無論是由巖石構成的固態行星,還是由氣體組成的巨型氣態行星,甚至那燃燒了數十億年的恒星太陽,它們似乎都遵循著同一個“出廠設置”:呈現出圓形球狀體。
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這不禁讓人產生深深的疑惑:在這個浩瀚無垠、充滿混亂與爆炸的宇宙中,為什么“圓”成為了主流?
難道宇宙天體都被某種神秘的幾何強迫癥所掌控?
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要解開星球變圓的秘密,我們必須將時鐘撥回1687年,這一年偉大的英國物理學家艾薩克·牛頓發表了劃時代的巨著《自然哲學的數學原理》。在這本書中,他提出了著名的萬有引力定律。
牛頓指出,宇宙中任何兩個物體之間都存在相互吸引的力,這種力被稱為引力,引力的強度并非隨機,它取決于兩個核心因素:物體的質量和它們之間的距離,質量越大,引力越強;距離越近,引力越大。
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這個定律揭示了星球成型的關鍵機制:各向同性。
對于一個像地球這樣擁有巨大質量的天體來說,其引力并不是指向某個特定的側面,而是指向質心,引力就像是一個全方位的收縮網,從四面八方將物質向中心拉扯。
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想象一下,如果地球是一團懸浮在太空中的巨大水珠,由于表面張力的作用,水珠會自動收縮成表面積最小的形狀:球形。雖然星球是巖石和金屬構成的,但在宏觀尺度和漫長的時間里,在引力的作用下,巖石也表現得像“流體”一樣。引力會從所有方向上,均勻地將高出的山峰拉平,將低洼的深谷填滿,力求讓所有物質都盡可能地靠近中心。
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這種向內均勻擠壓的力量,最終導致了球形的誕生,在幾何學中,球體是唯一一個表面上所有點到中心距離都相等的形狀,這也是引力作用下的必然平衡狀態:流體靜力平衡。
以我們的地球為例,它的“變圓”之旅始于約46億年前。
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那時的太陽系還是一片混沌的星云,充滿了氣體、塵埃和巖石碎片,在引力的作用下,物質開始聚集,起初只是微小的塵埃顆粒相互吸附,隨后滾雪球般越變越大,形成了“星子”,隨著原行星的質量不斷增加,引力也隨之暴漲。當質量達到一定程度時,劇烈的撞擊和放射性元素的衰變產生了巨大的熱量,讓年輕的地球變成了一個熔融狀態的熾熱火球。
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這是一個關鍵時刻,因為地球“化”了,它變成了液態的巖漿海洋,在液態下,物質的流動性極強。引力便可以毫無阻礙地發揮它的“雕塑”技藝:它無情地將所有凸起的物質拉向地心,將原本不規則的形狀迅速抹平。
隨著時間的推移,地球逐漸冷卻,表面凝固成堅硬的地殼,雖然今天地球表面有珠穆朗瑪峰的聳立和馬里亞納海溝的深陷,但在地球12742公里的直徑面前,這些起伏就像是籃球表面極其微小的褶皺,從太空視角看地球依然是一個近乎完美的球體。
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雖然引力致力于打造完美的球體,但宇宙中還有另一股力量在與它博弈,那就是自轉,宇宙中的天體幾乎都在旋轉,旋轉會產生離心力,這股力量試圖將物質從中心甩出去,且赤道部位的離心力最大。
因此嚴格來說,地球并不是一個標準的正球體,而是一個赤道略鼓、兩極略扁的“橢球體”,引力想把地球拉成圓的,而離心力想把地球甩成扁的。這兩股力量妥協的結果,就是地球現在的樣子。
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這種現象在自轉速度極快或物質結構松散的天體上更為明顯,例如太陽系中的土星,它由氣體組成且自轉極快,這導致土星真的像一個被壓扁的橘子,肉眼可見地“胖”了一圈。
既然引力如此強大,為什么宇宙中還有那么多形狀怪異的天體?
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這就涉及到了引力“雕塑”的門檻。要將堅硬的巖石壓碎、重塑成球形,需要極其巨大的壓力。對于那些體積小、質量輕的天體,如小行星、彗星,它們自身的引力太過微弱,無法克服巖石內部的化學鍵力,即巖石的結構強度。
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簡單來說,小行星的引力太小,捏不動自己那堅硬的“骨頭”,科學家通過計算和觀測發現,這個“變圓”的臨界點,大約是直徑500公里,直徑小于500公里的天體,引力不足以改變巖石的形狀,所以它們保留了誕生時碰撞、聚合的原始模樣,呈現出不規則的啞鈴狀、土豆狀或長條狀。
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直徑大于500公里的天體,引力終于戰勝了巖石的硬度,物質發生坍縮和重組,最終在自身引力下達到流體靜力平衡,變成球形。
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這也是國際天文學聯合會(IAU)定義“行星”和“矮行星”的重要標準之一:必須擁有足夠的質量,能通過自身引力克服剛體力,使其形狀呈圓球狀。
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