李 鑒

　　可能我們(men) 很多人都好奇過，為(wei) 什麽(me) 天體(ti) 大多都是球形？

　　這首先要從(cong) 水滴說起。水滴為(wei) 什麽(me) 總是球形？這是因為(wei) 水的表麵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麵上，可以發現雖然它的密度比水大得多，但並不會(hui) 沉下去，而是將水麵壓出一個(ge) 小凹槽，浮在上麵。水表麵的這層“薄膜”產(chan) 生的張力，穩穩地托住了鋼針。液體(ti) 的表麵張力，總是使得水滴趨向於(yu) 使其表麵積最小的形態，也就是球形。

　　球形對應著液滴表麵勢能最小的狀態，而勢能最小時，係統最穩定。這被稱為(wei) “最小勢能原理”：對任何一個(ge) 係統，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(ti) 保持“身材”

　　那為(wei) 什麽(me) 像岩石、鐵塊這樣的固體(ti) ，就算放到失重環境下也不會(hui) 成為(wei) 球形呢？這涉及到宏觀世界裏起主要作用的兩(liang) 種力：電磁力和引力。正是它們(men) 塑造了物體(ti) 的形狀。

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

　　而物體(ti) 受到的重力，則是來自於(yu) 地球的引力。在宏觀和微觀層麵，電磁力要比引力強得多，我們(men) 以一個(ge) 邊長為(wei) 10厘米的正方體(ti) 石塊（密度取為(wei) 2.5克/立方厘米，總質量為(wei) 2.5千克）為(wei) 例，來對電磁力和引力做個(ge) 比較。

　　石塊內(nei) 部的分子通過電磁力形成化學鍵，從(cong) 而得以聚集在一起形成固定的形狀。同時，石塊裏的每個(ge) 分子都會(hui) 對其他分子產(chan) 生引力。但這顆石頭分子聚合產(chan) 生的引力要小於(yu) 電磁力，所以石塊自身的引力是不可能破壞化學鍵而使它發生明顯變形或破裂的，此時電磁力對石塊的形狀起了決(jue) 定性作用。

　　如果把石塊的大小增加到邊長為(wei) 10千米，它的總質量將達到1015千克的量級。這時，隨著石頭質量的增加，它的每個(ge) 分子的平均自引力勢能也將增加，由於(yu) 分子之間的電磁力仍然保持不變，所以現在石塊的自引力勢能與(yu) 化學鍵結合能之間的差別就大為(wei) 縮小了，但還差7個(ge) 數量級，形狀依然是個(ge) 立方塊，不會(hui) 受到任何影響。但此時的石頭已經達到了岩石的抗張極限，大概會(hui) 被地球引力撕裂，散成碎塊，這也是為(wei) 什麽(me) 地球上的山峰高度都沒有超過10千米的原因。

　　引力讓大質量天體(ti) 成為(wei) 球形

　　如果繼續增加石塊的質量，讓它成為(wei) 如今的地球，將會(hui) 發生什麽(me) 情況？

　　這時引力與(yu) 化學鍵電磁力角力的結果將會(hui) 反轉。引力將戰勝化學鍵電磁力成為(wei) 主宰，這塊岩石從(cong) 裏到外，會(hui) 在自身引力的作用下被壓碎，不可避免地會(hui) 發生變形。那麽(me) 它會(hui) 變成什麽(me) 形狀呢？

　　根據“最小勢能原理”，它會(hui) 變成一個(ge) 球。這時它的核心可能會(hui) 因為(wei) 高溫高壓而電離、熔融（地球就有一個(ge) 固態內(nei) 核和液態外核），產(chan) 生更強大的能與(yu) 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(ge) 尺度，引力所起的作用和液滴的表麵張力有點類似，堅硬的岩石在它麵前也變得如麵團般柔軟，引力會(hui) 把它塑造成為(wei) 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，但也並不是完美的球。這是因為(wei) 球體(ti) 的自轉產(chan) 生的慣性離心力，在赤道附近最大，兩(liang) 極最小（等於(yu) 零）。導致的結果就是兩(liang) 極要比赤道更平，星體(ti) 成為(wei) 一個(ge) 橢球狀。這在自轉較快的氣態巨行星木星、土星上表現得相當明顯。

　　也有天文學家提出，如果天體(ti) 的自轉足夠快，最終的形狀可能並不是橢球，而是一個(ge) 環，也就是像甜甜圈那樣的形狀。因為(wei) 自轉很快時，環形的能量可能要比橢球更低，因此也更穩定。不過，目前還沒有真的觀測到這樣的天體(ti) ，這仍然隻是理論推測。（作者係北京天文館研究員）

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