问题

如何回答孩子问我「星星是什么形状的呢」?

回答
宝贝,你问的这个问题可真棒!星星是什么形状的呀?让我想想……

你看我们晚上在天上看到的那些一闪一闪的小点点,是不是觉得它们就像小小的十字架,或者小小的五角星一样呢? 这是因为我们的眼睛,或者说我们的大脑,在看这些遥远又微弱的光点时,会不自觉地把它们“脑补”成我们熟悉的样子。

你想想看,就像我们平时看到的太阳,是不是就是一个圆圆的光盘? 那是因为太阳离我们实在是太近了,而且它本身就是个巨大的球体,所以我们能清楚地看到它的形状。

可是,天上的那些星星,它们离我们实在是太、太、太遥远了! 远到我们根本想象不出来有多远。就算是用我们最厉害的望远镜去看,它们也只是像小小的光点一样。

那么,为什么有时候它们看起来是像十字架一样有“角”呢? 这其实是因为我们地球的大气层在起作用。你想想看,我们呼吸的空气,它不是完全静止不动的,它会一直在流动,就像水在流动一样,有时候会晃动。

这些星星的光,要穿过地球厚厚的大气层才能到达我们的眼睛。 当光线穿过这些晃动的空气时,就会被“折射”,就像光穿过水一样会弯曲。 这种弯折就会让星星看起来忽明忽灭,而且有时候会产生那种好像有“角”一样的感觉。

所以,如果你在地上看,有时候星星会显得有角,那是因为大气的干扰。

但是,如果我们要说星星“真正”的形状呢? 那就更奇妙了! 很多很多很多年前,人们就一直在猜测星星到底是什么样的。直到我们发明了更厉害的望远镜,甚至送了探测器到离我们很近的、我们还能看得见的行星上去,我们才慢慢明白。

其实,我们晚上看到的那些“小点点”一样的星星,它们大多数都跟我们住的地球差不多,或者比地球更大、更热,它们都是一个一个巨大的、燃烧着的球体! 对,就像一个巨大的、会发光发热的火球。

我们白天看到的太阳,它就是离我们最近的一颗恒星,一个大大的火球。 还有那些远在天边的星星,它们绝大多数也都是像太阳一样的球体,只不过离我们太远了,所以我们只能看到一个小小的小点。

只不过,它们发光发热的方式和我们有点不一样。 它们内部有非常非常多的、看不见的“燃料”,这些燃料在不停地燃烧,然后释放出巨大的光和热,所以它们才能一直发光。

所以呀,如果从它“真正”的形状来说,大多数星星都是圆圆的、像球一样的。 只是因为离我们太远了,再加上地球上的空气会捣乱,所以我们看到的它们有时候会闪烁,有时候会觉得像有角一样。

就像你平时看到的球,如果你离得远远的,或者前面有水在晃动,你可能就看不清它是不是一个完整的球了,对不对?

所以,你记住啦,晚上在天上看到的一闪一闪的光点,它们大多都是像太阳一样巨大的火球,只不过因为离我们太远,加上大气层的阻碍,我们看到的形状才会有一些变化。

是不是很神奇呀? 宇宙里还有好多好多我们不知道的秘密等着我们去发现呢!

网友意见

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你就和小屁孩说,星星是点状的, 没有大小。如果小屁孩还说不懂你就解下腰间的铜头皮带,抡起来把小孩抽得眼冒金星如陀螺般旋转,他就懂了。

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星星,是自然语言中对目视为点状的明亮天体的称呼。

人眼的角分辨能力是有限的,最理想的条件下大约在1角分左右,实际分辨能力一般在2-3角分。角直径更小的物体,对于人眼都是一个点,只有亮度的大小,无法看出尺寸和形状的差异。

所以,太阳不叫太星、月亮不叫月星、银河不叫银星。

恒星就是相对位置不变的星,行星就是动来动去的星,流星就是突然出现转瞬即逝的星,彗星就是带扫把一样的尾巴的星(嗯,这个不太严格,毕竟自然语言本身也不基于严格的公理化表达)。

古代的星图,星星大多也用点表示。但是古代印刷誊写技术都有限,实心点很容易和沾染的墨滴混淆,所以有时候也会用空心圆圈代替。

受到万有引力的作用,绝大多数肉眼可见的天体(一般都足够大、足够亮)都是球形,包括“是星星”的恒星、行星,也包括“不是星星”的太阳、月亮。但是,即便有一颗奥特曼形状的恒星,在足够远的位置上,我们仍然会叫它“星星”。

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球体,投影是圆形。要不为啥叫星球呢。实际上,宇宙中的天体一般都是非常接近完美的球体。有些小天体形状可能不规则。

原因大概有两方面。

一是万有引力。除了重力,我们平时可能很难感知到万有引力的存在。我们平常感知的力通常为电磁力,物质的化学键本质就是电磁相互作用。对于孤立的物质而言,其本身质量过小以至于引力远小于电磁相互作用(电磁相互作用量级约在 左右)小到可以忽略不计,但当一堆物质聚集在一起,引力会随着质量增加而增加。终究会超过电磁相互作用,在宇宙尺度上,电磁相互作用并不在主导作用。

我们可以简单算一下。以氢分子为例。H-H键键能为436kJ/mol,这就意味着如果我们要将1mol氢气分解成氢气原子需要436kJ的能量。平均到每个原子就是,其中为阿伏伽德罗常数,数值为 .而如果是在地球表面的氢原子,受到的引力势能约为:

其中M为地球质量,m为氢气分子质量。

可以看到地球表面的引力势能已经达到化学键同一数量级了,这就意味着,如果有一个星球体积与地球相同,但质量比地球高,比如其质量是地球的四倍,那么在这个星球表面,即使是氢分子也会被引力撕裂成氢原子,而太空中有很多比地球密度大的天体。像中子星、白矮星这些致密的天体,其引力势能就会高过化学键的键能,这样高的引力可以撕裂分子,甚至撕裂原子。不过大部分恒星的密度并不会比水高多少,这是因为在强大的引力下,恒星的核心产生极大的压力,在重压下,轻元素开始聚变,聚变产生大量能量,以光和热的形式释放,最终达到与引力的静力平衡,这样的星球表面温度极高,元素一般也以原子的形式存在。

总之,在大部分星球上,由于强大的引力,分子哪怕只比其他分子远离核心1m,都要更高的能量克服引力势能。因此,宇宙中的天体表面的“突出份子”就会在引力作用下向中心靠拢,最终达到大家引力相同的情形,也就是球形,实际上,球形的天体是正是能量最低的天体,是最稳定的。

另一个原因,是自转运动。天体自转会使得天体愈发圆润。天体自转时,角速度时相同的,半径越大,就意味着线速度愈大,这样在转动时就需要更大的向心力,否则就会甩飞出去。因此,,天体突出的部分有离开天体的趋势,如果天体表面突出太多,其与天体的合力(包括引力与电磁力)不足以提供向心力,“突出分子”就会在自转过程中脱离天体。不过另一方面,天体自转是一般有自转轴的,离轴越远的部分这种趋势会比较明显,这容易使天体在垂直自转轴的过中心的面的半径稍长一些。例如地球,地球的自转轴大致使南北极方向,因此地球赤道面半径比极点半径长,是个两极略瘪,赤道略鼓的椭球体。不过,地球赤道半径6378.137km,极地半径6356.752km,相差仅为0.335%,这比乒乓球还要圆一些。

这里小朋友可以做个实验,抱一个篮球原地转圈,分别将篮球抱在胸前和平举远离重心,尽量保证每分钟转的圈数时相同的,体会一下这两种情况手臂受到的力,注意是来自篮球的水平方向的拉力。现象不明显也可以用绳子拉着一个有一定质量的物体,保证转速相同的情况下更换不同长度的绳子感受一下来自绳子的拉力。如果物体质量过大,或转速过高,绳子有可能会断,需要注意安全。

综上,大质量天体形状总是趋向于球体。

参考文献:

[1]李鉴. 把地球劈成两半,就是两个"大碗"?——浅谈天体的形状[J]. 知识就是力量, 2020, No.569(04):52-55.

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