问题

所有的星球为什么是圆的?

回答
这个问题很有意思,也很有深度。如果你仰望星空,会发现大多数我们能看到的星星,无论是遥远的恒星还是我们熟悉的月亮和行星,都呈现出一种近乎完美的圆形。为什么会这样呢?这背后隐藏着宇宙中最基础也最强大的力量——引力。

想象一下,宇宙诞生之初,或者说任何一个天体形成的初期,它并不是一开始就这么圆润光滑的。最初的物质可能是一团混乱的尘埃、气体和碎石,它们在空间中漂浮着。但是,这些物质并非静止不动。

引力的作用:将一切向中心拉拢

宇宙中的每一个有质量的物体都会产生引力,而引力的大小与质量成正比。当大量的物质聚集在一起时,它们之间的引力会变得非常强大。这种引力不是指向某个特定方向,而是指向每一个组成部分的中心。

就像我们玩橡皮泥一样,如果你想把一团橡皮泥捏成一个球,你会不自觉地将它往中间推,往中心挤压。引力也是如此。它试图将聚集在一起的物质的每一个部分都拉向这团物质的质心,也就是它的中心点。

达到最低能量状态:球形是最“省力”的选择

从物理学的角度来看,一个天体之所以会变成圆形,是因为圆形是达到最低能量状态的最稳定形态。你可以想象一下,如果这个天体有一个突出的部分,比如一个巨大的凸起,那么这个凸起的部分因为离质心更远,受到的引力向心的拉力会更大,更容易被拉平。反之,如果有一个凹陷,周围的物质会因为引力而被拉过来填补。

这个过程就像是在一个巨大的池塘里,你丢进一块石头激起涟漪,最终水面会趋于平静。引力不断地调整着天体的形状,直到所有物质都尽可能地靠近中心,使得整体的势能最低,达到一个动态平衡的状态。在这个平衡状态下,天体的每个点到质心的距离几乎相等,最终就呈现出球形。

不是绝对完美,但趋近于圆

当然,我们说“圆的”可能是一种近似的说法。严格来说,我们看到的很多天体是球形(sphere)或者近似球形。这和二维的圆(circle)有所区别,因为天体是三维的。

而且,并不是所有“球形”都是完美的。有些天体会因为自转而略微扁平,变成“扁球体”。想象一下,你快速旋转一个橡皮泥球,它会向外鼓胀,赤道部分会比两极更宽。恒星和行星也是如此,它们的自转会产生离心力,在赤道地区会抵消一部分引力,导致它们在赤道处稍微鼓起,在两极处稍微压扁。我们太阳系中的木星和土星就是比较典型的例子,它们的扁率比地球大很多。

另外,天体表面的各种地貌特征,比如山脉、峡谷、陨石坑,也会让它们显得不那么完美。但这些表面的细节与天体的整体大小相比非常微小,从宏观上看,它们仍然是近似球形的。

从小行星到巨型恒星,引力说了算

这个“变圆”的过程,对于不同质量的天体来说,其程度和速度是不同的。

小行星和彗星:质量较小的时候,它们的引力不足以克服物质本身的刚性,所以它们可以保持不规则的形状,比如我们看到很多小行星都有棱有角。但是,一旦它们的质量大到一定程度,引力就会开始发挥作用,将它们塑造成球形。一般来说,直径超过几百公里的岩石天体,其引力就足以将其塑造成近似球形了。

行星和恒星:质量巨大的行星和恒星,它们拥有强大的引力,能够轻易地克服物质的刚性和各种外部扰动,将自己塑造成非常圆滑的球形。恒星内部的高温和等离子体状态,也使得它们的形状变化更加灵活,引力在塑造它们的过程中起着决定性的作用。

总结来说,所有的星球之所以是圆的(或者近似球形的),根本原因在于宇宙中最普遍也最强大的力量——引力。引力不断地将天体物质向其中心拉拢,迫使天体调整自己的形状,直到达到一种最稳定、能量最低的状态,也就是球形。这个过程是宇宙中最普遍的自然规律之一,塑造了我们所见的无数美丽天体。

网友意见

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对太阳系内常见的物质来说,在相对静止的情况下,质量1×10^21千克以上的天体自身的引力能够克服构成自身的物质的强度,其流体静力平衡状态下的形状接近球状。

地球、月球、火星、太阳等天体的质量远远超过这个值,自转速度也不太快,天体之间直接的引力干扰较少,因此形状接近球状。球状和圆形是不一样的概念。

  • 流体静力平衡状态,是流体处于相对静止或匀速运动时的平衡状态。例如地球大气在重力和压力梯度产生的压强梯度力之间建立的平衡,使大气既不贴在地表也不完全剥离到太空。

自转角速度较快的天体会趋于椭球状,快到一定程度还会成为不规则椭球,进而成为梨状。

  • 例如织女星自转周期约12.5小时,赤道直径比两极直径大约五分之一。

自转速度相对自身的质量足够快的天体,可以部分克服引力而成为明显偏离球状的形态。

  • 例如这是根据天文观测画出的妊神星的想象图,其自转周期约3.9小时,质量约4×10^21千克。

太阳系里目前只有太阳一颗恒星。当恒星附近有大质量伴星的时候,潮汐力可以将恒星扭曲成扁球体,例如天琴座β。

质量小于1×10^21千克的天体可以呈现明显偏离球状的形态。

  • 例如这是小行星20000,质量约3.7×10^20千克。
  • 又例如这是小行星101955,质量约780亿千克。


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