自古以來,針對“地球是什麼形狀?”的討論數不勝數。我國古書《周髀》中記載“天圓如張蓋,地方如棋局”,這也正是“天圓地方”的由來。
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而古巴比倫人和古印度人則認為地球是座海龜馱在背上的山,只不過,因為古印度人崇拜大象的緣故,他們想象中的這座山不是由海龜直接馱著,而是由屹立在大海龜背上的三隻神聖的大象馱著。
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相比之下,古希臘人的觀點更接近正確答案一些(雖然理由也很草率)。他們認為大地是圓的,之所以這樣認為,並不是因為他們有什麼實質性的證據證明了這一觀點,而是因為他們認為球體是幾何圖形中最完美的形狀。
直到麥哲倫歷時三年完成了人類歷史上的第一次環球航行,才真正證實了“地圓論”這一觀點。
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為什麼地球不是正方體、圓錐體,
而是近球體呢?
難道真是有什麼神秘的天外力量
在操縱它的形狀?
跟著胖科一起來看看吧!
1、不可或缺的電磁力
物理課上大家都學過天地萬物的存在狀態大體可以分為三種:固體、液體和氣體。由於分子間電磁力的相互作用關係,固體有明確的形狀。液體分子之間的距離比固體遠得多,分子間的電磁吸引力也就較弱,所以液體沒有固定的形狀。
胖科:“水滴狀”瞭解一下。
液體不是沒有固定的形狀嗎?那這是怎麼回事兒呢?其實,液滴成球的主要因素是液體的表面張力,其本質還是回到了上文提到過的分子之間的電磁力上。
還記得之前的“天空課堂”上展示過的一個畫面嗎?在沒有地球引力的影響下,讓滴液自由下落,表面張力會使滴液呈現完美的球形。這是因為形狀為球形時液滴的表面勢能最小,而勢能最小時,系統最穩定,這就是“最小勢能原理”。
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2、無處不在的萬有引力
除了分子之間的電磁力之外,“萬有引力”肯定不會缺席。只要有質量存在,就會有萬有引力,因此物體中每個分子都會對其他分子產生吸引力,如果想要破壞物體的完整性,也就是說必須要克服分子之間的萬有引力。
除了自身的引力之外,物體雙方之間也具有引力關係,且與物體的質量成正比,與兩者之間的距離成反比。也就是說,物體之間的引力大小取決於它們的質量大小和兩者之間的距離遠近,和物體的形狀是沒有關係的。
3、電磁力與萬有引力相輔相成
引力與質量相關,電磁力與質量無關,只和電量有關。對於小體積的物體來說,每個分子自引力的作用要比電磁力小得多,所以當電磁力>引力,物體就能夠保持自身的形狀。
但是當物體的質量增大到某一程度時,超過了臨界點,引力就會戰勝電磁力成為主宰,根據“最小勢能原理”,物體最終就會變成一個球。在這種尺度之下,再堅硬的物體在引力的作用下,也會被“揉捏”成引力勢能最小的形狀——球體。而氣態行星在引力主導的前提下,也會遵循這一原理。
地球正是在這兩種因素以及自轉的作用下,成為了一個不是非常完美的“球”。雖然在地球表面,還是有山巒起伏等,但是這些山巒是地球板塊運動造出來的,山的起伏和它本身的直徑相比,這些可都可以忽略不計了。
4、並不是所有的天體都是球體
並不是所有的天體都是球體,那些尺度只有幾十千米的小行星或彗星、慧核等形狀更是千差萬別,2017年造訪太陽系的天外來客“奧陌陌”形狀為類似雪茄的長條形。
奧陌陌執行圖片
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土星、木星這樣的氣態巨行星除了上文中提到的兩種作用力之外,也會受自轉的影響,自轉產生的慣性離心力在赤道附近最大、兩極附近最小,在極點處等於零,因此,它們的形狀會更接近於橢球狀,再加上它們自身自轉週期更短,所以扁平外形相當明顯。
也有人提出,如果天體的自轉速度足夠快,最終將突破橢球,成為一個環,因為環形會比橢球的勢能更低,也更穩定。雖然這一說法目前還只是理論階段,但也從側面證明了天體形狀的多樣性和不可預性。
但是可以明確的一點是:萬有引力不會允許出現大質量的不規則天體。也就是說,不管是像地球這種內部熔融的天體,還是月球和水星這些內部已經固結的岩石天體,只要它的質量足夠大,最終形狀都為球體。而現在出現的這些形狀各異的天體,都還處於被“馴化”的階段,不過最終的“結局”也是顯而易見——都將歸結於球體。
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