【原】为什么宇宙中大质量星体的形状总是趋于球形？

艾牛科普君 2020-01-01

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人类对地球形状的认识过程

古代比较盛行天圆地方的世界观，那时人们凭直觉认为大地是平的，而天空是圆的。

其实，在公元前就有人认为地球是圆球的。据记载，世界上最早认为地球是圆球形的人是古希腊时期的毕达哥拉斯，不过这在当时完全没有任何证据可以支持这一观点。之后的亚里士多德也继承和发展了这一观点，并从科学上给出了一些依据。基于这一观点，公元前三世纪时的古希腊学者埃拉托色尼根据不同地理位置上日影的长度，结合几何学知识，首次测量出了地球的周长，并且测量得到的结果与现代的测量结果相差不大。

古罗马时期的托勒密是天文学和地理学的集大成者，他为地圆说注入了新的活力，此后的大航海时代都要用到他的研究成果。16世纪初，在麦哲伦的带领下，人类实现了首次环球航行，并确切的证明了地球是个圆球。从提出地球是球形的猜想，到完全证明这个结论，人类花了2000年的时间。

在卫星以及现代测量技术的帮助下，人类已经精确测量出了地球的极半径为6357km，赤道半径为6378km，两者相差21公里。这表明，地球并不是一个标准的球形，而是椭球形，赤道附近要稍微鼓一点。

近现代的天文观测发现，不仅地球是球形的，金木水火土等其他七大行星也是球形的，太阳、月亮这些天体也是球形的。那么为什么这些大质量的星体都趋于球形呢？接下来，科学探索菌来为大家详细介绍一下。

天体和星球

宇宙包含了一切时间、空间和物质。在宇宙中存在的各种物质，不管他们的形式如何，都被称之为天体。

物质在宇宙间或聚集、或弥散，不管是恒星还是星系、星云，各种在宇观层面上处于连续分布状态的物质结构都可以被称之为天体。比如银河系就属于天体，而银河系中的单独一个恒星也是天体。按物质分布的密实程度来分，处于聚集状态的被称之星体，处于弥散状态的被称之为星云，呈弥散状且极其稀薄的物质被称之为星际物质。星云和星际物质主要由各种气体和尘埃构成。有时，天文信号源（射电源、红外源、紫外源、X射线源和γ射线源）及地外人造航天器也可以被称之为天体。

宇宙间天体的形状各异，像行星、恒星等近似球状的巨型星体则被称之为星球，而像小行星、彗星这样形状不规则的星体则不能称之为星球。地球就属于天体，并且是一颗星球，而且还是已知唯一拥有生命的星球。

圆和球的数学之美

圆是最优美的平面图形，而球是最优美的立体图形。相传，毕达哥拉斯就是据此提出地圆说的。那这是为什么呢？

通过计算，数学家们发现：在所有平面图形中，周长相等，圆所围成的面积最大；在所有几何体中，表面积相等，球的体积最大。此外，圆和球都是对称的，任意两个圆或者球都是相似的。

为什么星体的形状总是趋于球形？

星体的形成源于引力，它的形状自然也与引力有关。

宇宙始于大爆炸，宇宙中最早的恒星是在大爆炸几亿年后形成的。爆炸初期，宇宙中温度极高、物质密度极大，经过几十万年的膨胀和冷却，宇宙中分布着由氢和氦构成的气态物质。

由于质量分布不均匀，导致某些位置引力强、某些位置引力弱，在引力的作用下，这些气态物质发生收缩，并凝聚成团。大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，质量较大的气团又会吸引周围其他质量较小的气团。长此以往下去，这些云团核心处的压力和温度会不断升高，最终将会达到发生氢核聚变的条件，于是一颗恒星就这样诞生了。恒星诞生之后剩下的尘埃盘，则形成了行星以及其它小天体。而构成地球的物质则来源于死亡后的恒星残骸。

在星体形成时，物质会向着引力中心聚集，边缘的物质在引力的拉扯下会逐渐向中心移动，直到保持平衡。引力作用于四面八方，假设引力源是个点，那么在三维空间中所有到定点距离相等的点围成的就是一个球面，随着距离的增加，引力作用将以球面扩散开来，离引力源越远的地方引力越弱。球的表面积为4πr^2，半径越大、球的表面积就越大，而物理量的密度分布和面积成反比。物质之间的引力之所以和距离的平方成反比，也就是这么个原理，通常被称之为平方反比律。

当物质在引力的作用下发生收缩时，会受到来自物质内部的抵抗力。当天体的密度及质量过大时，只有当物质以球状分布时，内部的支撑力与外部的压力才能保持平衡，天体才能保持稳定的结构，并阻止进一步的坍缩。此时，这个星体便处于流体静力平衡状态，恒星之所以能够维持稳定就是此原因。而形成黑洞的原因，就是因为引力过于强大，物质无可避免的发生了坍缩。

当星体的质量过小，比如小行星，它们的形状就是不规则的，因为他们不需要达到了流体静力平衡状态，就能够保持结构的稳定。天文学家在行星的定义中，首要的条件就是星体要达到流体静力平衡状态，也就是星体的形状必须是球形，要想达到此标准，星体的质量就必须足够大。因为只有足够大的质量，才能产生足够强的引力，在引力的作用下才能成为球形。