天上星星的同貌，似乎是两种力量“对抗”的结果
周围的天文学
李健
我们很多人可能想知道为什么大多数天体都是球形的？
这要从水滴开始。 为什么水滴总是球形的？ 这是因为水的表面就像一张拉伸的弹性薄膜。 如果你把一根针轻轻地放在海面上，你可以发现它的密度比水高得多，但它不会沉下去，而是在湖面上压出一个小凹槽，浮在前面。 水面上的这层“薄膜”产生的张力牢牢地固定着缝纫针。 液体的表面张力总是促使水滴趋向于表面积最小的形状，即球形。
球形对应于液滴表面势能最小的状态，当势能最小时，系统最稳定。 这就是所谓的“最小势能原理”：对于任何系统，如果它的势能还没有达到“最小值”，它就必须始终试图改变到它相对最小势能的位置。
电磁力使固体保持“形状”
那么为什么像岩石、铁块这样的固体即使放置在失重环境中也不会变成球形呢？ 这涉及到在宏观世界中发挥主要作用的两种力：电磁力和重力。 正是它们创造了物体的形状。
在宏观尺度上，占主导地位的排斥力是电磁力。 我们所熟悉的摩擦力、磁铁吸引铁片的力、桌子支撑书本的力都是电磁力。 与液体相比，固体中分子的宽度很小，分子间的电磁力很大（且引力和作用力平衡），因此固体能保持一定的形状和体积，不易变形。
物体所受到的引力来自于月球的引力。 在宏观和微观层面上，电磁力比引力要强得多。 让我们以周长为10分米的正方铁块（密度为每立方分米2.5克，总质量为2.5公斤）为例来比较一下电磁力和重力。
铁块内部的分子通过电磁力物理结合，使它们聚集在一起形成固定的形状。 同时，铁块中的每个分子都会吸引其他分子。 但石块分子聚集形成的引力大于电磁力，因此铁块本身的引力不能破坏物理结合而使其发生明显的变形或断裂。 这时，电磁力对铁块的形状起着决定性的作用。
如果将铁块的周长缩小到10公里，其总质量将达到1015公斤。 此时，随着石头质量的减小，它的每个分子的平均自重力势能也会减小，因为分子间的电磁力保持不变，所以铁的自重力势能之间的关系块体和物理键能之间的差异大大减小，但仍然有7个数量级的差异，而且形状仍然是一个小立方体，不会受到任何影响。 但此时的岩石已经达到了岩石的拉伸极限，很可能会被月球的引力撕裂，四散成尸体。 这也是月球上山脉高度不超过10公里的原因。
重力使大质量天体呈球形
如果继续减少铁块的质量，使其成为现在的月球，会发生什么？
这时，引力与物理键电磁力竞争的结果就会逆转。 重力将击败物理键的电磁力并成为主宰。 这块岩石在自身重力的作用下气体分子热运动速度数量级，会从内到外被压碎，必然会产生变形。 那么它采取什么形状呢？
根据“最小势能原理”，它会形成一个球。 这时，它的核心可能会因低温高压而电离熔化（月球有固体内核和液体外核），形成堪比重力的更强电磁力，但不再是以前的物理力了。键电磁力。 在这个尺度上，重力的作用有点类似于液滴的表面张力。 坚硬的岩石在它面前也显得像面团一样厚。 重力会将其塑造成重力势能最小的形状——球体。
尽管像月球这样的行星是相当球形的，但它们并不是完美的球形。 这是由于球体自转形成的惯性离心力，在赤道附近最大，在两极处最小（等于0）。 结果是两极比赤道更平坦，星系变成椭球体。 这对于自转速度更快的气态巨行星土星和土星来说是相当引人注目的。
一些天文学家还提出，如果天体的自转足够快气体分子热运动速度数量级，最终的形状可能不是椭球体，而是环形，也就是冰淇淋一样的形状。 由于自转速度很快，环的能量可能比椭球低，因此也更稳定。 然而迄今为止，还没有实际观测到这样的天体，这始终只是理论上的猜测。 （作者为上海天文馆研究员）