李鑒

尼古拉·特斯拉

我能把地球劈兩半！

萬(wàn)物有形：電磁力功不可沒(méi)

天地萬(wàn)物的存在狀態(tài)大體可分為固體、液體、氣體三類。固體的形狀雖然千奇百怪，但總是確定的。因?yàn)楣腆w中分子通過(guò)電磁力形成化學(xué)鍵，分子之間的間距很小，電磁作用力很大，分子不能自由移動(dòng)，于是固體就有了確定的形狀。

液體分子之間的距離比固體遠(yuǎn)得多，分子間的電磁吸引力較小，因此分子運(yùn)動(dòng)比較自由，可以不處于固定的位置，所以液體沒(méi)有固定的形狀。但是我們小時(shí)候一定都好奇過(guò)，當(dāng)沒(méi)有形狀的液體散成很小的液滴時(shí)，卻又有了確定的形狀一近似球形，譬如荷葉上的露珠，這是怎么回事呢？

液滴成球的主要“推手”是液體的表面張力，其本質(zhì)是水分子之間的電磁力。

如果設(shè)法消除地球引力的影響，例如讓液滴在失重的太空中自由下落，表面張力會(huì)使液滴呈現(xiàn)完美的球形。這是因?yàn)樾螤顬榍蛐螘r(shí)液滴的表面勢(shì)能最小，而勢(shì)能最小時(shí)，系統(tǒng)最穩(wěn)定，這就是“最小勢(shì)能原理”。它是許多物理現(xiàn)象背后的“主謀”。

萬(wàn)物有聯(lián)：萬(wàn)有引力無(wú)處不在

除了電磁力以外，宇宙中還存在一種無(wú)所不在的力，即萬(wàn)有引力。只不過(guò)對(duì)石塊和水滴來(lái)說(shuō)，電磁力要比引力強(qiáng)大得多。引力隨物體的質(zhì)量增加而增加，而電磁力只和電量有關(guān)，與質(zhì)量無(wú)關(guān)。要想破壞一個(gè)化學(xué)鍵，所需能量的量級(jí)大致在10^-20～10^-18焦耳。假設(shè)有一塊邊長(zhǎng)為10厘米，密度為3克/立方厘米，總質(zhì)量為3千克且不受外力的石塊，其內(nèi)部的分子通過(guò)電磁力形成化學(xué)鍵。要破壞這些化學(xué)鍵，需要施加的力大約為10⁸牛頓/平方米，接近這個(gè)數(shù)值的力會(huì)讓石塊變形乃至破裂。

另一方面，只要有質(zhì)量存在就會(huì)產(chǎn)生萬(wàn)有引力，因此這個(gè)小石塊里的每個(gè)分子都會(huì)對(duì)其他分子產(chǎn)生吸引力。當(dāng)我們破壞化學(xué)鍵，將石塊打散成一個(gè)個(gè)分子后，如果想把它們四散移動(dòng)到遠(yuǎn)處，必須還要克服它們相互之間的萬(wàn)有引力。

力量拉鋸：石塊中的競(jìng)技場(chǎng)

電磁力和萬(wàn)有引力就像拔河一樣在石塊中角力，不過(guò)對(duì)這個(gè)10厘米見(jiàn)方的小石塊而言，每個(gè)分子的自引力的作用要比電磁力小得多，所以石塊是不可能發(fā)生明顯變形的。

如果石塊的大小增加到邊長(zhǎng)為10千米，又會(huì)怎么樣呢？質(zhì)量的增加會(huì)使分子的平均自引力勢(shì)能將增加到19^-25焦耳的量級(jí)，電磁力卻不隨質(zhì)量變化?，F(xiàn)在二者之間的差距已經(jīng)大大縮小了，但仍有差距，它依然可以保持立方塊的外形。

但如果是在地球上情況就大不一樣了，因?yàn)榈厍蛏系奈矬w無(wú)一例外還會(huì)受到一個(gè)外力一地球?qū)λ┘拥囊?。加上地球引力后，巖石便達(dá)到了抗張極限。可以想見(jiàn)這么大的石塊是不會(huì)在地表穩(wěn)定存在的，會(huì)被地球引力撕裂成碎塊。這也是為什么地球上的山峰高度都沒(méi)有超過(guò)10千米的原因。

宇觀尺度：引力統(tǒng)治世界

如果繼續(xù)增加石塊的質(zhì)量，讓它達(dá)到和地球（6×10²⁴千克，半徑6400千米）同一量級(jí)，將會(huì)發(fā)生什么情況？

這時(shí)引力勢(shì)能與化學(xué)鍵結(jié)合能之間角力的結(jié)果將會(huì)反轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在這個(gè)巨石平均每個(gè)分子的自引力勢(shì)能已超過(guò)了化學(xué)鍵的結(jié)合能，更是大大高于巖石的抗張極限。引力將戰(zhàn)勝電磁力成為主宰，這塊巖石從里到外，會(huì)在自身引力的作用下被壓碎?？赡苤挥须x地表差不多3千米以內(nèi)的部分可以保持完整，但也不可避免地會(huì)發(fā)生變形。

那么它會(huì)變成什么形狀呢？根據(jù)“最小勢(shì)能原理”，它會(huì)變成一個(gè)球。在這個(gè)尺度，再堅(jiān)硬的巖石在引力面前也像面團(tuán)般柔軟，引力會(huì)將其“揉捏”成為引力勢(shì)能最小的形狀一球形。它的核心會(huì)因?yàn)楦邷馗邏憾婋x、熔融（地球就有一個(gè)固態(tài)內(nèi)核和液態(tài)外核，目前人們了解得還很少），產(chǎn)生其他形式的力與引力抗衡。

當(dāng)然以上所述只是我們的思想實(shí)驗(yàn)，像地球這么龐大的天體，形成過(guò)程是非常復(fù)雜、漫長(zhǎng)的，不可能直接由巨大的巖石塊“變形”而來(lái)。

奇形怪狀：宇宙中的小天體

地球分層結(jié)構(gòu)圖

在這場(chǎng)電磁力和引力的拉鋸戰(zhàn)中，勝負(fù)取決于物體的質(zhì)量。硅酸鹽天體大約在質(zhì)量超過(guò)10²⁰千克（大致為地球質(zhì)量的萬(wàn)分之一）時(shí)，會(huì)被引力塑造為近球形。密度更低的冰質(zhì)天體的臨界質(zhì)量會(huì)更小一些。

這在天文觀測(cè)上也得到了證實(shí)。小行星帶中第四大的健神星，可能就位于臨界質(zhì)量附近。它是一個(gè)含有大量水冰的天體，形狀很接近球形。而質(zhì)量、密度比它更高的巖質(zhì)星球一灶神星，盡管引力也在試圖讓它成為球形，形狀卻仍不規(guī)則。而那些尺度只有幾十千米的小行星或彗星、彗核，更是千差萬(wàn)別，和球形相去甚遠(yuǎn)。2017年造訪太陽(yáng)系的天外來(lái)客“奧陌陌”，形狀為類似雪茄的長(zhǎng)條形，難怪有人戲稱它是外星人乘坐的宇宙飛船。

行星形狀：歷經(jīng)周折終成球

總之，萬(wàn)有引力不會(huì)允許出現(xiàn)大質(zhì)量的不規(guī)則天體。像地球這樣的巖質(zhì)行星，個(gè)頭還不算大，也并不是完美的球，表面還有山巒起伏等（盡管和星球半徑相比可以忽略不計(jì)）。土星、木星這樣的氣態(tài)巨行星沒(méi)有固體表面，會(huì)更加均勻，不過(guò)卻受另一個(gè)因素影響更大，那就是自轉(zhuǎn)。自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力，在赤道附近最大、兩極附近最小，在極點(diǎn)處等于零。結(jié)果會(huì)使得星體的兩極要比赤道更平一些，成為橢球狀。木星、土星的自轉(zhuǎn)周期都只有10小時(shí)左右，它們的扁平外形相當(dāng)明顯。

也有人提出，如果天體的自轉(zhuǎn)足夠快，最終的形狀可能并不是橢球，而是一個(gè)環(huán)，也就是像甜甜圈那樣的形狀。因?yàn)榇藭r(shí)環(huán)形的勢(shì)能可能要比橢球更低，因此也更穩(wěn)定。不過(guò)目前還沒(méi)有觀測(cè)到這樣的天體，這仍然只是理論推測(cè)。而且從恒星、行星、衛(wèi)星的形成過(guò)程來(lái)看，一堆運(yùn)動(dòng)很快的物質(zhì)能否順利地聚集成團(tuán)恐怕也是個(gè)問(wèn)題。

現(xiàn)在我們可以回到本文開(kāi)頭提出的問(wèn)題了。假如真的有一股力量把地球劈成了兩半并且將兩個(gè)半球拉開(kāi)（這至少需要2×10³⁰牛頓的力！），由于每個(gè)半球的質(zhì)量仍高達(dá)3×10²⁴千克，遠(yuǎn)大于10²⁰千克，它們?nèi)匀粫?huì)在自身引力的作用下成為球形。也就是說(shuō)：即使能像切西瓜一樣把地球劈成兩半，它只會(huì)變成兩個(gè)球，而不會(huì)是兩個(gè)半球。

（責(zé)任編輯/陳瑩 美術(shù)編輯/滿斗工作室）

延伸閱讀

沒(méi)有大海能浮起土星

在太陽(yáng)系的八顆行星中，土星的密度最小，甚至比水還要輕。我們經(jīng)常在書(shū)上看到這樣的話：“如果有一個(gè)巨大的海洋可以把土星裝進(jìn)去，那么它將漂浮在水面上?！边@個(gè)比擬很形象，對(duì)我們記住土星的特點(diǎn)很有幫助。

只是如果真的有個(gè)天體上能有這么大的海洋，土星在靠近它時(shí)，恐怕早已被其引力撕碎。而即便能完整地放到海里，它也不會(huì)漂起來(lái)，而是會(huì)在這顆星球的巨大引力作用下瓦解，“融化”到海里，兩者共同組成一個(gè)近球形的新天體。雖然看上去少了點(diǎn)浪漫，但這是引力所能允許的唯一結(jié)果。

當(dāng)然，如果鉆個(gè)牛角尖，其實(shí)還可以說(shuō)，比土星還大的行星只可能是氣態(tài)巨行星（例如木星）。在強(qiáng)大的引力作用下，物質(zhì)從外到內(nèi)，逐漸從氣態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，不會(huì)存在海洋和陸地等明確的表面。也就是說(shuō)，引力也不會(huì)允許存在這么大的海！