人们常常对天体几乎是球形这一事实感到困惑。 其实不仅天体是球形的,一滴水、一个原子、一个基本粒子也是球形的。 这是由于万有引力的作用。
早在300年前,牛顿就发现了万有引力。 这是存在于世界各个角落的四大基本力之一,也是人类发现最早的基本力。 后来,人们又发现了电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。
现在也有人提出,可能还有第五种基本力,它是由暗能量传递的。 但到目前为止,这第五种力量还只是处于探索和争论的状态,并没有确凿的证据。 我们不会在这里讨论它。
我们现在所知道的四种基本力都是以质量为基础的,并且与质量密切相关。 万有引力定律的表达式与质量乘积成正比,与距离的平方成反比。
公式为:f=gmm/r^2。
这里,f是引力值; m 和 m 是两个相互作用物体的质量; g为万有引力常数,取值g=6.67×10^-11n·m²/kg²; r是相互作用物体之间的距离。
通俗地说,物体的质量越大,引力越大; 物体之间的距离越远,引力越小。
那么重力究竟是如何使这些物体呈球形的呢? 让我们一起努力。
任何物体的引力都是从质心发出的。
所以,不仅是行星,还有人、一块糖、一滴水,引力都是从这些物体的中心点发出的,这说明中心发出的引力产生的力是一样的在所有周围的材料上。 在距离相同、质量相同的情况下,引力是相同的,所以所有的引力物质都会向中心靠拢,密密麻麻地聚集在一起,达到平衡。
当然,引力是我们这个世界上最弱的力,也是作用最远最长的力。
说是弱,引力弱到强的10^-39倍。 也就是说,如果强力为1,则引力为1000万亿万亿万亿万亿倍。 电磁力是强力的1/137,弱力是强力的1/10万亿,比引力强多了。
但说到有效距离摆脱地心引力的幻想,重力是老大,可以无限远。 即使到达地平线(宇宙的边缘),它仍然存在。 别说星球了,就连你我,还有他的引力都还存在。
只是因为引力太弱,即使近距离也很难探测到小质量物体,更不用说地平线了。
更何况我们的宇宙充满了天体和物质,引力相互干扰。 地球的引力影响范围只有150万公里。
与引力相媲美的是电磁力,其影响也是无穷大的。
强弱之力可悲,强之力的射程只有10^-15米,也就是0.0001米,千亿分之一米; 十亿分之一米。
因此,强力和弱力只在微观原子级以下的范围内起作用,而电磁力和引力更多地在宏观现象中起作用。
电磁力表现在日常生活的方方面面,而引力在天体运动中更为突出。
本质上,引力就是对自身周围的一切事物施加一个平均的力,所以只要距离相等,就会在引力源周围形成一个球。
引力本身是一种很弱的力,但物质具有刚性和流动性。 刚性物质由于自身的硬度,可以在一定程度上抵抗重力。 因此,当天体质量不大时,引力无法将刚性物质拉成球形,因此小行星会出现不规则状态。
但是流体和半流体就不一样了。 例如,一滴水也是球形的。 但是这滴水滴在太空中没有重力的状态下只会是一个完美的球形,但是在地球上,由于地心的引力,这滴水滴的引力无法与地球的引力相抗衡。一点土,就会变成水滴状或扁平状。
但当天体的质量很大时,引力足以克服物质的刚性,成为球体。 太阳系的八颗行星就是这样,还有一些体积稍大的矮行星和卫星。
国际天文学联合会对行星和矮行星的定义是,它有足够的质量以自身引力克服刚体力,因此可以呈现流体静力学平衡形状(接近球体)。
那么多大的天体可以克服刚体力呢? 这个“大”是不是跟直径和质量更相关?
根据万有引力定律,万有引力只与质量有关,与直径无关。
但同样质量的天体,直径越大,密度越小,相对来说刚体力也越小,所以应该也和天体的球形有一定的相关性。
天体必须有多少质量才能克服刚体的力而变成球体,目前还没有准确确定。 这里提供两个天体的数据作为参考。
一个是灶神星,这是迄今为止发现的太阳系中质量最大的小行星。 它属于位于火星和木星轨道之间的主带小行星。 它的直径约为500公里,质量约为2.7×10^20kg,约合27亿吨。 但是这颗小行星还是土豆的形状,没有变成球体,所以只能归类为小行星,达不到矮行星的标准。
另一个是谷神星,直径约950公里,质量约9.43×10^20kg,即94.3亿吨,约为灶神星的3.5倍。 这颗恒星的形状是球形的,因此被列入矮行星行列。
从这两个天体的情况来看,天体可以克服所谓的刚体力,呈现流体静力平衡的球形或近球形。 要求的质量应该在2.7×10^20kg以上,准确的说应该在3×10^20kg~9.43 x10^20kg之间。
但这通常具有统计意义吗? 时空通讯无法保证,因为如前所述,宇宙天体的情况复杂多变,难以一概而论。
但是一旦质量达到很大的量,它就一定是球体,所有的恒星都是球体就是一个例子。
解释一下,所谓克服刚体力而成为静水平衡的球体,并不是一个完美的球体。
一些较大的天体,从远处看是球体,实际上并不是球体。 由于其自转的离心力,赤道的直径往往比两极大,呈扁球形。
地球就是这样,但扁率很小。 赤道长半经为米,两极最短半径为米。 扁率仅为 1/298.256。
气态行星的扁率会更大,因为离心力会使赤道处的流体甩掉更多,赤道的长半径和极点的短半径相差5000公里,平面度达到1/10。
此外,球形不完美还包括行星表面不平坦、凹凸不平、布满山峰和深沟。 比如地球上的珠穆朗玛峰,还有8000多米高。 然而,这个高度只有地球直径12756公里的1/6000左右。
质量越大、直径越小的天体,引力越大,表面的引力越大,球体就越“光滑”。 也就是说,在重力更大的星球上,一座山更难拔地而起。
这个中子星可以给我们做个对比。
中子星是一种质量超过太阳 8 倍的恒星,是超新星爆炸后留下的尸体。 任何一颗中子星的质量至少是太阳的1.44倍,但它的半径却只有10公里左右。 它强大的引力使它上面的物质密度达到每立方厘米1到20亿吨。
也就是说,地球上所有的人类(超过70亿)在到达中子星时都会被压缩到蚕豆大小以下。
在中子星上,只有逃逸速度达到光速的一半摆脱地心引力的幻想,即每秒15万公里的速度,才有可能脱离中子星。
在如此极端的引力下,中子星不仅是圆形的,而且几乎是一个完美的球体,因为它表面的物质很难凸出,会呈现出异常光滑的镜面。
这种镜面绝不是我们地球上的镜面。 地球上的镜面在显微镜下会呈现出粗糙的外观。 在中子星上,再大的显微镜也看不出这镜面上有什么破绽。
在刘慈欣的《三体》科幻小说中,三体男送来的武器“水滴”就是用类似的材料制成的。 “水滴”坚不可摧,坚硬无比。
在中子星上,1毫米的突起比创造珠穆朗玛峰要困难得多。
因为中子星上不仅没有分子,连原子都被压碎了。 电子被压入原子核,并与质子合并形成中子。 它们与原始原子核中的中子一起,密密麻麻地堆积在一起。 整个星球只有一颗大恒星。 中子核。
原子都没有了,还有什么能凸出来的呢? 难怪它不是比镜子更光滑的行星。
物质质量收缩到自己的史瓦西半径后,引力不再微弱,而是无穷大。
任何物体都有自己的史瓦西半径,而史瓦西半径的大小也与质量成正比。 计算公式为:r=2gm/c^2
式中,r代表史瓦西半径; g是引力常数; m是物体的质量,c是光速。
根据这个公式,太阳的史瓦西半径约为3000米,地球的史瓦西半径为9毫米。
但是对于任何要压缩到其自身质量的史瓦西半径以内的物体,都需要极高的引力。
在自然界中,只有大于30倍太阳的恒星,或者大于3倍太阳质量的中子星,才能坍缩到史瓦西质量半径内,然后才会变成黑洞。 在这个 半径内,连光都逃不掉。
在这种曲率无限大的情况下,球体已经没有了,中心只有一个无限小的奇点。
有黑洞无毛说,就是说黑洞里面什么都没有,我们只能从黑洞外面观察到质量、角动量、电荷等几个基本物理量。
以上都是万有引力。 引力试图让这个世界上的一切都变成球形,最终消失。
宇宙末日论之一的大挤压理论认为,在引力的作用下,当宇宙膨胀达到临界点时,会开始收缩,最终导致宇宙坍缩回奇点.
宇宙从一个无限小的奇点开始,又回到一个消失于虚无的奇点,引力最终将一切都抹去。
就这些,欢迎讨论。
时空通讯关注普通人的科学话题,感谢广大粉丝朋友一直以来的关注、支持和厚爱。