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在地理上划分 , 我们知道地球有南极点和北极点 , 这是地球自转轴的两个端点 。
在地磁上划分 , 有地磁南极和地磁北极 , 其中地磁南极靠近地理北极点 , 地磁北极则靠近地理南极点 。
科学研究显示 , 我们的地磁南北极并不是固定不动的 , 它们的位置会随着时间的变化而改变 。 这意味着我们的地球注定会发生两极反转 , 当然 , 这种反转是一个缓慢的过程 , 一般需要数十万年甚至上百万年 。 这个缓慢的反转过程在地球地质演化史上已经发生过很多次了 , 因此对地球生命安全而言并不会产生巨大的影响 。
我们发现了地磁的南北极会移动 , 那么地理的南北极会发生反转吗?要是发生了两极反转 , 又会造成什么后果呢?
贾尼别科夫效应从意识到两极反转这个问题到解决这个问题 , 科学家们走了很长的一段路 。 我们需要从一位叫作贾尼别科夫的宇航员说起 。
【从“贾尼别科夫效应”到“网球拍定理”:地球会瞬间两极反转吗!】
1985年 , 前苏联宇航员贾尼别科夫在受命前往太空 , 维修当时正在轨道上服役的“礼炮7号”空间站 。 在维修过程中 , 他偶然发现了一个正在空中旋转的螺母 。
由于空间站处于微重力环境 , 因此这个螺母在悬浮状态下一直旋转 。 按照常规思路:在没有外力干涉的情况下 , 这个螺母会围绕着它所旋转的那条主轴线一直旋转下去 。 但是有趣的事发生了:这个螺母的旋转主轴竟然突然旋转了180度 , 来了个突然掉头 , 然后继续旋转 , 没过一会儿 , 又会转回来了 , 就这样如此反复 。
这意味着 , 这颗螺母在没有外力干涉的情况下 , 其旋转轴是不稳定的 , 会发生180度的周期性翻转 。 要是一般人发现这个现象 , 肯定会直接忽视 。
但是宇航员贾尼别科夫却没有忽视 , 他刚开始只是觉得有趣 , 但是当他看了一眼空间站外的地球后 , 却被惊呆了 。 因为地球不就是一个放大版的“螺母”吗?
当视线离开地球 , 我们会发现:地球整体也是处于失重环境 , 悬浮在无垠的太空中的 , 并且也绕着自转轴不停地在旋转 。 那么地球会不会像贾尼别科夫眼中的这颗螺母一样 , 瞬间发生180度的旋转呢?
如果地球真的像这颗螺母一样 , 发生两极反转 , 那么地球生命将迎来一场巨大的灾难:难以想象的滔天巨浪海啸、超级地震 , 磁场减弱 , 臭氧含量骤降 , 全剧气候巨变 , 这些灾难合起来造成的后果 , 足以让地球生命消失99.99%以上 。
这个现象经过归纳总结后可以这么解释:一个刚体绕着它转动惯量最大的主轴(第一主轴) , 或转动惯量最小的主轴(第三主轴)旋转时是稳定的 , 而绕着中间轴(第二主轴)旋转时则是不稳定的 。
扭动的网球拍从贾尼别科夫现象发现一直到1991年 , 6年的时间里 , 科学界一直不确定我们的地球是否会发生两极反转 。 直到1991年 , 一篇名为《扭动的网球拍》的研究论文才回答了这个问题 。
为了解释翻转的原因 , 科学家们提出了一个著名的“网球拍定理” , 这个定理和贾尼别科夫效应有些异曲同工之妙 。 这个定理完美地解释了地球两极反转这个问题 , 给了我们一个安心的结论:我们的地球不会发生这种情况 。
在三维空间里 , 我们给网球拍或者任何一个物体建立一个三维直角坐标系 。 我们以网球拍为例 , 这三条坐标轴分别是:
X轴平行于球拍网格面 , 与手柄所在的直线重合 。
Y轴平行于球拍网格面 , 与X轴垂直 。
Z轴垂直于球拍网格表面(XOY平面) 。
那么球拍就有三种旋转防方式 , 分别绕着X、Y、Z三条相互垂直的轴线 。 在实际旋转过程中我们会发现 , 这三种旋转方式的难易程度不一样 , 也就是转动惯量不同 。 我们会发现:
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