萬有引力企圖把一切都弄成球形,最終會把一切都弄沒了

2020-12-05 時空通訊

有人常常對天體幾乎都是球形感到迷惑。

其實不但天體是球形,就是一滴水、一個原子、一個基本粒子也是球形,這是因為萬有引力的作用。

早在300多年前,牛頓就發現了萬有引力。這個存在於世界每一個角落的四大基本力之一,是人類發現最早的一種基本力。後來人們還發現了電磁作用力、強相互作用力和弱相互作用力。

現在還有人提出可能存在第五種基本力,這種力由暗能量傳遞。但目前為止,這第五種力還只是探索爭論狀態,沒有確切的證據。在此我們不討論。

我們現在已知的四種基本作用力,都是建立在質量基礎上的,與質量有著密切關係。萬有引力定律的表述就是:與質量乘積成正比,與距離平方成反比。

用公式表現就是:F=GMm/R^2。

這裡面,F是引力大小值;M和m是相互作用的兩個物體質量;G為引力常量,取值為G=6.67×10^-11N·m/kg;R為相互作用物體之間的距離。

通俗的說就是,質量越大的物體,引力越大;距離越遠的物體之間,引力就越小。

那麼引力到底是怎樣把這些物體都弄成了球形呢?我們一起來拉扯拉扯。

任何物體的引力都是從質心發出的。

因此不光是一個星球,還是一個人、一塊糖、一滴水,引力都是從這些物體的中心點發出來的,由此就表現出這個中心發出的引力對自己周邊所有的物質產生同等的力,在距離同等質量相同的情況下,所受的引力是相同的,這樣所有受到引力的物質就會向中心靠攏,密密匝匝擠在一起,並取得一個平衡。

當然,引力是我們世界最弱小的力,又是作用距離最遠最長的力。

說其弱小,引力弱到是強力的10^-39倍。也就是說如果強力為1,引力就是強力的1000萬億億億億分之一。而電磁力則是強力的137分之一,弱力是強力的10萬億分之一,都比引力強大多了。

但要論起作用距離,引力就是老大了,可以無限遠。就是到了天邊(宇宙邊緣),也還存在。別說一個星球,就是你我他的引力都還存在。

只不過由於引力太過弱小,小質量物體就是在近距離也很難測出,更別說天邊了。

何況我們宇宙充滿了天體和物質,引力相互幹擾,地球的引力影響範圍也只有150萬公裡。

與引力作用距離相媲美的是電磁作用力,其影響力也是無限遠。

強力和弱力就悲哀了,強力的作用範圍只有10^-15米,也就是0.000000000000001米,千億分之一米;弱力的影響範圍只有10^-18米,也就是0.000000000000000001米,百億億分之一米。

因此,強力弱力只是在微觀原子級以下範圍起作用,而電磁力和引力更多的是在宏觀現象中起作用。

電磁作用力表現在日常生活的各個方面,而引力更多的是在天體運行中更為突出。

本質上,引力是要把圍繞著自己的一切,都施以平均的力,因此只要距離相等,在引力源周圍就會形成一個球。

引力本身是很弱的力,物質卻有剛性和流體,剛體物質由於自己的硬度可以一定程度抗衡引力。因此當天體質量不大時,引力是無法把剛體物質拉扯成一個球形的,所以小行星就會呈現出不規則狀態。

但對於流體和半流體就不一樣了,比如一滴水也會呈球形。但這滴水要在太空無重力狀態才會呈現處完美的球形,而在地球上,由於地心引力的重力作用,這滴水自身引力根本無法與地球重力抗衡,它就會成為水滴形或者扁平狀。

但天體質量大了,引力就足以克服物質的剛性,而成為一個球形。太陽系的八大行星就是這樣,一些稍大的矮行星和衛星也是這樣。

國際天文聯合會對於行星和矮行星的定義,很重要的一條就是:有足夠的質量,能以自身的重力克服剛體力,因此能呈現流體靜力平衡的形狀(接近圓球體)。

那麼多大天體能夠克服剛體力呢?這個「大」與直徑和質量那個關係更大呢?

根據萬有引力定律,引力大小隻與質量有關聯,與直徑沒有關係。

但同等質量的天體,直徑更大則密度更小,相對來說剛體力就小一些,因此應該也與天體球形有一定的相關度。

天體質量到底要多大才能夠克服剛體力成為一個球形,尚無準確定論。這裡提供兩個天體的數據作為參考。

一顆是灶神星,這顆迄今發現的太陽系質量最大小行星,屬於坐落在火星與木星軌道之間的主帶小行星,直徑約500千米,質量約2.7x10^20kg,也就是約27億億噸。但這顆小行星還是一個土豆形狀,並沒有成為一顆球體,因此只能劃入小行星行列,夠不上矮行星標準。

另一顆是穀神星,直徑約950千米,質量約9.43×10^20kg,也就是94.3億億噸,約灶神星的3.5倍,這顆星的外形就呈現處一個球形,因此被列入了矮行星行列。

從這兩個天體的情況來看,天體能夠克服所謂的剛體力,呈現流體靜力平衡的球形或者接近球形,所需質量應在2.7x10^20kg以上,準確的說應該在3x10^20kg~9.43x10^20kg之間吧。

但這個是不是具有普遍統計學意義呢?時空通訊不敢保證,因為前面說了,宇宙天體的情況複雜多變,很難一概而論。

不過一旦質量達到了很大,就必須是個球體,所有的恆星都是球體就是一個例證。

說明一下,所謂克服剛體力,成為流體靜力平衡的球體,並非完美的球體。

一些較大天體,遠距離看起來是一個球體,實際上卻並非標準球形。由於其自轉離心力作用,赤道往往比兩極直徑更大,呈現出扁球形。

地球就是這樣,但扁率很小,赤道長半經為6378160米,極地短半徑為6356775米,扁率只有1/298.256。

而氣態行星的扁率就會更大些,因為離心力會使赤道的流體甩去去更多一些,赤道長半徑與極地短半徑竟相差5000千米,扁率達到1/10。

另外,球形不完美還包括星球表面並不平坦,凹凸不平,滿布高山和深溝。比如地球上的珠穆朗瑪峰還有8000多米高呢。不過這個高度比起12756千米的地球直徑來說,才是約6000分之一。

質量越大直徑越小的天體,引力就越大,表面的受到的重力就越大,因此球體就會越「光滑」。也就是說,在越大重力的星球上,山峰就越難升高。

這一點中子星可以給我們一個比照。

中子星是超過太陽質量8倍以上的恆星,超新星大爆炸後留下的屍骸。任何一個中子星質量至少達到太陽的1.44倍,但半徑只有10千米左右,其強大重力導致上面的物質密度達到每立方釐米1~20億噸。

也就是說,地球上所有人類(70多億)到了中子星會被壓縮成不到一粒蠶豆大小。

在中子星上,逃逸速度達到一半光速,也就是每秒15萬千米的速度,才有可能逃離中子星。

在這樣極端重力下,中子星不但是圓的,而且幾乎是一個完美的球形,因為其表面的物質很難突起,會呈現出異常光潔的鏡面。

這種鏡面絕不是我們地球上的鏡面,地球上的鏡面在顯微鏡下會露出粗糙的面目,在中子星上,用多大的顯微鏡都無法看到這個鏡面的一點瑕疵。

在中子星上,突起1個毫米,要比地球造出珠穆朗瑪峰難很多。

不過這只能是理論猜想,因為人類很可能永遠也沒有能力登陸中子星這樣的極端天體。

劉慈欣的《三體》科幻小說中,三體人派出的武器「水滴」,就是類似這類物質建造的。「水滴」鏡面無暇,無堅不摧,堅硬無比。

因為中子星上不但沒有分子,連原子也被壓碎了,電子壓到了原子核裡,與質子合併成了中子,與原來原子核裡的中子一道,密密匝匝的擠在一起,整個星球就只一個大中子核。

原子都沒了,還有什麼能夠突起呢?它不成一個比鏡子還光滑的星球才怪呢。

物質質量龜縮到自己的史瓦西半徑裡面以後,引力就再也不是弱小的了,而是無限大了。

任何物體都有自己的史瓦西半徑,史瓦西半徑的大小也是以質量成正比的,計算公式為:R=2GM/C^2

式中,R表示史瓦西半徑;G為引力常量;M為物體質量,C為光速。

根據這個公式計算,太陽史瓦西半徑約3000米,地球史瓦西半徑為9毫米。

但任何物體要壓縮到自己質量的史瓦西半徑內,需要極端的引力壓力。

在自然界,只有大於太陽30倍的恆星,或者大於3倍太陽質量的中子星,才有可能把自己坍縮進質量的史瓦西半徑,這時就會成為一個黑洞,在這個史瓦西半徑裡,連光也無法逃脫。

在這樣的無限曲率條件下,球形也沒有了,中心只有一個無限小的奇點。

有一個黑洞無毛理論,就是說黑洞裡什麼都沒有,我們只能夠從黑洞外面觀測到質量、角動量、電荷等幾個基本物理量。

以上種種,都是引力的力量。萬有引力企圖把這個世界的一切都弄成球形,最終弄沒了。

宇宙終結理論之一的大坍縮理論,就是在引力作用,宇宙膨脹到達一個臨界點就會開始收縮,最終使宇宙坍縮回一個奇點。

宇宙是從無限小的奇點中來,又回到化為烏有的奇點中去,這就是引力最終把一切都弄沒了。

就是這樣,歡迎討論。

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