【編者按】
「科學星期五」是一檔關於科學和科技的欄目，逢周五播出，給有好奇心的人。接下來再談點比較物理的東西——先從簡單的談起。
當我們越出行星本身的範圍，用更廣的視角來看，一個行星最簡單、但也算得上最重要的物理性質乃是質量。說它「重要」，是因為行星對外顯示的力量主要是引力，而質量是引力的源泉。說它「簡單」，則是因為質量是一個總量，不像地貌那樣瑣碎；而且數值穩定，不像溫度那樣多變；更主要的是，質量通常是很容易確定的，比如地球的質量是中學生都能推算的——當然，前提是萬有引力常數的數值已知。
不過這種「簡單」到了擅出難題的水星這裡也變成了難題，因為測算行星質量的基本思路是利用行星的引力，具體方法則是觀測在行星引力作用下物體——比如衛星——的運動。不幸的是，水星卻是一位「光杆司令」，連一顆衛星都沒有。因此，本該很容易確定的質量在水星這裡變成了難題。
當然，這難題絕非無解。比如1841年，德國天文學家恩克率先通過分析一顆經過水星附近天區的彗星所受的引力攝動，對水星質量進行了粗略測算。又比如1968年，小行星伊卡洛斯從距離水星1,600萬公裡處掠過，天文學家們通過對它所受水星引力攝動的分析，也對水星質量進行了測算。測算水星質量的其它手段還包括利用其對離它最近的行星——金星——的引力攝動，以及利用其對「水手10號」行星探測器的引力攝動等。但最精確的測算，則是利用已成為水星「人造衛星」的「信使號」水星探測器。經過一系列測算，水星的質量被確定為33,000億億（3.3×1020）噸左右，僅相當於地球質量的5.5%左右，在太陽系行星之中是最小的。
另一方面，水星的大小早在公元5世紀就被一位印度天文學家以不可思議的運氣估算到了99%的精度，此後經「水手10號」探測器等的測定，被確定為了直徑約4,879公裡。由於自轉緩慢，水星幾乎不存在因自轉造成的形變，從而總體形狀非常接近球形。由質量和直徑不難計算出水星的表面重力加速度約為3.7米/秒2，相當於地球表面重力加速度的40%左右。這意味著，一個120斤重的人在水星上的的體重僅為45斤左右，會有「身輕如燕」的感覺。
由質量和直徑還可計算出水星的平均密度約為5.4克/釐米3。這是一個非同小可的密度，在太陽系行星中僅次於地球的約5.5克/釐米3。但是，地球由於質量比水星大得多，其密度在一定程度上是被巨大的「自重」壓出來的，若把這一因素剔除，地球物質的所謂「非壓縮密度」其實只有4.4克/釐米3左右，甚至更低。相比之下，水星由於質量小，其密度顯得更「貨真價實」，哪怕剔除掉「自重」造成的壓縮作用，也仍高達5.0克/釐米3以上。因此，從單純的物質組成來講，水星其實是一個密度比地球更大的行星，也是太陽系中密度最大的行星。
密度這麼大的一個直接推論就是水星上含有超高比例的重元素，尤其是鐵或鐵的化合物——因為鐵是太陽系中最常見、數量最多的重元素。在重力影響下，經過幾十億年的漫長時光，水星上的重元素大都沉入內部，構成了一個富含重元素的核心。從水星的密度可以推知，它的這一核心約佔總質量的75-80%左右，遠高於地核佔地球總質量的32.5%的比例。相應地，水星的類似地幔和地殼的部分在總質量中所佔的比例則比地球及其它類地行星小得多，堪稱是一種「皮薄餡厚」的奇特結構。
水星為什麼會有超高比例的重元素及「皮薄餡厚」的奇特結構呢？這是它給天文學家們出的又一道難題——一道側重物理的難題。初看起來，這題目似乎並非真的很難，因為太陽系形成之初，離原始太陽這一「光明的源泉」越近的區域溫度越高，從而使得行星盤中較輕的、易揮發的物質傾向於被驅離到遠處，留下來的則富集了不易揮發的重元素。這個特點在定性上與太陽系中固態的類地行星離太陽近，氣態的巨行星離太陽遠的大格局基本一致。按照這個特點，離太陽最近的水星理應有最高比例的重元素。
不過，定性上雖能說通，定量上卻還差點。計算表明，由上述因素所產生的「非壓縮密度」只能達到4.5克/釐米3左右，與5.0克/釐米3以上的實際值尚有不小的偏差。為了解釋這一偏差，一些天文學家做出了一個大膽的猜測：猜測水星原本是一個比現在大得多的行星，只是在演化的早期不幸遭遇了一次超級撞擊，撞擊的雙方分別為質量約為目前水星質量兩倍的「原水星」和一個質量約為目前水星質量1/5的「大隕石」。這種比形成「卡洛裡盆地」的撞擊還要恐怖無數倍的超級撞擊的後果可就不是什麼隕石坑，或「對蹠點效應」了，它不僅使「原水星」的成長中途「夭折」，而且還對整個外層造成了毀滅性破壞，大部分物質慘遭剝離，使原本正常大小的核心相對於殘存的外層來說變得異乎尋常的大。
這種猜測可靠嗎？實在很難說。在太陽系形成的早期，超級碰撞的發生本身當然不是不可思議的，但對於這種發生在幾十億年前的災變型事件，想尋找確鑿證據卻是極其困難的。而這種事件的規模之劇烈，不定因素之眾多，又使得理論計算註定只能是粗略的。如果一定要對這種難以精密驗證的猜測進行評價的話，也許只能耍滑地說上一句「希望與挑戰並存」：這種猜測能定性地解釋諸如超高比例的重元素、「皮薄餡厚」的奇特結構那樣的特徵，從而是有希望的；但它也面臨一些挑戰，比如按這種猜測，水星外層最易被剝離的揮發性物質的含量應該微乎其微，但「信使號」水星探測器卻在水星外層發現了數量較多的揮發性物質。看來，關於水星的這道側重物理的難題還有待進一步探索。
水星給天文學家們出的另一道側重物理的難題則是我們前面提到過的水星的磁場。那磁場的強度只有地球磁場強度的1%左右，但強度雖小，它出現在像水星這樣「小塊頭」的行星上卻仍然是出乎意料的。水星的磁場是如何產生的呢？這也是一道難題。
關於天體磁場的產生，目前最流行的機制是所謂的「發電機機制」，它要求天體內部存在旋轉或對流著的導電流體。這對於像地球這樣「大塊頭」的行星或像太陽那樣的恆星來說是輕而易舉就能實現的要求，但對水星來說卻有點麻煩。因為水星的質量實在太小了一點，是被假設有可能存在發電機機制的質量最小的天體。質量小為什麼有麻煩呢？這是因為天體內部導電流體的存在需要一個能熔化內部物質的高溫環境，而後者的產生又通常有賴於天體「自重」帶來的巨大壓強。因此，發電機機制對天體質量有一定的要求，而像水星這樣質量較小的行星似乎難以滿足要求，從而有點麻煩。
為了解決麻煩，天文學家們提出了一些假設，比如假設水星內部存在較多的放射性物質（它們衰變產生的能量有助於實現高溫環境），或假設存在特殊的隔熱物質防止熱量散失（從而有助於維持高溫環境）。造就高溫環境的另一種可能的幕後推手是水星所受太陽引力的潮汐作用，這種作用對於像水星這樣離太陽近，而且軌道偏心率大的行星是比較顯著的，它會使水星因形變而產生能量。
除了造就高溫環境外，降低水星內部物質的熔點也有助於導電流體的存在。這方面的一種假設是認為水星內部某些區域的鐵與其他物質（比如硫）組成了熔點較低——從而更容易成為流體——的化合物，比如硫化鐵——它的熔點比鐵低300多度。這種假設有一個額外的好處，就是水星的密度雖然很高，卻也沒有高到鐵的程度，假設一部分鐵與像硫那樣密度較低的元素組成化合物，從密度角度講也有一定的合理性。
當然，上述假設並非互相排斥，而是有可能共同起著作用。除發電機機制外，也有天文學家猜測目前的水星磁場乃是過去曾經有過的磁場的殘餘。這種猜測的好處是不必假設水星內部目前仍存在導電流體，從而不必煞費苦心地為這種存在尋找理由。缺點則是水星的磁場雖然微弱，作為殘餘磁場卻似乎又太強了。
真正的答案是什麼呢？目前還無法知曉。我們確切知曉的是：所有這些有關水星磁場的假設或猜測都有賴於水星內部的物質分布，而後者又有賴於對水星更詳細的觀測來間接推算。在目前這種觀測數據比較匱乏的情形下，推算不出唯一的模型，確立不了模型的可靠性，都是不足為奇的。
關於水星我們就介紹到這裡，沒有空氣、酷熱、嚴寒……是水星環境的主要標誌，這樣的環境無疑是「糟透了」，但在行星大世界裡，它遠不是最糟糕的——事實上，跟它的鄰居、離太陽次遠的金星相比，水星的環境就已經算不錯的了。
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