太陽系的誕生
無論宇宙多么壯麗遼闊,深邃莫測,我們總不能永遠(yuǎn)沉湎于
它的宏偉之中.我們必須回到我們生活的星球小家族中來,回到
我們的太陽以及環(huán)繞著太陽的星球上來.
到了牛頓時代,人們已經(jīng)能夠把地球和太陽系的產(chǎn)生作為整
個宇宙產(chǎn)生問題中的一個單獨(dú)問題進(jìn)行理智的推測.（太陽是構(gòu)
成我們銀河系的億萬顆恒星中的一顆,而地球是環(huán)繞著太陽的行
星中的一個.太陽系的示意圖表明,太陽系是一個具有某些統(tǒng)一
特征的結(jié)構(gòu).


1．所有的大行星幾乎都在太陽的赤道面上環(huán)繞著.換句話
說,如果你給太陽和它的行星做一個立體模型的話,你就會發(fā)現(xiàn)
這個模型可以做得正好放進(jìn)一個非常淺的平底鍋上.
2．如果你從北極星方向往下看太陽系的話,所有的大行星
都以相同的方向——逆時針方向繞著太陽轉(zhuǎn)動.
3．各個大行星在繞太陽公轉(zhuǎn)的同時,還繞自己的軸逆時針
方向的自轉(zhuǎn)（有某些例外）；太陽本身也在逆時針方向自轉(zhuǎn).
4．這些行星離太陽的距離平穩(wěn)地增加,而且都有近乎圓形
的軌道.
5．除了某些例外,所有的衛(wèi)星都在其各自的行星赤道面上,
以近乎圓形的軌道沿著逆時針方向繞行星運(yùn)行.
這張圖中的普遍規(guī)律性使人們自然而然地認(rèn)為,整個太陽系
是由某種單一的過程產(chǎn)生的.
那么,太陽系的生成過程是怎樣的呢?到目前為止,所提出
的全部理論可以分為兩類：災(zāi)變說和演化說.災(zāi)變說的觀點(diǎn)是,
太陽是單獨(dú)生成的,在其歷史上的某個較晚的階段,由于發(fā)生了
某個激烈的事件,結(jié)果使太陽得到了一個家族.演化說則認(rèn)為,
太陽和行星,整個系統(tǒng)從一開始就是以有條不紊的方式形成的.
在18世紀(jì),當(dāng)時科學(xué)家們?nèi)悦曰笥谑ソ?jīng)故事中的大洪水之類
巨大事件,因此認(rèn)為地球的歷史充滿著激烈的災(zāi)變的假說頗受歡
迎.那么為什么不能有一次超級大災(zāi)變來開始這整個過程呢?法
國博物學(xué)家布豐1745年提出了一個流行的理論,認(rèn)為太陽系是太
陽和一個彗星在一次相撞時產(chǎn)生的碎片生成的.
布豐當(dāng)然指的是太陽和另一個具有相當(dāng)質(zhì)量的天體的碰撞,
他之所以稱這個天體為彗星是由于想不出別的名稱.我們現(xiàn)在知
道,所謂彗星,其實(shí)是被幾縷極稀薄的氣體及塵埃包圍著的微小
天體.但布豐的理論仍然可以存在,只要我們給碰撞的天體另起
一個名字就行了.后來,天文學(xué)家們又回到了他的想法.
雖然如此,對某些人來說,把引起太陽系誕生的過程,設(shè)想
成一個時間很長很長的非災(zāi)變的過程,似乎更為自然,更少偶然
性.這種想法能以某種方式適應(yīng)牛頓所提出的支配宇宙中星球運(yùn)
動的自然定律.
牛頓自己曾經(jīng)提出,太陽系可能是由稀薄的氣體塵埃云在萬
有引力的作用下逐漸凝聚而成的.當(dāng)這些粒子聚集在一起時,引
力場會增強(qiáng),從而會加速凝聚,最后,整個質(zhì)量就會坍縮成一個
致密的天體（太陽）,收縮所釋放的能量使天體變得熾熱.
實(shí)質(zhì)上,這是今天有關(guān)太陽系起源的一些最流行的理論的基
礎(chǔ).但是要回答一些具體問題,還有許許多多困難的問題需要解
決,比如說,高度離散的氣體怎么能被非常微弱的引力聚集在一
起呢?近幾年來,天文學(xué)家提出,這一起始力可能是一次超新星
爆發(fā).設(shè)想一大片數(shù)十億年來沒有多大變化的氣體塵埃云,恰巧
行經(jīng)一顆剛剛爆發(fā)的超新星周圍,爆發(fā)產(chǎn)生的激波和巨大的塵埃
氣體風(fēng)暴強(qiáng)行沖入那片接近寧靜的氣體塵埃云,增強(qiáng)了它的引力
場,開始了它的凝聚,結(jié)果就形成了一顆恒星.

示意圖：形成太陽系的原始星云
如果這就是太陽誕生的方式,那么行星又是如何產(chǎn)生的呢?
它們是從哪里來的呢?1755年康德首先試圖解答這個問題,1796
年法國天文學(xué)家兼數(shù)學(xué)家拉普拉斯也試圖獨(dú)立地解答這個問題.
拉普拉斯描述得比較詳細(xì).
根據(jù)拉普拉斯的描述,開始時這一大團(tuán)收縮的物質(zhì)云在旋轉(zhuǎn)
著,越收縮旋轉(zhuǎn)得越快,正如滑冰的人把手臂內(nèi)收時旋轉(zhuǎn)得更快
一樣.（這種效應(yīng)是由于角動量守恒：角動量等于轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)
動慣量I和角速度ω的乘積,即Iω.對于不受外力作用的給定
物體,總角動量為恒量.當(dāng)滑冰者雙臂收回時,轉(zhuǎn)動慣量I減小,
角速度ω增大,所以旋轉(zhuǎn)得更快.）當(dāng)這團(tuán)旋轉(zhuǎn)的氣體塵埃云加
速后,按照拉普拉斯的說法,會從其快速旋轉(zhuǎn)的赤道上拋出一個
物質(zhì)環(huán),從而減少了一些角動量,剩下的氣體塵埃云就慢下來.
但是因?yàn)樗M(jìn)一步收縮,它就會再一次達(dá)到那個速度；使它拋出
另一個物質(zhì)環(huán).這樣,正在聚結(jié)中的太陽就留下一系列的圓環(huán)——
輪胎狀的物質(zhì)云.拉普拉斯認(rèn)為,這些圓環(huán)逐漸凝聚成行星,而
它們自身也按著這個過程拋出一些小圓環(huán),形成它們的衛(wèi)星.
因?yàn)楦鶕?jù)這個觀點(diǎn),太陽系的起源乃是一團(tuán)云或星云,同時
因?yàn)槔绽乖e仙女座星云為例（當(dāng)時還不知道仙女座星云是
一個巨大的星系,而被認(rèn)為是一團(tuán)旋轉(zhuǎn)著的氣體塵埃云）,所以
這種說法被稱為星云假說.
拉普拉斯的星云假說看起來非常符合太陽系的主要特征——
甚至某些細(xì)節(jié).比方說,土星的光環(huán)很可能是凝結(jié)不起來的衛(wèi)星
環(huán)（如果把這些環(huán)聚集在一起,的確能夠形成一個相當(dāng)大的衛(wèi)星）.
同樣,在火星和木星之間的一條帶區(qū)里繞著太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的小行星,
可能是一個環(huán)的一些節(jié)段的產(chǎn)物,這個環(huán)未能聚合成一個行星.
而當(dāng)亥姆霍茲和開爾文勛爵逐步建立起太陽的能量來自太陽慢速
收縮的理論時,他們的理論似乎也符合拉普拉斯的說法.
星云假說盛行了大半個19世紀(jì),但在19世紀(jì)結(jié)束之前卻出現(xiàn)
了明顯的致命缺陷.1859年,麥克斯韋以數(shù)學(xué)的方法分析土星環(huán),
發(fā)現(xiàn)由任何物體拋出的氣體物質(zhì)環(huán)只能凝結(jié)成像土星環(huán)那樣的小
粒子集合體,永遠(yuǎn)不會形成一個固體,因?yàn)槿f有引力會把環(huán)拉散,
不讓它凝聚成一個堅固天體.
角動量的問題也出現(xiàn)了.原來在太陽系中,行星所占的質(zhì)量
僅略大于1．1％,卻擁有總角動量的98％!單是木星就占有整個
太陽系總角動量的60％.太陽則只占原始星云角動量的極小的一
部分.那么,為什么幾乎全部的角動量都集中在從星云分裂出去
的小環(huán)上呢?
由于下述情況,這個問題變得更加令人迷惑不木星和土
星都有一個衛(wèi)星系統(tǒng),看上去像是兩個小型的太陽系,而且可能
是以同樣的方式形成的,但是中心的行星體卻保留了大部分角動
量.
到了1900年,星云假說已經(jīng)毫無生氣,以致任何演化的觀點(diǎn)
似乎都不可相信.于是災(zāi)變說又登場了.1905年,兩位美國科學(xué)
家錢伯林和莫爾頓用一個比彗星更好的字眼,把行星解釋成是太
陽和另一顆恒星幾乎碰撞的結(jié)果.這次相遇從太陽和那顆恒星中
拉出一些氣體物質(zhì),留在我們太陽附近的那些物質(zhì)云團(tuán)后來凝縮
成一些小的星子,然后再聚成行星.這就是星系假說.至于角動
量的問題,英國科學(xué)家金斯和H·杰弗里斯1918年提出了一種潮
汐假說,他們認(rèn)為,從我們太陽旁邊經(jīng)過的那顆恒星的萬有引力
把被拖出去的氣體物質(zhì)從側(cè)面猛拉了一下,從而使氣體物質(zhì)有了
角動量,如果這種災(zāi)變理論是正確的,那么行星系統(tǒng)將會是非常
稀少的.超新星爆發(fā)已經(jīng)是很罕見的了,而分布遙遠(yuǎn)的恒星發(fā)生
碰撞的可能性還不到超新星的1/10000,據(jù)估計,根據(jù)這種理論在
銀河系的一生中,能夠產(chǎn)生太陽系這類的碰撞大概只發(fā)生過10次.
但是,在數(shù)學(xué)分析的檢驗(yàn)之下,這些設(shè)計災(zāi)變的最初企圖均
未成功.羅素證明,在任何這種接近碰撞中,行星在離太陽就像
實(shí)際那么遠(yuǎn)的地方就早毀滅了.此外,為了補(bǔ)救這一理論,人們
曾經(jīng)設(shè)想了各種實(shí)際碰撞而不是接近碰撞的情形,也沒有什么成
效,在20世紀(jì)30年代,利特爾推測有一次三顆恒星相撞的可能性；
后來,霍伊爾提出太陽曾經(jīng)有過一個伴星,以后變成超新星消失
了,留下了現(xiàn)在這些行星.然而1939年,美國天文學(xué)家斯皮策證
明,在任何情況下,從太陽拋射出來的任何物質(zhì)都會因過熱而無
法凝聚成為星子,而只能擴(kuò)散成稀薄的氣體.這個結(jié)論似乎結(jié)束
了災(zāi)變的一切想法.（不過,1965年仍有一位英國天文學(xué)家伍爾
夫森認(rèn)為,太陽可能是從一個松散的冷恒星那里得到它的行星物
質(zhì)的,如此將不涉及極高溫的問題）.
于是,在星子理論結(jié)束之后,天文學(xué)家們又回到了演化的觀
點(diǎn),而對拉普拉斯的星云假說另眼相看了.
這時,天文學(xué)家們對宇宙的了解已有了巨大的進(jìn)展,現(xiàn)在他
們必須說明星系的形成.形成星系所需要的氣體塵埃云,要比被
拉普拉斯設(shè)想為我們太陽系之母的云團(tuán)大得多.同時,現(xiàn)在看來,
這樣一些巨大的物質(zhì)集合體會經(jīng)過湍流而分裂成許多旋渦,而每
個旋渦都有可能凝結(jié)成一個獨(dú)立的系統(tǒng).
1944年,德國的天文學(xué)家韋扎克對這個構(gòu)想作了透徹的分析.
他計算出,最大的旋渦含有形成星系的足夠物質(zhì).旋渦在湍流收
縮期間會產(chǎn)生子旋渦,每個子旋渦也很大,足以產(chǎn)生一個太陽系
（包含一個或多個太陽）,而在太陽旋渦外圍的亞子旋渦則可能
形成行星.于是,在這些亞子旋渦匯合處就像嚙合的齒輪一樣反
向運(yùn)轉(zhuǎn),形成的塵埃粒子會互相碰撞并聚合在一起,先形成星子,
然后再聚合成行星.
在解決行星角動量的問題上,韋扎克的理論本身并沒有超過
比它簡單得多的拉普拉斯理論.瑞典天體物理學(xué)家阿耳文考慮到
了太陽的磁場.當(dāng)年輕的太陽快速旋轉(zhuǎn)時,它的磁場就如同制動
器一樣使它減速,從而將角動量傳遞給行星.霍伊爾對這一觀點(diǎn)
作了詳細(xì)的說明,因而使修改后的韋扎克理論既包括萬有引力也
包括磁力,似乎是迄今為止能夠說明太陽系起源的最好的理論.