一個完美的球體放在平面上,接觸面積會為零嗎?答案你不會想到

2020-12-05 探索浩瀚星空

數學中的幾何學是是一門偉大的學問,我們日常生活中的很多方面都要跟幾何學打交道。而從事建築等行業的人們可以說是跟幾何學的接觸是最多的。從我們上小學的時候就開始學習有關幾何學的基本知識,通過學習我們知道了正方形,長方形,圓形等常見的幾何體。

在幾何學中,圓形的球體是非常重要的一類物體,幾何學的很多方面都要跟球體打交道,而球體在宇宙中也有著非常重要的地位,因為大部分的天體都是球體狀,只有一些質量非常小的小行星等天體才會出現其它的形狀。

在平面幾何中,我們知道圓形和直線相切,只有一個交點,這個接觸面積只有一個點。而在立體幾何中,球體與平面相切,也只有一個交點,可見球體與平面接觸,它的接觸面積是非常非常小的。那如果是一個非常完美的球體放在平面上,接觸面積會為零嗎?

如果從宏觀物理的角度,一個完美的球體放在平面上,理論上來講,接觸的地方就是一個面積為零的點。這是我們站在宏觀的角度得出的一個結論,那麼真實的情況是否如此呢?首先我們要明白,在現實世界中,完美的幾何是不可能存在的。

在我們眼裡非常圓的一個球體,它其實並不圓,如果將它放大很多倍,你就會發現這個球體並不是圓,有很多的地方不是圓弧形。只是人類的肉眼無法看到更細微的表現,所以才認為看到的球體是非常圓的。假如未來人類真的做出了一個非常完美的球體,那麼它跟平面的接觸面積真的為零嗎?

其實如果我們將眼光放在微觀世界中,你就會尋找到最終的答案。我們都知道,世界由宏觀和微觀組成,宏觀事物的本質往往需要到微觀世界中去尋找答案,在宏觀世界中,完美球體跟平面的接觸面積就是為零,可是當我們走進微觀世界,你就會發現,物體是由分子,原子等微觀分子組成。

宏觀上再完美的球形或者平面,在微觀視野中都是混亂不堪的。當我們將目光放在球體和平面的接觸點位置,你會看到不一樣的情形,這個時候你會發現,接觸點原子之間其實並不會相互接觸,它們之間似乎有一種斥力,將原子,分子等相互隔開。

因此,從微觀的角度來看,球體跟平面其實並沒有接觸到一起,類似於懸空漂浮一樣。物體之間沒有接觸,自然也就無從談起所謂的接觸面積了。可能有人會說了,難道分子,原子之間真的完全無法相互接觸到嗎?當然也不是,如果給一個非常巨大的壓力,原子,分子就會被迫接觸,從而轉變屬性。

相信大家都聽說過中子星,這是宇宙中密度超級大的一類天體,直徑只有20公裡的一個中子星,其質量就能夠達到太陽的級別。而中子星的密度之所以如何之大,就是因為恆星演化到末期,由於巨大的壓力,恆星中的分子,原子等都被擠壓進了原子核中,最後形成了中子。從某種意義上來講,中子星就相當於一個巨大的原子核。

黑洞跟中子星的形成原理類似,只不過形成黑洞的超大質量恆星末期,粒子被壓縮得更厲害,更徹底,所以形成了更神秘的奇點。根據科學家的研究認為,我們現在生存的宇宙,有可能也是起源於一次奇點大爆炸。

通過微觀層次的觀察,我們明白了完美的球體或平面在現實生活中是不可能存在的。但是站在宏觀的角度,比較完美的球體是存在的,它只是人類有限視野之下的完美。這樣的球體跟平面接觸,會將平面壓到一定程度的變形,會產生一定的接觸面積。

正是由於宏觀和微觀在認知和理論上有很大的差別,所以科學家才無法將二者真正統一起來。在宏觀視野下的理論很多時候完全不適合於微觀世界,而微觀世界中的很多現象也完全顛覆了宏觀的理論,比如疊加態和量子糾纏現象,從宏觀理論上來講,它們是不可能存在的。

當然,存在即為合理,微觀世界中再怎麼超出我們認知,顛覆我們認知的現象存在,那也是符合科學體系的。只不過,由於人類的科技實力有限,在量子力學領域還只是處於起步階段,還處於理論研究探索當中,還沒有真正形成比較完善的量子科學理論體系。

而量子力學是這個世紀最偉大的探索領域,世界萬物的本質,世界的真相,宇宙的真相,人類起源的真相等,或許在未來,我們都需要在量子力學世界中去尋找答案。所以,科學家才積極探索微觀世界的奧秘,它遠比宏觀世界要複雜神秘,讓人們難以捉摸。

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  • 網友問:把完美球體放在平坦的地面上,接觸面積為零嗎?
    從數學角度看,接觸位置是一個點,面積為零;從物理角度看,單個原子無法支撐起整個球體重量,所以接觸點存在形變,接觸面積不為零。完美球體放在平坦的地面上,理論上接觸位置是一個點,但這只是對於理想剛體而言,實際當中不存在理想剛體,於是分為兩種情況。數學上在數學上,不考慮受力情況和物質的微觀組成,一個完美圓和直線相切,切點是一個面積為零的點,切點和圓心連線垂直於切線。
  • 一個的球體與地面的接觸面積真的是接近於零嗎?
    這個問題的答案要成立,必須滿足三個基本的假設:球體和地面是剛體球體和地面絕對光滑球體和地面曲率處處相等簡單說就是要求球體和地面受擠壓不變形,相互之間不存在摩擦力,球體是完美的球體,地面是絕對地平坦。,試想它們如果一方因為相互擠壓而產生形變,比如球體因為重量巨大,使得地面下陷,它們的接觸面積自然不會接近於0。
  • 一個絕對圓的球體放在一個絕對平的平面上,接觸面是不是無限小?
    在數學層面,這種情況就是球體和平面相切,相交處自然是一個點,而一個點是沒有面積可言的,因此你可以認為二者的接觸面積為零。然而這樣的事情不會發生在現實世界因為數學上的球體和平面只是一個單純的抽象的概念,它不由任何物質構成,但現實世界中,不論多麼精密的球體或平面,都是由物質構成的,因而在微觀層面上,光滑是不存在的。
  • 如果把絕對圓的球體放在絕對平的平面上,那接觸面是不是無限小?
    圓和直線相切只有一個公共點。一池水的水面可視為平面,但假如太平洋的水無浪也不流動,則太平洋面是球面,因為地球是球體。如果上升原子層面,那麼「接觸」的定義也要改變了,什麼是接觸?微觀上必須原子核碰到原子核才定義為接觸嗎,那麼假設是粗糙球體和粗糙平面接觸,他們原子核與原子核也沒有碰到一起,那也不屬於接觸,不是矛盾了嗎?現實中,任何物體的表面,放大到極致,其實就像是一團霧氣的邊緣,哪裡有什麼稜角、平面。兩個物體一旦靠近,就像是兩團煙霧,相互作用的同時,也會部分互相交融或者排斥,如何算的尺寸。接觸的概念是什麼?
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