天上星星的同貌，似乎是兩種力量“對(duì)抗”的結(jié)果
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李健
我們很多人可能想知道為什么大多數(shù)天體都是球形的？
這要從水滴開(kāi)始。 為什么水滴總是球形的？ 這是因?yàn)樗谋砻婢拖褚粡埨斓膹椥员∧ぁ?如果你把一根針輕輕地放在海面上，你可以發(fā)現(xiàn)它的密度比水高得多，但它不會(huì)沉下去，而是在湖面上壓出一個(gè)小凹槽，浮在前面。 水面上的這層“薄膜”產(chǎn)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(duì)應(yīng)于液滴表面勢(shì)能最小的狀態(tài)，當(dāng)勢(shì)能最小時(shí)，系統(tǒng)最穩(wěn)定。 這就是所謂的“最小勢(shì)能原理”：對(duì)于任何系統(tǒng)，如果它的勢(shì)能還沒(méi)有達(dá)到“最小值”，它就必須始終試圖改變到它相對(duì)最小勢(shì)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(huán)境中也不會(huì)變成球形呢？ 這涉及到在宏觀世界中發(fā)揮主要作用的兩種力：電磁力和重力。 正是它們創(chuàng)造了物體的形狀。
在宏觀尺度上，占主導(dǎo)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(shū)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(lái)自于月球的引力。 在宏觀和微觀層面上，電磁力比引力要強(qiáng)得多。 讓我們以周長(zhǎng)為10分米的正方鐵塊（密度為每立方分米2.5克，總質(zhì)量為2.5公斤）為例來(lái)比較一下電磁力和重力。
鐵塊內(nèi)部的分子通過(guò)電磁力物理結(jié)合，使它們聚集在一起形成固定的形狀。 同時(shí)，鐵塊中的每個(gè)分子都會(huì)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(jié)合而使其發(fā)生明顯的變形或斷裂。 這時(shí)，電磁力對(duì)鐵塊的形狀起著決定性的作用。
如果將鐵塊的周長(zhǎng)縮小到10公里，其總質(zhì)量將達(dá)到1015公斤。 此時(shí)，隨著石頭質(zhì)量的減小，它的每個(gè)分子的平均自重力勢(shì)能也會(huì)減小，因?yàn)榉肿娱g的電磁力保持不變，所以鐵的自重力勢(shì)能之間的關(guān)系塊體和物理鍵能之間的差異大大減小，但仍然有7個(gè)數(shù)量級(jí)的差異，而且形狀仍然是一個(gè)小立方體，不會(huì)受到任何影響。 但此時(shí)的巖石已經(jīng)達(dá)到了巖石的拉伸極限，很可能會(huì)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(guò)10公里的原因。
重力使大質(zhì)量天體呈球形
如果繼續(xù)減少鐵塊的質(zhì)量，使其成為現(xiàn)在的月球，會(huì)發(fā)生什么？
這時(shí)，引力與物理鍵電磁力競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果就會(huì)逆轉(zhuǎn)。 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(yùn)動(dòng)速度數(shù)量級(jí)，會(huì)從內(nèi)到外被壓碎，必然會(huì)產(chǎn)生變形。 那么它采取什么形狀呢？
根據(jù)“最小勢(shì)能原理”，它會(huì)形成一個(gè)球。 這時(shí)，它的核心可能會(huì)因低溫高壓而電離熔化（月球有固體內(nèi)核和液體外核），形成堪比重力的更強(qiáng)電磁力，但不再是以前的物理力了。鍵電磁力。 在這個(gè)尺度上，重力的作用有點(diǎn)類(lèi)似于液滴的表面張力。 堅(jiān)硬的巖石在它面前也顯得像面團(tuán)一樣厚。 重力會(huì)將其塑造成重力勢(shì)能最小的形狀——球體。
盡管像月球這樣的行星是相當(dāng)球形的，但它們并不是完美的球形。 這是由于球體自轉(zhuǎn)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(jié)果是兩極比赤道更平坦，星系變成橢球體。 這對(duì)于自轉(zhuǎn)速度更快的氣態(tài)巨行星土星和土星來(lái)說(shuō)是相當(dāng)引人注目的。
一些天文學(xué)家還提出，如果天體的自轉(zhuǎn)足夠快氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速度數(shù)量級(jí)，最終的形狀可能不是橢球體，而是環(huán)形，也就是冰淇淋一樣的形狀。 由于自轉(zhuǎn)速度很快，環(huán)的能量可能比橢球低，因此也更穩(wěn)定。 然而迄今為止，還沒(méi)有實(shí)際觀測(cè)到這樣的天體，這始終只是理論上的猜測(cè)。 （作者為上海天文館研究員）