天上的星星长成一个样儿其实是两种力“对决”的结果

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天上的星星长成一个样儿其实是两种力“对决”的结果

可能我们很多人都好奇过,为什么天体大多都是球形?

球形对应着液滴表面势能最小的状态,而势能最小时,系统最稳定。这被称为“最小势能原理”:对任何一个系统,如果它的势能没有达到“最小”,它总要设法变化到其相对最小的势能位置。

那为什么像岩石、铁块这样的固体,就算放到失重环境下也不会成为球形呢?这涉及到宏观世界里起主要作用的两种力:电磁力和凯发真人在线娱乐手机版下载引力。正是它们塑造了物体的形状。

而物体受到的重力,则是来自于地球的引力。在宏观和微观层面,电磁力要比引力强得多,我们以一个边长为10厘米的正方体石块为例,来对电磁力和引力做个比较。

如果把石块的大小增加到边长为10千米,它的总质量将达到1015千克的量级。这时,随着石头质量的增加,它的每个分子的平均自引力势能也将增加,由于分子之间的电磁力仍然保持不变,所以现在石块的自引力势能与化学键结合能之间的差别就大为缩小了,但还差7个数量级,形状依然是个立方块,不会受到任何影响。但此时的石头已经达到了岩石的抗张极限,大概会被地球引力撕裂,散成碎块,这也是为什么地球上的山峰高度都没有超过10千米的原因。

如果继续增加石块的质量,让它成为如今的地球,将会发生什么情况?

根据“最小势能原理”,它会变成一个球。这时它的核心可能会因为高温高压而电离、熔融,产生更强大的能与引力相抗衡的电磁力,但不再是此前的化学键电磁力。在这个尺度,引力所起的作用和液滴的表面张力有点类似,坚硬的岩石在它面前也变得如面团般柔软,引力会把它塑造成为引力势能最小的形状——球形。

也有天文学家提出,如果天体的自转足够快,最终的形状可能并不是椭球,而是一个环,也就是像甜甜圈那样的形状。因为自转很快时,环形的能量可能要比椭球更低,因此也更稳定。不过,目前还没有真的观测到这样的天体,这仍然只是理论推测。