自古以来,针对“地球是什么形状?”的讨论数不胜数 。我国古书《周髀》中记载“天圆如张盖,地方如棋局”,这也正是“天圆地方”的由来 。
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而古巴比伦人和古印度人则认为地球是座海龟驮在背上的山,只不过,因为古印度人崇拜大象的缘故,他们想象中的这座山不是由海龟直接驮着,而是由屹立在大海龟背上的三只神圣的大象驮着 。
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相比之下,古希腊人的观点更接近正确答案一些(虽然理由也很草率) 。他们认为大地是圆的,之所以这样认为,并不是因为他们有什么实质性的证据证明了这一观点,而是因为他们认为球体是几何图形中最完美的形状 。
【地球为什么叫地球(为什么地球叫球其他的叫星)】
直到麦哲伦历时三年完成了人类历史上的第一次环球航行,才真正证实了“地圆论”这一观点 。
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为什么地球不是正方体、圆锥体,
而是近球体呢?
难道真是有什么神秘的天外力量
在操纵它的形状?
跟着胖科一起来看看吧!
1、不可或缺的电磁力
物理课上大家都学过天地万物的存在状态大体可以分为三种:固体、液体和气体 。由于分子间电磁力的相互作用关系,固体有明确的形状 。液体分子之间的距离比固体远得多,分子间的电磁吸引力也就较弱,所以液体没有固定的形状 。
胖科:“水滴状”了解一下 。
液体不是没有固定的形状吗?那这是怎么回事儿呢?其实,液滴成球的主要因素是液体的表面张力,其本质还是回到了上文提到过的分子之间的电磁力上 。
还记得之前的“天空课堂”上展示过的一个画面吗?在没有地球引力的影响下,让滴液自由下落,表面张力会使滴液呈现完美的球形 。这是因为形状为球形时液滴的表面势能最小,而势能最小时,系统最稳定,这就是“最小势能原理” 。
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2、无处不在的万有引力
除了分子之间的电磁力之外,“万有引力”肯定不会缺席 。只要有质量存在,就会有万有引力,因此物体中每个分子都会对其他分子产生吸引力,如果想要破坏物体的完整性,也就是说必须要克服分子之间的万有引力 。
除了自身的引力之外,物体双方之间也具有引力关系,且与物体的质量成正比,与两者之间的距离成反比 。也就是说,物体之间的引力大小取决于它们的质量大小和两者之间的距离远近,和物体的形状是没有关系的 。
3、电磁力与万有引力相辅相成
引力与质量相关,电磁力与质量无关,只和电量有关 。对于小体积的物体来说,每个分子自引力的作用要比电磁力小得多,所以当电磁力>引力,物体就能够保持自身的形状 。
但是当物体的质量增大到某一程度时,超过了临界点,引力就会战胜电磁力成为主宰,根据“最小势能原理”,物体最终就会变成一个球 。在这种尺度之下,再坚硬的物体在引力的作用下,也会被“揉捏”成引力势能最小的形状——球体 。而气态行星在引力主导的前提下,也会遵循这一原理 。
地球正是在这两种因素以及自转的作用下,成为了一个不是非常完美的“球” 。虽然在地球表面,还是有山峦起伏等,但是这些山峦是地球板块运动造出来的,山的起伏和它本身的直径相比,这些可都可以忽略不计了 。
4、并不是所有的天体都是球体
并不是所有的天体都是球体,那些尺度只有几十千米的小行星或彗星、慧核等形状更是千差万别,2017年造访太阳系的天外来客“奥陌陌”形状为类似雪茄的长条形 。
奥陌陌运行图片
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土星、木星这样的气态巨行星除了上文中提到的两种作用力之外,也会受自转的影响,自转产生的惯性离心力在赤道附近最大、两极附近最小,在极点处等于零,因此,它们的形状会更接近于椭球状,再加上它们自身自转周期更短,所以扁平外形相当明显 。
也有人提出,如果天体的自转速度足够快,最终将突破椭球,成为一个环,因为环形会比椭球的势能更低,也更稳定 。虽然这一说法目前还只是理论阶段,但也从侧面证明了天体形状的多样性和不可预性 。
但是可以明确的一点是:万有引力不会允许出现大质量的不规则天体 。也就是说,不管是像地球这种内部熔融的天体,还是月球和水星这些内部已经固结的岩石天体,只要它的质量足够大,最终形状都为球体 。而现在出现的这些形状各异的天体,都还处于被“驯化”的阶段,不过最终的“结局”也是显而易见——都将归结于球体 。
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