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万有引力定律公式解析(万有引力企图把一切都弄成球形,最终会把一切都弄没了)

23次浏览     发布时间:2022-11-30 21:03:28    

有人常常对天体几乎都是球形感到迷惑。

其实不但天体是球形,就是一滴水、一个原子、一个基本粒子也是球形,这是因为万有引力的作用。

早在300多年前,牛顿就发现了万有引力。这个存在于世界每一个角落的四大基本力之一,是人类发现最早的一种基本力。后来人们还发现了电磁作用力、强相互作用力和弱相互作用力。

现在还有人提出可能存在第五种基本力,这种力由暗能量传递。但目前为止,这第五种力还只是探索争论状态,没有确切的证据。在此我们不讨论。

我们现在已知的四种基本作用力,都是建立在质量基础上的,与质量有着密切关系。万有引力定律的表述就是:与质量乘积成正比,与距离平方成反比。

用公式表现就是:F=GMm/R^2。

这里面,F是引力大小值;M和m是相互作用的两个物体质量;G为引力常量,取值为G=6.67×10^-11N·m²/kg²;R为相互作用物体之间的距离。

通俗的说就是,质量越大的物体,引力越大;距离越远的物体之间,引力就越小。

那么引力到底是怎样把这些物体都弄成了球形呢?我们一起来拉扯拉扯。

任何物体的引力都是从质心发出的。

因此不光是一个星球,还是一个人、一块糖、一滴水,引力都是从这些物体的中心点发出来的,由此就表现出这个中心发出的引力对自己周边所有的物质产生同等的力,在距离同等质量相同的情况下,所受的引力是相同的,这样所有受到引力的物质就会向中心靠拢,密密匝匝挤在一起,并取得一个平衡。

当然,引力是我们世界最弱小的力,又是作用距离最远最长的力。

说其弱小,引力弱到是强力的10^-39倍。也就是说如果强力为1,引力就是强力的1000万亿亿亿亿分之一。而电磁力则是强力的137分之一,弱力是强力的10万亿分之一,都比引力强大多了。

但要论起作用距离,引力就是老大了,可以无限远。就是到了天边(宇宙边缘),也还存在。别说一个星球,就是你我他的引力都还存在。

只不过由于引力太过弱小,小质量物体就是在近距离也很难测出,更别说天边了。

何况我们宇宙充满了天体和物质,引力相互干扰,地球的引力影响范围也只有150万公里。

与引力作用距离相媲美的是电磁作用力,其影响力也是无限远。

强力和弱力就悲哀了,强力的作用范围只有10^-15米,也就是0.000000000000001米,千亿分之一米;弱力的影响范围只有10^-18米,也就是0.000000000000000001米,百亿亿分之一米。

因此,强力弱力只是在微观原子级以下范围起作用,而电磁力和引力更多的是在宏观现象中起作用。

电磁作用力表现在日常生活的各个方面,而引力更多的是在天体运行中更为突出。

本质上,引力是要把围绕着自己的一切,都施以平均的力,因此只要距离相等,在引力源周围就会形成一个球。

引力本身是很弱的力,物质却有刚性和流体,刚体物质由于自己的硬度可以一定程度抗衡引力。因此当天体质量不大时,引力是无法把刚体物质拉扯成一个球形的,所以小行星就会呈现出不规则状态。

但对于流体和半流体就不一样了,比如一滴水也会呈球形。但这滴水要在太空无重力状态才会呈现处完美的球形,而在地球上,由于地心引力的重力作用,这滴水自身引力根本无法与地球重力抗衡,它就会成为水滴形或者扁平状。

但天体质量大了,引力就足以克服物质的刚性,而成为一个球形。太阳系的八大行星就是这样,一些稍大的矮行星和卫星也是这样。

国际天文联合会对于行星和矮行星的定义,很重要的一条就是:有足够的质量,能以自身的重力克服刚体力,因此能呈现流体静力平衡的形状(接近圆球体)。

那么多大天体能够克服刚体力呢?这个“大”与直径和质量那个关系更大呢?

根据万有引力定律,引力大小只与质量有关联,与直径没有关系。

但同等质量的天体,直径更大则密度更小,相对来说刚体力就小一些,因此应该也与天体球形有一定的相关度。

天体质量到底要多大才能够克服刚体力成为一个球形,尚无准确定论。这里提供两个天体的数据作为参考。

一颗是灶神星,这颗迄今发现的太阳系质量最大小行星,属于坐落在火星与木星轨道之间的主带小行星,直径约500千米,质量约2.7×10^20kg,也就是约27亿亿吨。但这颗小行星还是一个土豆形状,并没有成为一颗球体,因此只能划入小行星行列,够不上矮行星标准。

另一颗是谷神星,直径约950千米,质量约9.43×10^20kg,也就是94.3亿亿吨,约灶神星的3.5倍,这颗星的外形就呈现处一个球形,因此被列入了矮行星行列。

从这两个天体的情况来看,天体能够克服所谓的刚体力,呈现流体静力平衡的球形或者接近球形,所需质量应在2.7×10^20kg以上,准确的说应该在3×10^20kg~9.43×10^20kg之间吧。

但这个是不是具有普遍统计学意义呢?时空通讯不敢保证,因为前面说了,宇宙天体的情况复杂多变,很难一概而论。

不过一旦质量达到了很大,就必须是个球体,所有的恒星都是球体就是一个例证。

说明一下,所谓克服刚体力,成为流体静力平衡的球体,并非完美的球体。

一些较大天体,远距离看起来是一个球体,实际上却并非标准球形。由于其自转离心力作用,赤道往往比两极直径更大,呈现出扁球形。

地球就是这样,但扁率很小,赤道长半经为6378160米,极地短半径为6356775米,扁率只有1/298.256。

而气态行星的扁率就会更大些,因为离心力会使赤道的流体甩去去更多一些,赤道长半径与极地短半径竟相差5000千米,扁率达到1/10。

另外,球形不完美还包括星球表面并不平坦,凹凸不平,满布高山和深沟。比如地球上的珠穆朗玛峰还有8000多米高呢。不过这个高度比起12756千米的地球直径来说,才是约6000分之一。

质量越大直径越小的天体,引力就越大,表面的受到的重力就越大,因此球体就会越“光滑”。也就是说,在越大重力的星球上,山峰就越难升高。

这一点中子星可以给我们一个比照。

中子星是超过太阳质量8倍以上的恒星,超新星大爆炸后留下的尸骸。任何一个中子星质量至少达到太阳的1.44倍,但半径只有10千米左右,其强大重力导致上面的物质密度达到每立方厘米1~20亿吨。

也就是说,地球上所有人类(70多亿)到了中子星会被压缩成不到一粒蚕豆大小。

在中子星上,逃逸速度达到一半光速,也就是每秒15万千米的速度,才有可能逃离中子星。

在这样极端重力下,中子星不但是圆的,而且几乎是一个完美的球形,因为其表面的物质很难突起,会呈现出异常光洁的镜面。

这种镜面绝不是我们地球上的镜面,地球上的镜面在显微镜下会露出粗糙的面目,在中子星上,用多大的显微镜都无法看到这个镜面的一点瑕疵。

刘慈欣的《三体》科幻小说中,三体人派出的武器“水滴”,就是类似这类物质建造的。“水滴”无坚不摧,坚硬无比。

在中子星上,突起1个毫米,就比造出珠穆朗玛峰难很多。

因为中子星上不但没有分子,连原子也被压碎了,电子压到了原子核里,与质子合并成了中子,与原来原子核里的中子一道,密密匝匝的挤在一起,整个星球就只一个大中子核。

原子都没了,还有什么能够突起呢?它不成一个比镜子还光滑的星球才怪呢。

物质质量龟缩到自己的史瓦西半径里面以后,引力就再也不是弱小的了,而是无限大了。

任何物体都有自己的史瓦西半径,史瓦西半径的大小也是以质量成正比的,计算公式为:R=2GM/C^2

式中,R表示史瓦西半径;G为引力常量;M为物体质量,C为光速。

根据这个公式计算,太阳史瓦西半径约3000米,地球史瓦西半径为9毫米。

但任何物体要压缩到自己质量的史瓦西半径内,需要极端的引力压力。

在自然界,只有大于太阳30倍的恒星,或者大于3倍太阳质量的中子星,才有可能把自己坍缩进质量的史瓦西半径,这时就会成为一个黑洞,在这个史瓦西半径里,连光也无法逃脱。

在这样的无限曲率条件下,球形也没有了,中心只有一个无限小的奇点。

有一个黑洞无毛理论,就是说黑洞里什么都没有,我们只能够从黑洞外面观测到质量、角动量、电荷等几个基本物理量。

以上种种,都是引力的力量。万有引力企图把这个世界的一切都弄成球形,最终弄没了。

宇宙终结理论之一的大坍缩理论,就是在引力作用,宇宙膨胀到达一个临界点就会开始收缩,最终使宇宙坍缩回一个奇点。

宇宙是从无限小的奇点中来,又回到化为乌有的奇点中去,这就是引力最终把一切都弄没了。

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