结论，因为你在小范围内看到的东西，不一定适用于更大的尺度。

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有很多评论说我没有回答问题，我已经把题主问题中所有带问号的问句都回答了，如果你觉得题主问的是地球初始动力来源，那跑题的不是我，是你自己。

一夜雨十年灯潞

来看下题主的问题描述，逐一解惑：


在地球上，如果没有动力来源，没有什么机器可以一直转动下去。

• 那是因为在地球上摩擦力无法避免，物体运动一定会受到阻力。
  

最终总会停止下来。

• 值得一提的是，自转也会受到阻力，月球一开始也是有较快自转的，地球上能看到月球在旋转，但现在已经看不到了。今天月球已经被地球潮汐锁定，一面永远朝向地球。
  

• 如果地月系能在红巨星爆发中幸存，若干年后地球也会被月球潮汐锁定。
  

地月相互潮汐锁定

• 如果我们失去了月亮，地球最终将被太阳潮汐锁定，类似下面的双星系统。
  

相互潮汐锁定的双星系统

然而，对于地球本身，它的质量重达6亿亿亿公斤（6×10^24 kg），

• 质量越大，惯性越大（加速度等于阻力除以质量）越不容易停下来。
  

它自45亿年前形成以来，

• 是46亿年前，所以问题的关键就在于地球是怎么形成的。
  

一直在绕地轴自转和绕太阳公转。

• 是的，但是自转速度一直在变慢。地球形成初期，一天大约8小时；6.2亿年前，一天21.9小时；1亿年之后，地球的一天会有25小时。地球自转变慢的速度大过很多人想象：目前约为每年0.7毫秒（不是一个常数）。
  
• 这个变化并不均匀，人类不得不通过闰秒来让世界时间和地球自转同步（当天时间多计入或少计入一秒），目前，全球已经进行了27次闰秒(皆为正闰秒)。
  

2016年末多出的一秒

那么，地球持续转动的动力来源是什么？

• 牛顿在350年前纠正了人类长达几千年的错觉：运动需要力来维持。牛顿定律清楚地告诉我们：力是改变物体运动的原因，而在无外力作用下，物体会保持静止或维持其运动——也就是惯性。
  
• 自转球体上的每个点都在做匀速圆周运动，维持自转或公转运动的力都是向心力，由万有引力提供。
  
• 当然，向心力不做功，不发生能量转换（椭圆公转轨道会有势能和动能的周期转换）。
  
• 如果真的存在某种力推动地球，并对地球不断做功使地球的自转动能增加，那么我们将会观察到地球的自转速度越来越快；如果使地球的公转动能增加，那么地球将偏离原有轨道。
  

难道地球是永动机？

• 可能题主对永动机有一些误解。永动机是需要不断对外做功的，能够产生源源不断的能量。地球的动能从始至终都没增加过，况且自转还在不断变慢。
  
• 根据地球目前的自转公转速度，我们还可以估算地球的自转动能：2.6×10 J；和地球的公转动能：27×10  J。
  

<hr/>下面，正片开始，来回答题干：

地球重达 6 亿亿亿公斤，它不停转动 45 亿年，动力来自哪里？

也就是地球一开始为什么会转动，这10J的能量从哪来（ 即所谓的第一推动力）。

一：星逝

故事要从一颗衰老的大质量恒星开始，它的时代和我们不同，那时候的宇宙，绝大部分都是氢和氦，没有形成生命的可能，甚至连岩石行星也没有。它孤寂的燃烧完自己，不断在体内通过核聚变合成更重的元素，从氦元素到铁元素，为下一代恒星系诞生岩石行星做准备。



铁元素（Fe）站在比结合能的顶点，轻核聚变到铁都是释放能量，但要聚变出更重的元素就要吸收能量了。这是所有恒星在缓慢燃烧阶段无法通过核聚变生成比铁重的素的原因。

恒星在一开始燃烧的是氢，氢核聚变会产生氦。因为氦元素比较重，会在恒星中心积累。随着氦元素不断累积，中心温度不断升高，达到氦核聚变的临界值，点燃氦元素参与聚变。氦元素聚变形成碳。恒星不断重复着前面的步骤，碳聚变之后引发氖聚变，再引发氧聚变，镁聚变、硅聚变。硅聚源源不断生成铁元素，而铁元素是比结合能最高的元素，在恒星燃烧阶段无法继续聚变了。


最终铁核的质量超过了简并压的临界点，开始不可阻挡的坍缩，核心外围的物质将以0.2倍光速猛烈撞向铁核，电子被挤进原子核，物质压力瞬间突破白矮星级别。同时压力的增加导致温度升高，高温引发原本不参与核聚变的元素参与聚变，又进一步提升内核的温度与压力。由此循环不止的热失控发生了。


在这样失控的连锁反应下，最终恒星的热压力突破自身引力的束缚，形成了恒星系级别的巨大爆炸。星屑喷涌而出，速度可达到光速的3%以上，同时伴随着超高能γ线爆和中微子喷流，一瞬间爆炸的亮度可达太阳的数亿倍。


恒星中心的铁元素也只有在这种超新星爆炸的极端高温高压下，才达到了铁核聚变的临界值，产生了比铁更重的元素，生命的材料就此诞生。地球上（以及我们体内）所有比铁重的元素，包括金，银，镍，铀等，都诞生于这个瞬间。


二：云聚

整个爆发过程持续数月，余辉点亮了整个银河系。数月后，曾经明亮的恒星化为了残骸，散布在光年范围的宇宙空间。


分散的残骸在万有引力的作用下，开始相互靠近，形成了数团星云。
落入星云的物质都或多或少带有重力势能，势能转化成了动能。它们一开始是一团混乱的高速旋转的星云，没有规则的形状。虽然他们的运动路径几乎不可能被预测，但是可以大致分为两种结局：动能高的碎片在落入星云后围绕中心点旋转，动能低的碎片在星云中心聚集。


有意思的一点是，所有的团状星云经过一段时间之后，都会变为圆盘状。我们可以观察到，太阳系是圆盘状，银河系是圆盘状，大部分系外行星系是圆盘状，黑洞的吸积盘和行星的光环也是圆盘状。


公转轨道可以是空间中的任意一个平面，为什么大家到最后都要挤在同一个平面呢？
这里面的原因详细解释起来够写几篇论文的，我这里简单解释一下：
因为只有大家都在一个平面上旋转，才能避免发生碰撞从而保持稳定的圆周运动。
三维空间中任意两个非平行的平面一定会在某条直线上重叠。想象一下如果一团星云留下了两个旋转的平面，那么经过足够长的时间，在某个平面中旋转的星体迟早会和另一个平面的星体相撞。最后只会留下一个质量或者动量更有优势的平面。
三：重生

大多数情况下，绝大部分星云团的质量都会掉入星云中心聚集，随着密度和温度的提高点燃核聚变，诞生出一颗新的恒星(也有小概率会诞生出双星系统或三体系统)。能够在外面继续保持圆周运动的，只有一小部分。我们的太阳系就是典型的例子（太阳占太阳系总质量的99.86%）。


在轨道上继续保持圆周运动的碎片们也会在小尺度上受万有引力作用，相聚成小团绕太阳运动，这就是行星的雏形。


一旦雏形开始形成，它将会在质量上先发制人，不断吸引着轨道上的碎片不断成长，滚雪球一般越滚越大，直到把自己轨道上的所有碎片都清扫干净。


在这同一时期，太阳已经初具规模，太阳风吹走了近日轨道密度较低的氢氦元素，这解释了为何内太阳系的四颗行星（水金地火）都是岩石行星。宇宙中丰度高达74%和24%的氢和氦为何在地球上却是ppm（百万分比）级别。


到这里，我们已经找到了问题的答案。地球的公转动量和自转角动量分别来源于太阳系初期形成地球的星际碎片本身的角速度和线速度，初中物理就提到过能量守恒，地球会继承这些碎片速度的矢量和（角速度的矢量和=地球自转动量；线速度的矢量和=地球公转动量。抵消的部分转为了内能，成为地热的来源之一。
地球，太阳和我们都来自那颗曾经照亮过银河的超新星的星屑。