大夥覺得地球圓嗎?地球上最高的珠穆朗瑪峰高8844米,最深的海溝馬裡亞納海溝深超過11000米。這意味著地球表面的相對高度差不多有20000米。如此巨大的絕對高度,因此很多人覺得地球其實並不圓。可是大夥要知道,圓不圓是相對的,地球的直徑為12756千米,相對高度的20千米只佔地球直徑的0.16%。按照這個比例,將地球縮小到乒乓球大小,我們會發現,地球的表面比乒乓球還要光滑。所以我們可以說,地球是圓的。
可是大夥發現沒有,從地球,月球,乃至太陽系的八大行星和太陽本身,宇宙間無盡的天體,只要品質足夠大,我們會驚奇地發現,它們竟然都是圓的,都近似一個球體。那為什麼不是長方體,圓柱體,和其它幾何體的形狀呢?為什麼宇宙中的天體形狀不能是形態各異的呢?為什麼所有的大品質天體只能是球形而不是其它形狀呢?總的來說一句話可以解釋:因為大品質天體自身的重力克服了自身的缸體應力,從而呈現出了一種流體靜力平衡的狀態,也就是球體。
怎麼理解這句話呢?通俗點說就是隻有天體呈球形的時候,才是天體受力平衡達到的最穩定狀態,所以天體的最終形態是由它所受的力決定的。物理學告訴我們,固定物質之所以能夠保持自身的形狀,是因為它自身的剛體應力,當出現一個大於這個應力的作用力的時候,就可以改變這個固定的形狀。舉個例子,對於一塊鋼鐵,我們用手捏的話,手施加給鋼鐵的力遠遠小於鋼鐵自身的應力,而當我們用液壓機去壓鋼鐵時,鋼鐵就會發生劇烈的形變,因為液壓機施加在鋼鐵身上的力遠大於鋼鐵自身的應力。同樣的道理,宇宙中的天體也一樣,當出現一個大於這個天體自身剛體應力的作用力時,這個天體就會發生形變。
對於大品質天體而言,這個作用力就是它自身的引力,品質越大,引力就越大,天體自身的引力會把天體表面的物質向中心收縮。如果我們將天體看成一個質點,那麼天體引力的等勢面恰好就是一個球面,在這個引力等勢面上,每一點的引力大小都是相等的,其方向都指向這個質點,這就保證了天體的表面受到了一個以球心為中心,均勻分佈的向著球心的力,當這個力與天體自身的剛體應力達到平衡時,也就是達到流體靜力平衡之後,一個呈現球形的天體就出現了。所以我們可以得到這樣一個結論,天體的形狀與大小和其自身的物質屬性和重力大小有著直接的關係。天體自身的引力越大,這個天體就越容易呈現球形,天體上的山峰就不會太高。地球第一高峰珠穆朗瑪峰有8844米,而火星的引力只有地球的1/3,火星上最高的山峰奧林匹斯山有21171米。所以整體來看,地球與火星相比,更加接近一個球體。
當天體的品質很小時,比如太陽系內的一些隕石碎片,它們自身的引力就不足以對抗其自身的剛體應力,這樣的天體,其形狀長得就很隨意,所以太陽系內的小天體,什麼奇形怪狀的都有。基於這個物理事實,國際天文聯合會對大行星的第一條定義就是:必須在自身引力下達到流體靜力平衡狀態。除此以外,天體的形狀還與天體的自轉速度有關。在自轉的影響下,由於離心力的作用,天體表面的物質會有向赤道方向靠攏的趨勢,天體會因此呈現成一個赤道微微隆起,兩極略扁的扁球形狀,理論上宇宙中的天體都在自轉,只是有的快有的慢而已,因此實際上,宇宙中的天體都只是類球體,完美球體的天體在宇宙中理論上是不存在的,就連白矮星,中子星這樣的極限天體也不是完美的球體。
除了自轉以外,對於一些被潮汐鎖定的天體,它們的形狀還會受到潮汐力的影響而改變。所謂潮汐鎖定,就是兩個相互繞行的天體由於引力的作用使得其中一個天體始終只有一面面向對方。比如我們的月球就被地球潮汐鎖定了,所以我們在地球上永遠也看不到月背。在地球引力的作用下,月球表面慢慢地被拉成了一個橢球體。綜上我們可以知道,天體最終會形成什麼形狀,是由它所受到的力的的共同作用所決定的。天體的品質越大,其形狀就越接近球體。
那麼這裡大家可以開一個腦洞,宇宙中會存在一個體型比地球還大的非類球體形的生物嗎?在人類現有的理論框架內,這樣的生物是不存在的。目前宇宙中,還不存在有什麼物質的剛體應力強度能夠支撐這麼大的重力。所以,宇宙中大概率不存在著比地球還大的生物,就算它真的存在,那它也是個球,那我們害怕個球!