为什么天体大多都是球形？

其实是两种力对决的结果

李 鉴

2019年10月15日  来源：科技日报

可能我们很多人都好奇过，为什么天体大多都是球形？

这首先要从水滴说起。水滴为什么总是球形？这是因为水的表面就像一张紧绷的有弹性的薄膜，如果把一根针轻轻地平放到水面上，可以发现虽然它的密度比水大得多，但并不会沉下去，而是将水面压出一个小凹槽，浮在上面。水表面的这层“薄膜”产生的张力，稳稳地托住了钢针。液体的表面张力，总是使得水滴趋向于使其表面积最小的形态，也就是球形。

球形对应着液滴表面势能最小的状态，而势能最小时，系统最稳定。这被称为“最小势能原理”：对任何一个系统，如果它的势能没有达到“最小”，它总要设法变化到其相对最小的势能位置。

电磁力使固体保持“身材”

那为什么像岩石、铁块这样的固体，就算放到失重环境下也不会成为球形呢？这涉及到宏观世界里起主要作用的两种力：电磁力和引力。正是它们塑造了物体的形状。

在宏观尺度中，主要作用力是电磁力。我们熟知的摩擦力、磁铁吸附铁片的力、桌子支撑书本的力都是电磁力。和液体相比，固体里分子的间距很小，分子间的电磁力很大(且引力与斥力平衡)，所以固体能保持一定的形状和一定的体积，不易变形。

而物体受到的重力，则是来自于地球的引力。在宏观和微观层面，电磁力要比引力强得多，我们以一个边长为10厘米的正方体石块(密度取为2.5克/立方厘米，总质量为2.5千克)为例，来对电磁力和引力做个比较。

石块内部的分子通过电磁力形成化学键，从而得以聚集在一起形成固定的形状。同时，石块里的每个分子都会对其他分子产生引力。但这颗石头分子聚合产生的引力要小于电磁力，所以石块自身的引力是不可能破坏化学键而使它发生明显变形或破裂的，此时电磁力对石块的形状起了决定性作用。

如果把石块的大小增加到边长为10千米，它的总质量将达到1015千克的量级。这时，随着石头质量的增加，它的每个分子的平均自引力势能也将增加，由于分子之间的电磁力仍然保持不变，所以现在石块的自引力势能与化学键结合能之间的差别就大为缩小了，但还差7个数量级，形状依然是个立方块，不会受到任何影响。但此时的石头已经达到了岩石的抗张极限，大概会被地球引力撕裂，散成碎块，这也是为什么地球上的山峰高度都没有超过10千米的原因。

引力让大质量天体成为球形

如果继续增加石块的质量，让它成为如今的地球，将会发生什么情况？

这时引力与化学键电磁力角力的结果将会反转。引力将战胜化学键电磁力成为主宰，这块岩石从里到外，会在自身引力的作用下被压碎，不可避免地会发生变形。那么它会变成什么形状呢？

根据“最小势能原理”，它会变成一个球。这时它的核心可能会因为高温高压而电离、熔融(地球就有一个固态内核和液态外核)，产生更强大的能与引力相抗衡的电磁力，但不再是此前的化学键电磁力。在这个尺度，引力所起的作用和液滴的表面张力有点类似，坚硬的岩石在它面前也变得如面团般柔软，引力会把它塑造成为引力势能最小的形状——球形。

虽然地球这样的行星都相当接近球形，但也并不是完美的球。这是因为球体的自转产生的惯性离心力，在赤道附近最大，两极最小(等于零)。导致的结果就是两极要比赤道更平，星体成为一个椭球状。这在自转较快的气态巨行星木星、土星上表现得相当明显。

也有天文学家提出，如果天体的自转足够快，最终的形状可能并不是椭球，而是一个环，也就是像甜甜圈那样的形状。因为自转很快时，环形的能量可能要比椭球更低，因此也更稳定。不过，目前还没有真的观测到这样的天体，这仍然只是理论推测。(作者系北京天文馆研究员)