為什麼宇宙能毫不費力地造出這麼多圓球?

2021-02-18 大科技

宇宙中圓球泛濫

對於人類來說,也許造一個長方體要比造一個圓球更容易,長方體的柜子、長方體的機箱、長方體的紙箱……但是要把一塊金屬或紙箱做成圓球形的,那就不容易了。

可宇宙卻好像是製造圓球的行家,宇宙中的星球幾乎都是圓球形的,要想在宇宙中尋找長方體,那是如同大海撈針,至少現在還沒有找到,若將來真的找到了,我們也會認為那是智慧生命製造的。我們周圍的大自然製造圓球也很在行,圓球形的氣泡、圓球形的水珠、圓球形的細胞……微觀世界製造圓球也是不遜色,雖然我們無法看清更微觀的粒子到底是什麼樣的,但是至少我們已經知道穩定的原子核基本是圓球形的……

為什麼宇宙能夠如此毫不費力地造出這麼多圓球?又為什麼宇宙中方形的東西卻少得可憐?

星球為什麼是球形

我們可以來分析一下,宇宙中的星球為什麼是圓球形的,如果是方形會怎麼樣?

地球就是宇宙中的一個星球。在地球上,即使是1千米粗的最堅硬的金剛石柱子也無法高出地面16千米,否則會在重力作用下坍塌。當然,如果把巖石按照正方體一個角那樣的類似金字塔的形狀進行堆建,可以堆得更高,但即使這樣堆建,即使採用抗壓能力很高的花崗巖的話,花崗巖金字塔的高度都不能超過30千米。

由此可見,地球的巨大引力會使得地球表面的物質受到強大的向著地心方向的力。如果地球是正方體形的,那麼它上面距離地心最遠的點就是正方體的頂點,經計算,正方體的頂點就會比周圍高出大約1000千米,而這是不可能的,地球上都不可能存在高於海平面30千米的山脊。

由此可見,正是星球巨大的質量產生的引力才導致物質聚集成圓球形狀,因為引力的方向來自星球的中心,相同引力的點位於同一個圓球面上,只有星球表面物質儘量處於同一個圓球面上時,物質才會穩定地擁擠在一起,相互支撐,不會向中心下落。如果有的物質突出來,就會缺少足夠的支撐,當物質所受引力超過自身碎裂的極限時,突出的物質就會碎裂散落下來,從而突出點也就被引力這樣抹平了。

由此可見,宇宙中的星球表面可以有高低起伏,但這起伏大小就與星球自身的體重和組成物質很有關係了。體重越大的星球,其表面的起伏越小,它就越圓;而體重很小的小行星們完全可以是稜稜角角的大石頭,因為它自身的引力很小。

至此,我們可以明白了,宇宙製造圓球星球,完全是靠引力來自動打磨的,不需要太費功夫,物質分子們會在引力作用下,自動聚集成圓球形狀。要想形成其他形狀,還需要物質爆發出足夠的能量來抵抗引力的打磨作用才行。

當然星球的旋轉產生的離心作用會讓圓球變得有些扁,但基本跟圓球差不多。

氣泡是球形很正常

現在回到我們周圍的自然界,氣泡為什麼會呈球狀?形成氣泡膜的分子們相互之間有一種吸引力,這種分子集體吸引作用就會導致氣泡膜具有收縮趨勢,就像氣球皮容易收縮一樣,這種收縮作用在物理學上叫「表面張力」。正是這種表面張力使得氣泡膜的面積具有收縮到最小的趨勢,而在同樣體積的情況下,圓球的表面是最小的,因此氣泡的形狀是球形的。

水滴為球形或扁球形的原因也是這種表面張力導致的。水滴表面由於與空氣相接,水分子會蒸發掉一些,因此表面的水分子排列比較稀疏,分子間的距離比較大,這就會導致表面水分子之間相互吸引,從而形成了類似氣球皮的水分子收縮面,這層收縮面也會儘量收縮到最小的面積。因此如果不考慮水的重力影響的話,水滴是球形的。在失重的太空艙裡,不僅是水滴為球形,即使是一盆水也會變成一個大水球飄在空中,原因就是水的表面具有表面張力,讓水在體積不變的情況下,收縮到最小的表面。地面上的水滴往往呈扁球形,是水的重力幹擾造成的。

至於細胞為何往往是球形的,我們也就容易理解了。組成細胞的大部分是液體的細胞質,細胞外面往往有一層細胞膜,正是這層細胞膜的緊縮作用導致細胞呈現球形。細胞或微生物雖然都是生命,具有生命的活力,在生物能的作用下,微生物可以呈現出不同的形狀,但是生物最節省能量的形狀就是球形,或者說,生命最懶惰的形狀就是球形,因為那是物質自然的表現,它要變成其他形狀,是很費力的。簡單的微生物通常採用圓球形,而多細胞大個體的生命就有足夠的生命能量來防止自己成為圓球或扁球,它們可以根據需要選擇自己喜歡的形狀。不過它們的身體也往往會與圓掛鈎,例如身體由粗細不同的圓柱或圓錐組成。

那麼這種細胞膜的張力或液體表面的張力,本質是什麼呢?它其實是分子間的電磁力導致的,因此它的本質就是宇宙中四種基本相互作用中的電磁作用。

微觀下的球形也能理解

原子核是由質子和中子構成的,是靠比電磁力更強的核力把諸多的質子和中子們聚攏在一起的。由於核力局限在那麼微小的世界裡,我們對核力的研究還很不充分。但不管核力方向是類似星球的引力那樣向著原子核的中心,還是類似分子間的電磁力那樣存在於兩個粒子之間,與上面的情況類似,它都會讓組成原子核的中子和質子們儘量聚攏成球形。

但原子核在能量較高的情況下也會呈現出不同的形狀。例如:日本科學家發現,「碳-14」的原子核由8個中子和6個質子構成,通常呈球狀,但在高溫下,「碳-14」的原子核竟然可以呈現出三角形的形狀!三角形的三個角分別是由兩個中子和兩個質子構成,剩下的兩個中子在粒子間起連接作用。

分析到這裡,也許聰明的讀者會發現,宇宙中只要存在四種基本作用力,宇宙中的圓球就會泛濫。在這些力的作用下,球形是物質最歡迎的形狀,因為圓球不僅是所有形狀中表面積最小的,而且是所有形狀中,對稱性最好的,以圓球為自己的形狀,是最穩定最不耗費能量的。

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