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。
上图为太阳系的形成示意图
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。