土星能否浮在水中？

趙恒杰

當(dāng)透過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)土星時(shí)，你會(huì)被它漂亮的光環(huán)深深吸引住，那耀眼奪目的光環(huán)像是一枚散發(fā)著美麗光芒的戒指，使土星成為群星中最美麗的一顆。

除了令人著迷的光環(huán)，土星還有另一特點(diǎn)：低密度。我們經(jīng)常會(huì)在教科書(shū)和其他文章中看到，土星的密度較低，按照該密度值，土星似乎能漂浮在水中。真的是這樣嗎？如果這顆星球可以漂浮，那么需要多深的水呢？

土星的密度

首先，我們假設(shè)土星是一個(gè)正球體，現(xiàn)在就可以很容易地計(jì)算出它的密度。根據(jù)維基百科的數(shù)據(jù)，土星的質(zhì)量為5.68×1026千克，半徑約5.6×107米。根據(jù)球體計(jì)算公式V球=4/3πR3，可以得到正球體土星的體積；接著通過(guò)質(zhì)量和體積的關(guān)系ρ=m/v，計(jì)算出它的密度約為772千克/立方米。

我們知道，水的密度是1000千克/立方米，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，顯然土星的密度是小于水的，所以土星會(huì)浮起。

對(duì)嗎？不要忙著下結(jié)論。

需要多深的水呢？

我們先假設(shè)有一個(gè)由水覆蓋的星球，且面積足夠大，擁有非常多的水，而且其重力大小恒定，重力方向都可以看成是垂直向下的（因?yàn)樾乔蜃銐虼螅Ｈ绻列强梢云≡谶@個(gè)水星球上，需要有多深的水？

根據(jù)物理學(xué)知識(shí)，假設(shè)土星漂浮在水中，則它的一部分將在水下。使用前面的土星密度，得到土星體積的77.2%將沉在水下。那么土星沉入水中的最深點(diǎn)到水面的距離是多少？我們可以看看下面這張圖片。

現(xiàn)在我們需要得到深度h的值，也就是土星在水之下的深度。很明顯，深度的值比土星的半徑還要大。

因?yàn)橥列浅猎谒碌捏w積占77.2%，那么球冠的體積（浮出水面的頂部）為整個(gè)球體土星體積的22.8%，已知土星的半徑，我們可以計(jì)算出需要的水有7.7×107米深。這個(gè)數(shù)值是地球直徑的6倍左右！你來(lái)想象一下，6個(gè)地球直徑的水深有多少？

不太可能存在的水星球

假設(shè)土星周?chē)_實(shí)有一顆巨大的水星球，對(duì)于土星來(lái)說(shuō)，“水面”跟地球水杯中的水面一樣足夠平坦，土星是否能在水星球上浮起來(lái)？這樣的水星球會(huì)是什么樣的？這里畫(huà)出了一張草圖。

圖中假設(shè)這顆水星球的內(nèi)部是空心的（原因后面會(huì)講到）。然而，根據(jù)這張草圖的比例，可知水星球的半徑將比土星的半徑大8倍。依照這個(gè)數(shù)值，水星球的大小差不多和太陽(yáng)一個(gè)等級(jí)了。

因?yàn)樗乔蚨际撬?，水是氫和氧的結(jié)合體，你知道哪里有很多氫氣？那就是我們太陽(yáng)系的恒星——太陽(yáng)，太陽(yáng)也有大量的氫。以太陽(yáng)的情況來(lái)推理的話，擁有氫的巨大水星球，其內(nèi)核可能會(huì)發(fā)生核聚變。然而，如果水星球內(nèi)部發(fā)生聚變，就會(huì)導(dǎo)致壓力過(guò)大，物體就很難保持液體狀態(tài)了，所以水星球的內(nèi)部不可能是水，這也就是我們需要假設(shè)它是空心的原因了。

這樣一顆水星球有可能存在嗎？顯然不太可能。因?yàn)樗乔蛐枰乃嗔?，就算是把太?yáng)系所有的水資源集合起來(lái)，也不無(wú)法滿(mǎn)足它的需要。

被“毀滅”了的土星

讓我們繼續(xù)想象下去，假設(shè)水星球擁有很深的水，而且能維持水的液體狀態(tài)。此時(shí)的土星（假設(shè)是靜止的）會(huì)浮起來(lái)嗎？答案仍舊是不會(huì)浮起來(lái)。

在地球上，如果你把一個(gè)乒乓球扔在裝滿(mǎn)水的水桶里，它就會(huì)浮起，因?yàn)槠古仪蚴且粋€(gè)剛性物體，但土星不是。土星外層的體積很大，充滿(mǎn)了分子氫，內(nèi)部則是一種密度更高的物質(zhì)，也許是金屬氫和巖石組成的核心，也可能是金屬氫或巖石組成的核心。高密度物質(zhì)之所以在星球的中心，那是因?yàn)橐Φ南嗷プ饔谩?/p>

但是如果把非剛體的土星放在巨型水星球的水面上，會(huì)發(fā)生怎樣一種情況呢？如果水星球的質(zhì)量非常大，那么水星球的引力和土星的各種力綜合作用的結(jié)果是：總引力的方向指向了水星球的中心。在這種情況下，土星所有的物質(zhì)，特別是高密度的核心，也將被拉向水星球的中心。為了顯示出土星的核心，我們把漂浮圖改一下：

那么，都有哪些力量作用在土星的核心上呢？一方面，水星球的引力會(huì)將土星核心向下拉。但在另一邊，土星大氣層中的氫會(huì)將核心向上推，但因?yàn)闅洳粔蛎芗?，所以向上的力很小，因此土星核心將向水星球表面“下降”。而土星大氣層中的氫將繼續(xù)上升，很可能成為水星球大氣中的一部分。

這樣的變化之后，土星可能有點(diǎn)像一枚沒(méi)有蛋殼的生雞蛋。最后，土星的內(nèi)核——一個(gè)巨大的金屬氫和巖石組成的核心，或單獨(dú)由金屬氫或巖石組成的核心，掉在了水星球海洋的底部。此時(shí)，土星的大氣層已經(jīng)遠(yuǎn)離其內(nèi)核，位于高空。最終結(jié)果就是，土星被分離了，它的面貌已經(jīng)被徹底改變了，變得不再像原來(lái)的土星，甚至可以說(shuō)它被水星球“毀滅”了。

當(dāng)然，以上整個(gè)過(guò)程，我們都只是在假設(shè)。