问题

为什么好多天体最终变成了球体,而不是别的形状?

回答
这是一个非常有趣的问题,涉及到天体形成过程中非常基础且重要的物理原理——引力。简单来说,是因为引力具有将物质向中心拉扯的特性,而球体是物体在自身引力作用下最稳定、能量最低的状态。

下面我将详细解释这个过程:

1. 引力的核心作用:向中心吸引

万有引力定律: 艾萨克·牛顿的万有引力定律告诉我们,宇宙中任何两个有质量的物体之间都存在着相互吸引力。这个力的大小与它们的质量乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比。
宏观物体与引力: 当我们在谈论天体时,我们指的是具有巨大质量的物体,例如行星、恒星、小行星、卫星等等。这些巨大的质量意味着它们之间产生强大的引力。
向质心的吸引: 对于一个由大量物质聚集而成的天体,它的引力会将所有的物质都向其“质心”(也就是质量的平均中心)拉扯。想象一下,天体上的每一个粒子都在被其他所有粒子以引力拉向一个共同的中心点。

2. 为什么不是其他形状?

让我们考虑一下如果一个天体不是球形,而是例如立方体、圆盘或者不规则的形状,会发生什么:

物质的分布不均: 在一个非球形的天体上,距离质心的远近是不均匀的。例如,在一个立方体形状的“天体”上,角上的物质会比中心表面的物质离质心更远。
引力的作用更加强: 那些离质心更远的部分,会受到更强的向心引力。这股力会试图将这些较远部分的物质拉近质心。
不稳定性和重塑: 这种不均匀的引力分布会导致天体处于一种不稳定的状态。离质心较远的部分会受到更大的拉力,倾向于被拉向中心。而离质心较近的部分,则会相对“放松”一些。
趋向最低能量状态: 自然界的规律倾向于让系统趋向于最低的能量状态。对于一个受自身引力作用的天体来说,最稳定、能量最低的状态就是所有物质都均匀地分布在距离质心相同的距离上。

3. 球体的优势:完美对称和最低势能

距离质心的均匀性: 球体是一种非常特殊的几何形状,它的所有表面点都 equidistant(等距离)于其中心。这意味着,在一个完美的球体上,所有物质感受到的来自质心的平均引力是均匀的。
平衡点: 当一个天体变得足够大,以至于其自身引力足以克服构成它的物质的内部抵抗力(例如岩石、冰的强度)时,引力就会开始“塑造”它。引力会不断地将任何突出的部分拉向中心,同时将任何凹陷的部分填满,直到形成一个尽可能均匀分布的球体。
势能最低: 从物理学的角度来看,球形是物体在自身引力作用下达到势能最低的状态。想象一下,如果你的手中有一些松散的沙子,你可以将它们捏成各种形状,但如果你让它们自由落下,它们最终会聚集成一个大致的球形(如果数量足够多的话)。这是因为球形能够最大程度地将物质聚集在一起,减少了物质之间的平均距离,从而降低了总的引力势能。

4. 什么情况下天体不是球体?

虽然球形是大多数大质量天体的最终形态,但我们也能看到一些不是球体的天体,这主要取决于它们的质量和内部结构:

质量太小: 对于质量非常小的天体,例如许多小行星和彗星,它们的引力非常弱,不足以克服构成它们的岩石和冰的内部结构强度。因此,它们可以保持各种不规则的形状,就像“碰巧”组合在一起的碎片一样。例如,土豆形状的小行星是常见的。
自转速度过快: 如果一个天体自转速度非常快,离心力可能会抵消一部分向心引力。这会导致天体在赤道区域向外膨胀,而在两极区域相对扁平,形成一个“椭球体”或“扁球体”,而不是一个完美的球体。土星和木星就是很好的例子。
外力影响(非常罕见): 在极少数情况下,与其他大质量天体的强烈引力作用(例如潮汐力)可能会导致天体变形。但这通常发生在紧密的双星系统或行星靠近巨型黑洞时,并且变形也有限度。

总结

总而言之,天体最终变成球体,是因为:

1. 引力是支配性的力量: 对于足够大的天体,其自身引力会压倒其他作用力。
2. 引力向中心聚集: 引力将所有物质拉向质心。
3. 球形是最稳定的状态: 球形是物质分布最均匀的状态,此时天体处于最低的引力势能,因此是最稳定、最容易维持的形状。

所以,下次你看到行星或恒星时,可以想象它们在数十亿年的演化中,是其强大的引力将它们精心雕琢成了我们今天看到的完美球体(或接近完美的球体)。

网友意见

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假设现在有一颗星

它觉得所有星都特么是个球简直太SB了,于是它把自己整成了个正方体。

接着喜闻乐见的BUG开始了...

如果说正方体的体心到面心的距离是R的话,

那么正方体的的体心到顶点就是根号3倍的R。

也就是说顶点离星球的中心更远了,引力势能要大于面心的引力势能。

要知道整个宇宙都是些懒家伙,能在低能量的状态呆着的时候就绝不愿意在高能量的状态呆着。

正方体星同学寻思着这耍个性的代价有点高,于是伸个懒腰开始把顶点附近的物质慢慢往面心附近捏。顶点慢慢往里面凹,面心慢慢往外凸。

什么?没有手怎么捏?

好问题,我们知道万有引力定律,说的是行星上每一块石头每一块泥巴都对你有一个引力。而所有石头泥巴的引力的矢量和就是行星对你的引力。

这样对一个正方体的表面来说,引力的方向并不会是处处垂直向下的。比如你站在面心靠左一点的位置,这样你的右边就会比左边有更多的石头泥巴。这样加起来的引力就会有一个分量把你往面心那边推。

所以引力就是捏泥巴的手。

什么?行星上是固体物质,固体形状不能随便改变?

要知道, 固体形状不能随便改变这点小脾气,遇到质量足够大的行星时就是个战五渣了。

我引力作用高兴怎么捏怎么捏。

而正方体君会一直捏一直捏一直到不能再继续减小引力势能了为止。

于是当正方体君心满意足地停止捏泥巴后,

他发现自己特么的变成了一个球。




或者:我可以用理论物理的高贵冷艳调调告诉你:

球对称的方程得到球对称的解这是理所当然的哼~!

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这个问题其他回答已经说的很清楚了,一颗行星如果质量超过一定限度,就会在自身引力作用下形成球形。但是,这里还有一些更加有趣的东西:其实大行星可以是其他形状的。

从地球开始说吧。严格的说,地球并不是一个球形。由于自转的影响,地球是一个椭球体,赤道半径比极半径大约20公里。如果你在观察细致一点,会发现它的南北极也不对称。不过,这点细微的差别和我要讲的东西没有关系。



如果我们让地球自转的更快,它就会变得更扁。

当然,地球现在并没有,将来也不太可能转这么快。对于宇宙中的不计其数的类地行星来说,这个可能性是存在的——也许由于其他天体的撞击,也许住在上面的外星人想把自己的行星变成一个旋转木马。我们还是继续折腾地球吧。

继续提高自转速度。

也许你会觉得有点无聊:就算我们能把地球转成一个扁扁的盘子,甚至最后让它四分五裂,也没有什么稀奇的地方。不要着急,好戏马上就开场了。

当自转周期达到一定的极限值,比如,3小时/周,神奇的现象出现了。

地球中间会出现一个洞。也就是说,地球变成了一个甜甜圈的形状。这个洞出现的原因,和多数天体收缩成球形的道理一样,是为了达到引力势能的最小化。当地球变得足够扁的时候,中心的物质引力势能比较大,它们就会自然而然的向旁边运动,留下一个空洞。

甜甜圈地球并不只是我们坐在这里异想天开的结果。对于高速自转形成的环状天体,天文学家从牛顿力学到相对论等各方面进行了分析和模拟。我想他们也希望有朝一日能在宇宙中发现活生生的甜甜圈行星。

如果我们就住在这样一个甜甜圈地球上,会有什么样的体验呢?

首先,一个昼夜只有不到3个小时。白天的一个半小时里,你会看见太阳在天空疾驰而过。夜晚,你会看到漫天的繁星用可以觉察的速度在夜空中转动。不过我估计你不会因为转得太快而头晕,毕竟这个角速度只有国际空间站(90分/周)的一半。

如果你站在内环,可以在头顶看见内环的另外一面。想象一下,大地从你脚下向前延伸,同时逐渐升高到天空,最后从你身后落下。看着头顶的山川大海,这是怎样一番惊人的景色。

图片来自

i.imgur.com/zhnFPxl.png

视觉效果和上面的Halo艺术图比较相似,但是甜甜圈地球应该比它粗得多。

在一年的大部分时间里,内环是没有黑夜的。即使在太阳不能直接照射的地方,内环的另一面也能把阳光反射过去,让它亮如白昼。

和球形地球相比,甜甜圈地球的质量比较分散,这导致它的表面重力比较低。更重要的是,在不同的地区,重力差别很大。在外环的赤道部分,重力最小;内环赤道重力稍大;而在上下两面(南极和北极地区),重力最大。不同地区重力的最大差别超过1倍。

由于重力的差异,不同地区的动物和植物的大小都不一样,甚至人类也会演化出巨人和矮人这样的亚种。但是,这也将对全球贸易造成极大的困扰。我无法想象人们怎样称量远洋轮船运过来的货物以及设定价格。估计这个世界只能使用基于秤砣的技术了。

甜甜圈地球的卫星轨道也十分有趣。首先,传统的椭圆形开普勒轨道仍然可以存在,不过只能局限于很小的范围:卫星只能在比较远的距离上运行在赤道面上。

你也许从来没有想象过,卫星可以保持静止(相对于它的行星)。在甜甜圈地球上,这是可能的。不难看出,圆环的中心位置是一个拉格朗日点。也就是说,这个点上受到地球各部分引力的合力为零。理论上,一颗卫星可以停留在在这个位置上保持不动。


遗憾的是,即使是甜甜圈地球的居民也没有运气欣赏到这种天文奇观,因为这是一种非常微妙的平衡状态,换句话说,一种不稳定的状态。一点点轻微的扰动就会把卫星从这种状态中推出去。运气不好的话,卫星就直接撞到地球上去了。

所以,动起来才是保持稳定的最佳策略。下面是一个能够稳定存在的卫星轨道。

一颗在圆环中心上下跳动的卫星,不知道会不会给开普勒和牛顿的计算增加额外的难度。

如果它觉得直线太单调,这颗卫星也可以在曲线上跳动。

甚至像蜜蜂一样跳8字舞。

最后我们来看一个和甜甜圈地球有关的数学问题。你可能听说过四色定理:在一个平面地图上,最多需要4种颜色,就可以保证相邻的区域颜色都不一样。对于地球这样的球体表面,四色定理仍然适用。但是,对于甜甜圈地球来说,最多需要的颜色数变成了7种。

下图是一个需要7种颜色的例子。

图片来自

Four color theorem

按照下图的方式,把它折成一个圆筒,再把圆筒两端相接,就得到了一个圆环。这个圆环上有7个国家,每一个都和其他6个相邻。

图片来自

Four color theorem

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补充一些内容。

除了上面的甜甜圈形状的行星,理论上其他形状也是可能的。比如,如果自转速度更快,行星的形状就会变成环形。

图片来自

orionsarm.com/eg-articl

不过这种环形不是稳定的形状,它已经处于崩溃的边缘,即将分裂成更小碎片,各奔东西。

不同的自转状态还可能产生其他的形状,比如相互连接的多个球体。

图片来自

Physics - Viewpoint: The many shapes of spinning drops

以上的奇特形状都来自理论上的分析。实际上我们并没有在宇宙中发现这样的行星,一方面是因为目前对太阳系外行星的探索还处于早期,另一方面,如果这样的行星真的存在,肯定数量也不多。不过,两颗相互连接的恒星都是很常见的。

位于大熊星座的W Ursae Majoris就是两颗相互连接的双星。

图片来自

space-art.co.uk/image.p

产生这种现象的原因可能是本来距离较远的两颗双星逐渐靠近,也有可能是有一颗恒星快速自转而彼此分离(

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)。

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真是个古老的坟…… 被无聊透顶的作业折磨疯了,来折腾一下。

这不是天体物理中最有名的 Fermi Quiz 之一么:今日很多“天体物理导论”之类的课程都会出这个题的。

简单地说,歪七扭八的星体比同体积的球形星体所具有的引力势能更大,从而更不稳定。这里没有考虑旋转,否则能量最低的状态是马克劳林椭球。

对于流体星体(气体、液体、等离子体,whatever),反正都能变形,肯定就奔着能量最低的形态去了。

对于高熔点物质构成的行星和小行星,这个引力势能的差值,如果大到可以把整个星体都融化了,那么这个星体就是球形的。 简单地估算一下,你就知道,当岩石星体半径大约大于 500 公里(或者同一数量级之内的差不多的数值) ,就不太可能继续歪七扭八了。这个数量级得到了天文观测的很好检验:在 小行星中,谷神星差不多是一个分界点,显著比她小的都是土豆一挖一麻袋,她自个儿和跟她差不多大的家伙们 还是挺球的,更大的就更球了。(类似的问题:理论上,地球上最高的山峰可以多高?答案差不多是二十公里,再高的山峰,稍塌下来一些,自己就会被自己塌下来释放的引力势能融化掉。)

反对

@帝哲

的答案,几个例子都有比较本质的错误,从而与原问题无关。

在回答任何问题之前,先搞清楚圆和球分别是什么。

盘星系(包括透镜星系、漩涡和棒旋星系——而不是星云,时至今日,有常识者须区分这几个概念)是个“盘子上的漩涡”,它的盘面的法向是这一团东西的总角动量的方向,与角动量矢量方向平行的运动全部被耗散,而角动量本身无法被耗散,所以成了一个盘子。占了可观测星系数量一半的漩涡和棒旋星系(银河系最近也被认定为棒旋星系而非以前认为的漩涡),怎么看都不像是圆(旋臂和棒哪儿圆了?),更不是球。椭圆星系之所以长个球样儿,是所谓“维里化的”随机运动支撑的(大致就是一窝苍蝇虽然肯绕着中间的苹果转但是就是会乱飞一样)——虽然这本质上有与热运动很相似的地方,也可部分地归结到与星体相似的地方。

水和空气的漩涡…… 倒还有点道理,但详细说,也是角动量守恒、平均化所致。要是水和空气在初始时没有相对于中心点的角动量,也没有科里奥利力捣乱,它们就冲着中间去了,哪儿还转悠啊。

至于磁场,无力吐槽了…… 那是个偶极啊兄弟。小磁针和铁粉沿着磁力线(对,就是磁力线,磁感线弱爆了,等离子物理,谁学谁知道 )排布是其能量最低的形态,而一个偶极附近的磁力线,就长这样了。

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