为什么天体大多都是球形?其实是两种力对决的结果

为什么天体大多都是球形?其实是两种力对决的结果
天上的星星长成一个样儿 其实是两种力“对决”的成果  身边的天文学  李 鉴  或许咱们很多人都猎奇过,为什么天体大多都是球形?  这首先要从水滴说起。水滴为什么总是球形?这是由于水的外表就像一张紧绷的有弹性的薄膜,假如把一根针悄悄地平放到水面上,能够发现尽管它的密度比水大得多,但并不会沉下去,而是将水面压出一个小凹槽,浮在上面。水外表的这层“薄膜”发作的张力,稳稳地托住了钢针。液体的外表张力,总是使得水滴趋向于使其外表积最小的形状,也便是球形。  球形对应着液滴外表势能最小的状况,而势能最小时,体系最安稳。这被称为“最小势能原理”:对任何一个体系,假如它的势能没有到达“最小”,它总要设法改变到其相对最小的势能方位。  电磁力使固体坚持“身段”  那为什么像岩石、铁块这样的固体,就算放到失重环境下也不会成为球形呢?这涉及到微观世界里起首要效果的两种力:电磁力和引力。正是它们刻画了物体的形状。  在微观标准中,首要效果力是电磁力。咱们熟知的摩擦力、磁铁吸附铁片的力、桌子支撑书本的力都是电磁力。和液体比较,固体里分子的距离很小,分子间的电磁力很大(且引力与斥力平衡),所以固体能坚持必定的形状和必定的体积,不易变形。  而物体遭到的重力,则是来自于地球的引力。在微观和微观层面,电磁力要比引力强得多,咱们以一个边长为10厘米的正方体石块(密度取为2.5克/立方厘米,总质量为2.5千克)为例,来对电磁力和引力做个比较。  石块内部的分子经过电磁力构成化学键,然后得以集合在一起构成固定的形状。一起,石块里的每个分子都会对其他分子发作引力。但这颗石头分子聚合发作的引力要小于电磁力,所以石块本身的引力是不或许损坏化学键而使它发作显着变形或决裂的,此刻电磁力对石块的形状起了决定性效果。  假如把石块的巨细添加到边长为10千米,它的总质量将到达1015千克的量级。这时,跟着石头质量的添加,它的每个分子的均匀自引力势能也将添加,由于分子之间的电磁力依然坚持不变,所以现在石块的自引力势能与化学键结合能之间的不同就大为缩小了,但还差7个数量级,形状依然是个立方块,不会遭到任何影响。但此刻的石头现已到达了岩石的抗张极限,大约会被地球引力撕裂,散成碎块,这也是为什么地球上的山峰高度都没有超越10千米的原因。  引力让大质量天体成为球形  假如持续添加石块的质量,让它成为现在的地球,将会发作什么情况?  这时引力与化学键电磁力角力的成果将会回转。引力将打败化学键电磁力成为操纵,这块岩石从里到外,会在本身引力的效果下被压碎,不可避免地会发作变形。那么它会变成什么形状呢?  依据“最小势能原理”,它会变成一个球。这时它的中心或许会由于高温高压而电离、熔融(地球就有一个固态内核和液态外核),发作更强壮的能与引力相抗衡的电磁力,但不再是此前的化学键电磁力。在这个标准,引力所起的效果和液滴的外表张力有点相似,坚固的岩石在它面前也变得如面团般柔软,引力会把它刻画成为引力势能最小的形状——球形。  尽管地球这样的行星都适当挨近球形,但也并不是完美的球。这是由于球体的自转发作的惯性离心力,在赤道邻近最大,南北极最小(等于零)。导致的成果便是南北极要比赤道更平,星体成为一个椭球状。这在自转较快的气态巨行星木星、土星上体现得适当显着。  也有天文学家提出,假如天体的自转足够快,终究的形状或许并不是椭球,而是一个环,也便是像甜甜圈那样的形状。由于自转很快时,环形的能量或许要比椭球更低,因而也更安稳。不过,现在还没有真的观测到这样的天体,这依然仅仅理论估测。(作者系北京天文馆研究员)


这是水淼·WordPress站群文章更新器的试用版本发布的文章,故有此标记(2019-10-16 17:00:44)

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注