天上的星星為什么長成一個樣兒

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？這是因為水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，但并不會沉下去，而是將水面壓出一個小凹槽，浮在上面。水表面的這層“薄膜”產(chǎn)生的張力，能穩(wěn)穩(wěn)地托住這根針。液體的表面張力，使得液體總是趨向于使其表面積最小的形態(tài)，也就是球形。

球形對應著液滴表面勢能最小的狀態(tài)，而勢能最小時，系統(tǒng)最穩(wěn)定。這被稱為“最小勢能原理”：對任何一個系統(tǒng)，如果它的勢能沒有達到“最小”，它總要設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)境下也不會成為球形呢？這涉及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，固體中分子的間距很小，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，則來自地球的引力。在宏觀和微觀層面，電磁力要比引力強得多，我們以一個邊長為10厘米的正方體石塊（密度取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比較。

石塊內(nèi)部的分子通過電磁力形成化學鍵，從而得以聚集在一起形成固定的形狀。同時，石塊里的每個分子都會對其他分子產(chǎn)生引力。但這顆石頭中的分子聚合產(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鍵而使石塊發(fā)生明顯變形或破裂的，此時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)量將達到1015千克的量級。這時，隨著石頭質(zhì)量的增加，它的每個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鍵結合能之間的差別就大大縮小了，但還差7個數(shù)量級，形狀依然是個立方塊，不會受到任何影響。但此時的石頭已經(jīng)達到了巖石的抗張極限，大概會被地球引力撕裂，散成碎塊，這也是為什么地球上的山峰垂直高度不會超過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，將會發(fā)生什么情況？

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

根據(jù)“最小勢能原理”，它會變成一個球形。這時它的核心可能會因為高溫、高壓而電離、熔融（地球就有一個固態(tài)內(nèi)核和液態(tài)外核），產(chǎn)生更強大的能與引力相抗衡的電磁力，但不再是此前的化學鍵電磁力。在這個尺度下，引力所起的作用和水滴的表面張力有點類似，堅硬的巖石在它面前也變得如面團般柔軟，引力會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接近球形，但也并不是完美的球。這是因為球體的自轉產(chǎn)生的慣性離心力，在赤道附近最大，兩極最小（等于零）。這樣導致的結果就是兩極要比赤道更平，星體成為一個橢圓體。這在自轉較快的氣態(tài)巨行星木星、土星上表現(xiàn)得更為明顯。

也有天文學家提出，如果天體的自轉足夠快，最終的形狀可能并不是橢圓體，而是一個環(huán)，也就是像甜甜圈那樣的形狀。因為自轉很快時，環(huán)形的能量可能要比橢圓體更低，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。