李鑒

　　可能我們很多人都好奇過，為什么天體大多都是球形？

　　這首先要從水滴說起。水滴為什么總是球形？這是因?yàn)樗�的表面就像一張緊繃的有彈性的薄膜，如果把一根針輕輕地平放到水面上，可以發(fā)現(xiàn)雖然它的密度比水大得多，但并不會(huì)沉下去，而是將水面壓出一個(gè)小凹槽，浮在上面。水表面的這層“薄膜”產(chǎn)生的張力，穩(wěn)穩(wěn)地托住了鋼針。液體的表面張力，總是使得水滴趨向于使其表面積最小的形態(tài)，也就是球形。

　　球形對應(yīng)著液滴表面勢能最小的狀態(tài)，而勢能最小時(shí)，系統(tǒng)最穩(wěn)定。這被稱為“最小勢能原理”：對任何一個(gè)系統(tǒng)，如果它的勢能沒有達(dá)到“最小”，它總要設(shè)法變化到其相對最小的勢能位置。

　　電磁力使固體保持“身材”

　　那為什么像巖石、鐵塊這樣的固體，就算放到失重環(huán)境下也不會(huì)成為球形呢？這涉及到宏觀世界里起主要作用的兩種力：電磁力和引力。正是它們塑造了物體的形狀。

　　在宏觀尺度中，主要作用力是電磁力。我們熟知的摩擦力、磁鐵吸附鐵片的力、桌子支撐書本的力都是電磁力。和液體相比，固體里分子的間距很小，分子間的電磁力很大(且引力與斥力平衡)，所以固體能保持一定的形狀和一定的體積，不易變形。

　　而物體受到的重力，則是來自于地球的引力。在宏觀和微觀層面，電磁力要比引力強(qiáng)得多，我們以一個(gè)邊長為10厘米的正方體石塊(密度取為2.5克/立方厘米，總質(zhì)量為2.5千克)為例，來對電磁力和引力做個(gè)比較。

　　石塊內(nèi)部的分子通過電磁力形成化學(xué)鍵，從而得以聚集在一起形成固定的形狀。同時(shí)，石塊里的每個(gè)分子都會(huì)對其他分子產(chǎn)生引力。但這顆石頭分子聚合產(chǎn)生的引力要小于電磁力，所以石塊自身的引力是不可能破壞化學(xué)鍵而使它發(fā)生明顯變形或破裂的，此時(shí)電磁力對石塊的形狀起了決定性作用。

　　如果把石塊的大小增加到邊長為10千米，它的總質(zhì)量將達(dá)到1015千克的量級。這時(shí)，隨著石頭質(zhì)量的增加，它的每個(gè)分子的平均自引力勢能也將增加，由于分子之間的電磁力仍然保持不變，所以現(xiàn)在石塊的自引力勢能與化學(xué)鍵結(jié)合能之間的差別就大為縮小了，但還差7個(gè)數(shù)量級，形狀依然是個(gè)立方塊，不會(huì)受到任何影響。但此時(shí)的石頭已經(jīng)達(dá)到了巖石的抗張極限，大概會(huì)被地球引力撕裂，散成碎塊，這也是為什么地球上的山峰高度都沒有超過10千米的原因。

　　引力讓大質(zhì)量天體成為球形

　　如果繼續(xù)增加石塊的質(zhì)量，讓它成為如今的地球，將會(huì)發(fā)生什么情況？

　　這時(shí)引力與化學(xué)鍵電磁力角力的結(jié)果將會(huì)反轉(zhuǎn)。引力將戰(zhàn)勝化學(xué)鍵電磁力成為主宰，這塊巖石從里到外，會(huì)在自身引力的作用下被壓碎，不可避免地會(huì)發(fā)生變形。那么它會(huì)變成什么形狀呢？

　　根據(jù)“最小勢能原理”，它會(huì)變成一個(gè)球。這時(shí)它的核心可能會(huì)因?yàn)楦邷馗邏憾�電離、熔融(地球就有一個(gè)固態(tài)內(nèi)核和液態(tài)外核)，產(chǎn)生更強(qiáng)大的能與引力相抗衡的電磁力，但不再是此前的化學(xué)鍵電磁力。在這個(gè)尺度，引力所起的作用和液滴的表面張力有點(diǎn)類似，堅(jiān)硬的巖石在它面前也變得如面團(tuán)般柔軟，引力會(huì)把它塑造成為引力勢能最小的形狀——球形。

　　雖然地球這樣的行星都相當(dāng)接近球形，但也并不是完美的球。這是因?yàn)榍蝮w的自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力，在赤道附近最大，兩極最小(等于零)。導(dǎo)致的結(jié)果就是兩極要比赤道更平，星體成為一個(gè)橢球狀。這在自轉(zhuǎn)較快的氣態(tài)巨行星木星、土星上表現(xiàn)得相當(dāng)明顯。

　　也有天文學(xué)家提出，如果天體的自轉(zhuǎn)足夠快，最終的形狀可能并不是橢球，而是一個(gè)環(huán)，也就是像甜甜圈那樣的形狀。因?yàn)樽赞D(zhuǎn)很快時(shí)，環(huán)形的能量可能要比橢球更低，因此也更穩(wěn)定。不過，目前還沒有真的觀測到這樣的天體，這仍然只是理論推測。(作者系北京天文館研究員)