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《星球大战》看过一百多遍,却没想过为什么都叫它星「球」


类似的问题较多,这也是过去很多人关注过的,天文学专业论文也专门探讨了,原理比较简单,就是力的相互作用:

万有引力的确是重要的因素,但一个巴掌是拍不响的,同样重要的是电磁力。由分子或离子构成的物质之间的的挤压、拉伸、膨胀等等大多是电磁力和万有引力以不同形式在作主导。

以地球为例,假设这样的情况,地球上存在一个 H 那么高的正方体突出部分(以石英岩石为例):

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在地面与这个突出部分交界的地方,受到的力主要是地球引力造成的压力和岩石之间的斥力,在它们刚好可以平衡的时候,这个 H 在理论上是这么高:

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(注意:对于不同的形状,某些参数是不同的;对于不同的分子类型,某些参数是不同的;公式中的g是重力加速度,每个星球的g不一样)

26 公里!

如果突出部分不是正方体而是其他形状,其作用的基本原理不会改变,只是 H 这个数值会有些许变化。我们可以拿 26 公里作为一个大致的参考,一旦超过这个高度,晶体的结构便无法支撑住巨大的压力,岩石将被“液化”(山就要塌了)

因此,显而易见,即便地球早期形成时具有不规则的外形,随着时间的推移,高低落差都会随着地壳流动而日趋平缓,最终各地的差别都在 26 公里以下,使得星体呈现为球状

不过要提到的是,星球上不仅仅是固体物质,而是固、液、气、等离子体所共存的;比如,地球表面有山有海有大气层,木星表面主要是气态和液态物质,太阳表面是等离子气体及流体壳层。算上所有物质,星体的形状就更不是完美的球体了,但看上去变化并不大。

此外,星体自转、受伴星的引力作用、与小行星撞击以及地壳运动等等因素也会对其形状造成影响,但主要因素还是上面提到的引力与电磁力的相互作用。

目前观测可知,地球两极与赤道处的地壳表面平均半径相差约 20km;地球本身也是高低不平,但是地面海拔最高的地区也不过 9km,最深的海沟也才 11km,相比于 6400km 的地球半径,这点起伏根本算不上什么,因此远远看去地球就是个球形。

《星球大战》看过一百多遍,却没想过为什么都叫它星「球」

而重力加速度g较小,由金属和岩石构成的灶神星(572.6km × 557.2km × 446.4km,相差 100 公里以上)则大致是个不规则的椭球状:

《星球大战》看过一百多遍,却没想过为什么都叫它星「球」

而更小的小行星,形状就更可爱啦,比如“爱达”:

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那么,会不会有五角星、六角星或者棍子等等奇形怪状的行星呢?

当然可以有!只不过你看,小行星上的坑坑洼洼,是经历撞击留下的证据!于是,那些年可能存在过的棱角和棍棍,都会被撞得七零八碎,还没来得及被我们人类拍摄到就没了。

另外,处于星际中的弥漫状态的天体,如星云,大多都不是球形,其中的原理是一样的,其形状受周围的环境(如喷发、碰撞、融合等等)影响较大:

《星球大战》看过一百多遍,却没想过为什么都叫它星「球」

以上关于引力和电磁力的简单讨论,还适用于我们的太阳,以及像太阳这样还在发光的恒星们;

而对于更加致密的白矮星、中子星来说,则要考虑万有引力量子统计效应——电子简并压和中子简并压之间的作用,以及星体的快速自转。结果是类似的:光滑的球或椭球;

至于黑洞,目前无解。

参考:

维基百科 — 小行星、地球、太阳、星云、灶神星

Victor F.Weisskopf(1975,Science)