为什么天体和原子都是圆的?

星体确实存在很多球体的(如果非要杠一下,这些星体也不都是严格的球体),不过也不都是球形的。而原子,分子可都不是球体的。

星体

我们先从星体说起,实际上星体有很多都不是球体,我们举个最近的例子,那就是奥陌陌。看起来有点像一根棍的椭球形。可能就是因为长得不像球体,所以很多人还以为它是外星人的战舰呢。实际上,并不是这样,很多陨石和小行星都不是球形,到底会不会成为一个球形其实和自身引力有关。

说完不是球体,再来说类球的,像太阳系中的太阳和各大行星其实看起来就很接近球体了。那究竟是为什么?如果用通俗的话来说,这其实是因为“懒”,对的,你没有看出,宇宙万物都很懒,所以你也没有必要为了自己的“懒”找借口,这压根就是天生的,无论是微观还是宏观。

像地球、太阳这类天体,引力足够大,还带自传的,一般来说最省力的形状叫做:马克劳林椭球。

为啥会叫这么奇怪的名字呢?这是因为天体为啥长成这样其实是一个古老的话题了,自打牛顿开始就有一堆人投身进去,但是借以失败告终,最早一个给出一个像样说法的人就叫做:马克劳林。

如果我们把地球的数据代入到马克劳林给出的公式来计算,就可以得出地球自转27.5小时一天,出现这样的误差在于地球是个岩石星球的缘故。

所以,实际上无论是理论还是观测,地球其实都不是一个球,而是一个椭球。赤道稍稍宽点,两极短一点,有点矮胖的椭圆。其他星体其实也是类似的。

不过,按照目前的研究来看,如果天体的自转足够快,其实是有可能变成一个还的。因为根据目前的理论分析,转得越快,环要比椭球还要稳定得多。不过,目前还没有观测到类似的,只停留在理论上。

因此,我们可以得出这样的结论,实际上由于要保持能量最低的状态,一般来说,如果引力足够大,那就会成为一个马克劳林椭球。如果引力不够大,其实成为其他形状也是有可能的。但并不存在正园的状态,这是因为正圆其实并不稳定。

微观世界

至于分子,原子,电子等是不是球形,实际上可能是被上学时老师的教具忽悠了。

这个确实只是为了教学方便才这样的。我们可以先从原子的角度出发,最早的汤姆逊确实以为原子模型是有点像球形的,这也被称为枣糕模型,原子核上面镶嵌着电子。

后来,卢瑟福通过α粒子散射实验发现,事实并不是这样的,并且提出了一个模型。其中原子核小小的,大部分质量都在原子核上。如果原子有操场那么大,那么原子核最多一只蚂蚁那么大。但是卢瑟福的模型有个问题,那就是按照麦克斯韦理论,这些电子会最终跌落到原子核上,成为汤姆孙提出枣糕模型的样子。

后来,波尔通过巴尔末的光谱,提出了原子的行星模型,他认为存在电子轨道,电子只能从一个能级跃迁到另一个能量,吸收或者放出正好是这个能级的能量。这就有点像太阳系的感觉,其实也不是球形。

但其实波尔的模型也没撑太久,原子序数大的原子根本没办法用这套理论。后来,海森堡就搞出了不确定性原理,他认为电子出现是随机的,是个概率事件。所以,还是小小的一个原子核,而电子呢?就在周围瞬移。具体瞬移到哪,其实是个概率事件。而且我们不可能通知知道电子的动量和位置,观测本身就会影响到电子。

所以,在这种情况下,其实原子也并非是个球形,而且这还只是氢原子的情况,随着原子序数的上升,其实电子云的形状还会发生改变。

我们还可以来瞧瞧电子的情况,那电子到底是不是球形的呢?答案是,我们根本不知道。目前来说,电子到底长多大,我们还不能完全搞清楚,甚至电子是不是存在形状都是一个问题。有的科学家认为它就是一个几何点,也有的科学家倾向于相信它是个球形,如果按照目前的理论来看,电子可能是一个直径为10^-38厘米的球体。但是这个远远超出我们的观测范围,因此,还没办法确定。

所以,我们来总结一下,分子和原子并非是球形的,而电子目前的理论认为它是一个半径上限是10^-38厘米的球体,但还没有任何可支持的观测证据存在。

所以,综合天体和微观的情况,其实大多都不是球体,而目前最有戏的可能是电子。