为什么宇宙能毫不费力地造出这么多圆球?

2020-06-05 16:14:28 来源:网络整理 作者:管理员 阅读次数:

原标题:为什么宇宙能毫不费力地造出这么多圆球?

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宇宙中圆球泛滥

对于人类来说,也许造一个长方体要比造一个圆球更容易,长方体的柜子、长方体的机箱、长方体的纸箱……但是要把一块金属或纸箱做成圆球形的,那就不容易了。

为什么宇宙能毫不费力地造出这么多圆球?

可宇宙却好像是制造圆球的行家,宇宙中的星球几乎都是圆球形的,要想在宇宙中寻找长方体,那是如同大海捞针,至少现在还没有找到,若将来真的找到了,我们也会认为那是智慧生命制造的。我们周围的大自然制造圆球也很在行,圆球形的气泡、圆球形的水珠、圆球形的细胞……微观世界制造圆球也是不逊色,虽然我们无法看清更微观的粒子到底是什么样的,但是至少我们已经知道稳定的原子核基本是圆球形的……

为什么宇宙能够如此毫不费力地造出这么多圆球?又为什么宇宙中方形的东西却少得可怜?

星球为什么是球形

我们可以来分析一下,宇宙中的星球为什么是圆球形的,如果是方形会怎么样?

地球就是宇宙中的一个星球。在地球上,即使是1千米粗的最坚硬的金刚石柱子也无法高出地面16千米,否则会在重力作用下坍塌。当然,如果把岩石按照正方体一个角那样的类似金字塔的形状进行堆建,可以堆得更高,但即使这样堆建,即使采用抗压能力很高的花岗岩的话,花岗岩金字塔的高度都不能超过30千米。

由此可见,地球的巨大引力会使得地球表面的物质受到强大的向着地心方向的力。如果地球是正方体形的,那么它上面距离地心最远的点就是正方体的顶点,经计算,正方体的顶点就会比周围高出大约1000千米,而这是不可能的,地球上都不可能存在高于海平面30千米的山脊。

由此可见,正是星球巨大的质量产生的引力才导致物质聚集成圆球形状,因为引力的方向来自星球的中心,相同引力的点位于同一个圆球面上,只有星球表面物质尽量处于同一个圆球面上时,物质才会稳定地拥挤在一起,相互支撑,不会向中心下落。如果有的物质突出来,就会缺少足够的支撑,当物质所受引力超过自身碎裂的极限时,突出的物质就会碎裂散落下来,从而突出点也就被引力这样抹平了。

由此可见,宇宙中的星球表面可以有高低起伏,但这起伏大小就与星球自身的体重和组成物质很有关系了。体重越大的星球,其表面的起伏越小,它就越圆;而体重很小的小行星们完全可以是棱棱角角的大石头,因为它自身的引力很小。

至此,我们可以明白了,宇宙制造圆球星球,完全是靠引力来自动打磨的,不需要太费功夫,物质分子们会在引力作用下,自动聚集成圆球形状。要想形成其他形状,还需要物质爆发出足够的能量来抵抗引力的打磨作用才行。

当然星球的旋转产生的离心作用会让圆球变得有些扁,但基本跟圆球差不多。

气泡是球形很正常

现在回到我们周围的自然界,气泡为什么会呈球状?形成气泡膜的分子们相互之间有一种吸引力,这种分子集体吸引作用就会导致气泡膜具有收缩趋势,就像气球皮容易收缩一样,这种收缩作用在物理学上叫“表面张力”。正是这种表面张力使得气泡膜的面积具有收缩到最小的趋势,而在同样体积的情况下,圆球的表面是最小的,因此气泡的形状是球形的。

水滴为球形或扁球形的原因也是这种表面张力导致的。水滴表面由于与空气相接,水分子会蒸发掉一些,因此表面的水分子排列比较稀疏,分子间的距离比较大,这就会导致表面水分子之间相互吸引,从而形成了类似气球皮的水分子收缩面,这层收缩面也会尽量收缩到最小的面积。因此如果不考虑水的重力影响的话,水滴是球形的。在失重的太空舱里,不仅是水滴为球形,即使是一盆水也会变成一个大水球飘在空中,原因就是水的表面具有表面张力,让水在体积不变的情况下,收缩到最小的表面。地面上的水滴往往呈扁球形,是水的重力干扰造成的。

为什么宇宙能毫不费力地造出这么多圆球?

至于细胞为何往往是球形的,我们也就容易理解了。组成细胞的大部分是液体的细胞质,细胞外面往往有一层细胞膜,正是这层细胞膜的紧缩作用导致细胞呈现球形。细胞或微生物虽然都是生命,具有生命的活力,在生物能的作用下,微生物可以呈现出不同的形状,但是生物最节省能量的形状就是球形,或者说,生命最懒惰的形状就是球形,因为那是物质自然的表现,它要变成其他形状,是很费力的。简单的微生物通常采用圆球形,而多细胞大个体的生命就有足够的生命能量来防止自己成为圆球或扁球,它们可以根据需要选择自己喜欢的形状。不过它们的身体也往往会与圆挂钩,例如身体由粗细不同的圆柱或圆锥组成。

那么这种细胞膜的张力或液体表面的张力,本质是什么呢?它其实是分子间的电磁力导致的,因此它的本质就是宇宙中四种基本相互作用中的电磁作用。

微观下的球形也能理解

原子核是由质子和中子构成的,是靠比电磁力更强的核力把诸多的质子和中子们聚拢在一起的。由于核力局限在那么微小的世界里,我们对核力的研究还很不充分。但不管核力方向是类似星球的引力那样向着原子核的中心,还是类似分子间的电磁力那样存在于两个粒子之间,与上面的情况类似,它都会让组成原子核的中子和质子们尽量聚拢成球形。

但原子核在能量较高的情况下也会呈现出不同的形状。例如:日本科学家发现,“碳-14”的原子核由8个中子和6个质子构成,通常呈球状,但在高温下,“碳-14”的原子核竟然可以呈现出三角形的形状!三角形的三个角分别是由两个中子和两个质子构成,剩下的两个中子在粒子间起连接作用。

分析到这里,也许聪明的读者会发现,宇宙中只要存在四种基本作用力,宇宙中的圆球就会泛滥。在这些力的作用下,球形是物质最欢迎的形状,因为圆球不仅是所有形状中表面积最小的,而且是所有形状中,对称性最好的,以圆球为自己的形状,是最稳定最不耗费能量的。