一提起地球,我們會想到的形容詞是蔚藍星球,生命樂園,獨一無二等等,最後或許人們還會給出這樣一個形容詞:地球是球體.
可能你會反駁,地球分明是橢球體.但是無論我們如爭辯地球的形狀一定不會是正方體,長方體一類有稜有角的立體幾何.地球有著球體的形狀這是毋庸置疑的.
我們將視線範圍擴大,我們會發現在太陽星這八大行星,甚至包括被排出行星行列的冥王星以及各個行星的衛星,再加上太陽這顆恆星,我們會發現無論是哪個國家給出的示意圖都將這些星體的形狀表現為球體,這是什麼原因呢?換句話來說,為什麼星體在我們潛意識之中以及事實上它的形狀都是球體呢?
簡單的來說,因為重力的作用導致了絕大部分天體都是球形狀的.
在上述列舉中並沒有提及小行星和彗星的形狀,因為它們的形狀並不一定是球星,舉一個典型的例子.在地球上大名鼎鼎的哈雷彗星,每隔76年左右就會回歸一次,人們在地球上看到它的樣子就是掃把狀的,因此在封建社會時代常把彗星比作掃把星會給人們帶來黴運.
小行星和彗星因為他們的質量沒有達到一定的重量級所以其形狀很難表現為球形.一旦質量到達某一個極點,其組成物質一定會在引力的作用下向著重心坍塌靠攏.
我們知道原子核是由質子和中子構成,而原子核最初的形成是在宇宙大爆炸後的數億年間,宇宙中原始的中子質子開始結合形成,散布的電子此時與原子核一起形成完整的原子.原子之間靠化學鍵間的作用力形成分子,進而形成宏觀塵埃.
當宇宙塵埃在引力的作用下越來越接近時,就如同女蝸造人一般,根據作用力的不同會結合形成不同的氣體,液體,甚至是巖石.
這些新形成的宏觀物體在引力的作用下進一步坍塌壓縮,形成天體.質量稍大的天體會形成恆星,並在中心地帶進行核聚變過程.有的星體其密度大的超出想像,比如中子星的密度通常相當於每立方釐米重達1-10億噸.
質量相對較小的天體會形成行星。不管是恆星還是行星,物質都會在引力的作用下擠壓向裡坍塌,只有儘可能佔據最小表面積的物質才有可能存在下去,這樣一來天體很自然地會形成球體形狀.
從計算角度來看,其實這也是一個很簡單的物理與數學的問題.
對於一定的體積,球體具有最小的表面積!我們以巖石行星(地球)作為假設前提.
我們假設地球存在能夠有足夠的高度使地球不再成為球體的山脈(山脈高度要超過地球直徑的五分之一,大約2500千米的高度).
我們簡化處理這個問題,已知山底的壓力P=ρgh,ρ是山脈的平均密度,g為地球的重力加速度,一般數值上去9.8,h是山脈的高度.
由此我們可以得出最開始的結論,大部分的星體是球體的原因是重力作用的結果,小行星與彗星之所以不是規則的球體其主要原因之一就是沒有達到一定的數量級.
物理學中G為引力常數,再加上平均密度ρ和半徑R.重力加速度g=GM/R=4π/ 3G ρR。由於平均密度ρ相對穩定,我們可以假定ρ為定值。所以山底壓力P=4π/ 3G ρRh。
為了更好地理解,4π/ 3G ρ作為常數定值可以暫時不考慮。所以P=kRH(k為上述的定值).山底可承受的壓力的極限值是一定的,由公式我們發現山高h正比於1/R.天體越大,也就意味著山脈越低.
最後不得不感嘆,人類物理學的神奇,它可以為宇宙立法,萬事萬物都要遵循著物理學的基本原理!