為什麼天體和原子都是圓的?

2020-11-26 鍾銘聊科學

「小到分子原子,大到宇宙星球為什麼都是圓的?」這個問題本身就存在問題。星體確實存在很多球體的(如果非要槓一下,這些星體也不都是嚴格的球體),不過也不都是球形的。而原子,分子可都不是球體的。

星體

我們先從星體說起,實際上星體有很多都不是球體,我們舉個最近的例子,那就是奧陌陌。看起來有點像一根棍的橢球形。可能就是因為長得不像球體,所以很多人還以為它是外星人的戰艦呢。實際上,並不是這樣,很多隕石和小行星都不是球形,到底會不會成為一個球形其實和自身引力有關。

說完不是球體,再來說類球的,像太陽系中的太陽和各大行星其實看起來就很接近球體了。那究竟是為什麼?如果用通俗的話來說,這其實是因為「」,對的,你沒有看出,宇宙萬物都很懶,所以你也沒有必要為了自己的「懶」找藉口,這壓根就是天生的,無論是微觀還是宏觀。

像地球、太陽這類天體,引力足夠大,還帶自傳的,一般來說最省力的形狀叫做:馬克勞林橢球。

為啥會叫這麼奇怪的名字呢?這是因為天體為啥長成這樣其實是一個古老的話題了,自打牛頓開始就有一堆人投身進去,但是藉以失敗告終,最早一個給出一個像樣說法的人就叫做:馬克勞林。

如果我們把地球的數據代入到馬克勞林給出的公式來計算,就可以得出地球自轉27.5小時一天,出現這樣的誤差在於地球是個巖石星球的緣故。

所以,實際上無論是理論還是觀測,地球其實都不是一個球,而是一個橢球。赤道稍稍寬點,兩極短一點,有點矮胖的橢圓。其他星體其實也是類似的。

不過,按照目前的研究來看,如果天體的自轉足夠快,其實是有可能變成一個還的。因為根據目前的理論分析,轉得越快,環要比橢球還要穩定得多。不過,目前還沒有觀測到類似的,只停留在理論上。

因此,我們可以得出這樣的結論,實際上由於要保持能量最低的狀態,一般來說,如果引力足夠大,那就會成為一個馬克勞林橢球。如果引力不夠大,其實成為其他形狀也是有可能的。但並不存在正園的狀態,這是因為正圓其實並不穩定。

微觀世界

至於分子,原子,電子等是不是球形,實際上可能是被上學時老師的教具忽悠了。

這個確實只是為了教學方便才這樣的。我們可以先從原子的角度出發,最早的湯姆遜確實以為原子模型是有點像球形的,這也被稱為棗糕模型,原子核上面鑲嵌著電子。

後來,盧瑟福通過α粒子散射實驗發現,事實並不是這樣的,並且提出了一個模型。其中原子核小小的,大部分質量都在原子核上。如果原子有操場那麼大,那麼原子核最多一隻螞蟻那麼大。但是盧瑟福的模型有個問題,那就是按照麥克斯韋理論,這些電子會最終跌落到原子核上,成為湯姆孫提出棗糕模型的樣子。

後來,波爾通過巴爾末的光譜,提出了原子的行星模型,他認為存在電子軌道,電子只能從一個能級躍遷到另一個能量,吸收或者放出正好是這個能級的能量。這就有點像太陽系的感覺,其實也不是球形。

但其實波爾的模型也沒撐太久,原子序數大的原子根本沒辦法用這套理論。後來,海森堡就搞出了不確定性原理,他認為電子出現是隨機的,是個概率事件。所以,還是小小的一個原子核,而電子呢?就在周圍瞬移。具體瞬移到哪,其實是個概率事件。而且我們不可能通知知道電子的動量和位置,觀測本身就會影響到電子。

所以,在這種情況下,其實原子也並非是個球形,而且這還只是氫原子的情況,隨著原子序數的上升,其實電子云的形狀還會發生改變。

我們還可以來瞧瞧電子的情況,那電子到底是不是球形的呢?答案是,我們根本不知道。目前來說,電子到底長多大,我們還不能完全搞清楚,甚至電子是不是存在形狀都是一個問題。有的科學家認為它就是一個幾何點,也有的科學家傾向於相信它是個球形,如果按照目前的理論來看,電子可能是一個直徑為10^-38釐米的球體。但是這個遠遠超出我們的觀測範圍,因此,還沒辦法確定。

所以,我們來總結一下,分子和原子並非是球形的,而電子目前的理論認為它是一個半徑上限是10^-38釐米的球體,但還沒有任何可支持的觀測證據存在。

所以,綜合天體和微觀的情況,其實大多都不是球體,而目前最有戲的可能是電子。

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