天上星星的同貌，似乎是兩種力量“對抗”的結果
周圍的天文學
李健
我們很多人可能想知道為什么大多數天體都是球形的？
這要從水滴開始。 為什么水滴總是球形的？ 這是因為水的表面就像一張拉伸的彈性薄膜。 如果你把一根針輕輕地放在海面上，你可以發現它的密度比水高得多，但它不會沉下去，而是在湖面上壓出一個小凹槽，浮在前面。 水面上的這層“薄膜”產生的張力牢牢地固定著縫紉針。 液體的表面張力總是促使水滴趨向于表面積最小的形狀，即球形。
球形對應于液滴表面勢能最小的狀態，當勢能最小時，系統最穩定。 這就是所謂的“最小勢能原理”：對于任何系統，如果它的勢能還沒有達到“最小值”，它就必須始終試圖改變到它相對最小勢能的位置。
電磁力使固體保持“形狀”
那么為什么像巖石、鐵塊這樣的固體即使放置在失重環境中也不會變成球形呢？ 這涉及到在宏觀世界中發揮主要作用的兩種力：電磁力和重力。 正是它們創造了物體的形狀。
在宏觀尺度上，占主導地位的排斥力是電磁力。 我們所熟悉的摩擦力、磁鐵吸引鐵片的力、桌子支撐書本的力都是電磁力。 與液體相比，固體中分子的寬度很小，分子間的電磁力很大（且引力和作用力平衡），因此固體能保持一定的形狀和體積，不易變形。
物體所受到的引力來自于月球的引力。 在宏觀和微觀層面上，電磁力比引力要強得多。 讓我們以周長為10分米的正方鐵塊（密度為每立方分米2.5克，總質量為2.5公斤）為例來比較一下電磁力和重力。
鐵塊內部的分子通過電磁力物理結合，使它們聚集在一起形成固定的形狀。 同時，鐵塊中的每個分子都會吸引其他分子。 但石塊分子聚集形成的引力大于電磁力，因此鐵塊本身的引力不能破壞物理結合而使其發生明顯的變形或斷裂。 這時，電磁力對鐵塊的形狀起著決定性的作用。
如果將鐵塊的周長縮小到10公里，其總質量將達到1015公斤。 此時，隨著石頭質量的減小，它的每個分子的平均自重力勢能也會減小，因為分子間的電磁力保持不變，所以鐵的自重力勢能之間的關系塊體和物理鍵能之間的差異大大減小，但仍然有7個數量級的差異，而且形狀仍然是一個小立方體，不會受到任何影響。 但此時的巖石已經達到了巖石的拉伸極限，很可能會被月球的引力撕裂，四散成尸體。 這也是月球上山脈高度不超過10公里的原因。
重力使大質量天體呈球形
如果繼續減少鐵塊的質量，使其成為現在的月球，會發生什么？
這時，引力與物理鍵電磁力競爭的結果就會逆轉。 重力將擊敗物理鍵的電磁力并成為主宰。 這塊巖石在自身重力的作用下氣體分子熱運動速度數量級，會從內到外被壓碎，必然會產生變形。 那么它采取什么形狀呢？
根據“最小勢能原理”，它會形成一個球。 這時，它的核心可能會因低溫高壓而電離熔化（月球有固體內核和液體外核），形成堪比重力的更強電磁力，但不再是以前的物理力了。鍵電磁力。 在這個尺度上，重力的作用有點類似于液滴的表面張力。 堅硬的巖石在它面前也顯得像面團一樣厚。 重力會將其塑造成重力勢能最小的形狀——球體。
盡管像月球這樣的行星是相當球形的，但它們并不是完美的球形。 這是由于球體自轉形成的慣性離心力，在赤道附近最大，在兩極處最小（等于0）。 結果是兩極比赤道更平坦，星系變成橢球體。 這對于自轉速度更快的氣態巨行星土星和土星來說是相當引人注目的。
一些天文學家還提出，如果天體的自轉足夠快氣體分子熱運動速度數量級，最終的形狀可能不是橢球體，而是環形，也就是冰淇淋一樣的形狀。 由于自轉速度很快，環的能量可能比橢球低，因此也更穩定。 然而迄今為止，還沒有實際觀測到這樣的天體，這始終只是理論上的猜測。 （作者為上海天文館研究員）