【原】第一节 太阳系的起源

太阳系是由太阳、大行星、卫星、小行星、彗星、流星体，以及星际物质所构成的天体系统。太阳系的范围极其广阔，若以冥王星的轨道作为它的空间边界，那么它的空间直径长达120亿公里，人类赖以生存的地球就运行于其中。

人类对太阳系的研究，可追溯到十七世纪中叶，至今已有三百多年的历史。关于太阳系的研究主要包括两方面内容：（1）太阳系的物质从哪里来；（2）这些物质又是如何形成行星的。迄今为止，各个时代的研究者提出的太阳系起源与演化学说已有数十种之多。按行星的物质来源，可将其大致分成四类：星云说、俘获说、灾变说和双星说。

早在1644年和1745年，笛卡儿和布丰都曾提出过太阳系起源学说。他们的学说科学价值虽然不大，但却由此揭开了研究太阳系起源的序幕。

法国数学家笛卡儿在《哲学原理》一书里，最早提出了原始太阳星云的概念。他猜测，太阳系是太初混沌之时，物质微粒在宇宙旋涡中逐渐形成的。原初物质在各种旋涡中因摩擦而变得匀滑，落入旋涡中心的原初物质形成了太阳；而被旋涡俘获的原初物质则形成了地球和其他行星，卫星在次级旋涡中形成；较细微的残余物质向四周散去，形成透明的天空。笛卡儿的“以太旋涡说”是近代第一个关于太阳系起源的星云假说，由于这一学说发表在万有引力定律问世之前，一些观点与不久后诞生的牛顿引力理论相矛盾，因而遭到了牛顿的批驳，所以未能产生广泛的影响。

一个世纪之后，法国著名博物学家布丰在他的巨著《自然史》中提出了行星形成的“灾变说”。他认为，行星系统是由星际空间闯来的一颗彗星和太阳相撞而形成的。他用超凡的想象力生动地为人们描绘了这样一幅情景：一颗拖着明亮长尾巴的“司命彗星”，从当时孤零零的太阳边缘上擦过，在太阳巨大形体上撞下一些“小团儿”，它们在冲击力的作用下进入空间，并开始自转起来，形成了我们今天的行星。

布丰学说问世以来的200多年间，太阳系的起源问题一直是科学界最为困惑而又最具魅力的谜团之一。围绕着这一问题又出现了一些新的观点，理论的钟摆一直在笛卡儿星云说和布丰灾变说之间摆来摆去，莫衷一是。

到了十七至十八世纪，欧洲科学界开始盛行“宇宙不变论”的思潮，当时的牛顿就曾思考过太阳系的起源问题。他在1692年写给本特利主教的信中，就讨论了太阳系由弥散于太空的物质受万有引力作用聚集而成的可能性。但他觉得有两个现象无法解释：（1）为什么适宜于形成发光体的物质聚在一起，形成了太阳；而其余不透明的物质则另外聚成较小的星体，变成了不发光的行星。（2）为什么行星绕太阳的运动轨道具有同向性、共面性和近圆性的特征。他认为之所以如此，乃是全智全能的上帝的安排，是上帝的“第一次推动”给了太阳系行星运动以原动力。

1755年，德国哲学家康德出版了《自然通史和天体论》一书，详细论证了一个宇宙星云是如何在万有引力作用下凝聚成太阳系的。它的副标题是：根据牛顿定理试论整个宇宙的结构及其力学起源。不同于笛卡儿的哲学思辨，这是第一个科学的太阳系起源星云假说。康德的基本思路是：尘埃微粒云——团块——太阳、行星和卫星。康德认为，太阳系是从同一团原始星云演化而来的，这团弥漫物质的主要成分是尘埃微粒。起初，原始星云很稀薄，在万有引力的作用下，大而密集的微粒开始吸引小而稀的微粒，逐渐聚集成大的物质团块。星云中心部分引力最大，聚集的物质最多，先形成太阳；外围的微粒在下落时相互碰撞，改变方向，变成绕中心的圆周运动，形成了绕同一方向运动的云盘，之后再聚集成行星；卫星也是以类似的方式和机制形成的。

康德的星云说起初并未引起公众的注意，直到1796年法国数学家拉普拉斯在《宇宙体系论》中提出另一个星云说，四十年前的康德星云说才被人们想起。虽然拉普拉斯和康德的星云说有许多不同之处，但他们均认为太阳系中的各种天体是由同一原始星云演化形成的，因此，学术界把他们的理论并称为“康德—拉普拉斯星云说”。

拉普拉斯星云说由于从数学和力学两方面进行了论证，使其学术内容较康德星云说更为完善，所以这一学说在当时被公认为是关于太阳系起源的一个比较成功的理论。

1859年，英国物理学家麦克斯韦在研究星云说时，遇到了明显而无法解决的矛盾，他指出拉普拉斯星云说中的高温气体环，不可能凝聚成行星。计算表明，如果太阳系的这几个行星，是由原来均匀散布在整个太阳系空间内的物质所形成，那么，这些物质的密度显然是太低了，根本无从凭借彼此间的万有引力聚集成各个行星。因此，太阳收缩时甩出去的物质，将永远保持着环状状态，就像土星环的情况一样。

1862年，法国科学家巴比涅对星云说的角动量分布提出了质疑，为什么质量占太阳系总质量99.86%的太阳，其角动量只占太阳系总角动量的0.6%；而行星的质量总和仅是太阳质量的1/700，其角动量之和却超过太阳的100倍？

正是在康德—拉普拉斯星云说遇到困难的情况下，二十世纪初叶，灾变说又一度盛行起来。

1900年，美国地质学家张伯伦和天文学家摩尔顿合作提出了“星子说”。他们认为，曾有一颗恒星运行到离太阳只有几百万公里的地方，引力作用在太阳表面形成两股螺旋状气流，两股气流合在一起脱离太阳形成一个绕太阳旋转的气盘。气体经由液态而凝成许多固体质点，再聚集成固体块即“星子”，之后通过不断吸积，经由行星胎和卫星胎而演化成行星和卫星。

随后，1916年英国天文学家金斯提出了类似星子说的“潮汐说”。金斯通过计算表明，在银河系里，一个恒星碰到另一个恒星的机会平均60亿年才有一次，在每10万个恒星中只有一个行星系统。太阳系就是约20亿年前，一颗近遇太阳的大恒星在太阳表面掀起巨潮，并拉出一条物质，凝聚而成了行星。

这时的灾变说与星云说除了相互对立的一面外，已有相互渗透的一面。由于灾变说与星云说都有难以自圆其说的困难，于是“俘获说”便应运而生。1930年，天文学家观测到远方星光颜色变红现象，色指数变大，首次证实了星际尘埃的存在。二十世纪四十年代，瑞典的阿尔文、苏联的施米特等人据此相继提出：行星物质由星云形成，它们来自太阳穿越银河系空间时掠得的气体、尘埃等星际物质。“俘获说”主张行星与太阳有不同的物质来源，因而遭到了星云自成说的抨击，理由是这种俘获的可能性微乎其微，同灾变说一样，偶然性太大，且这一假说无法解释太阳动量矩较小这一事实。

二十世纪四十年代以来，随着天文观测手段和研究方法的进步，历史的钟摆又从灾变说一端摆回星云说。美国、英国、苏联、德国、日本和中国的天文学家各自提出了太阳系起源、演化的新的星云学说，形成了现代星云说理论体系，并成为当代太阳系演化学说的主流。

现代星云说认为，太阳系是在45—46亿年前由同一原始星云形成的。这一原始星云在绕银河中心旋转通过旋臂时，星云被压缩，密度增大，且中心密度增加最快，聚集了星云总质量的大部分。原始星云因自转而变成盘状，同时因自吸引而收缩，星云盘中心形成了原始太阳。星云盘中除了气体外，还有约1%的尘埃，尘埃沉降到赤道面，形成了薄尘层。尘层瓦解为许多团，各团自吸引收缩成固体块——星子，星子聚集成行星。

在靠近太阳处，星云的温度高，比较轻的物质（氢、氦等）逐渐挥发，剩下比较重的物质（硅、铁和镁等），故在这里形成密度大的行星，即水星、金星、地球和火星。距太阳越远温度越低，比较轻的物质可以凝结，所以形成的行星密度越来越小。由于行星是在转动的薄层内形成，因而行星轨道具有“共面性”和“同向性”，而且星子集聚使轨道平均化为近似圆形。公转的星子集聚导致行星的自转。规则的卫星在行星的星子盘内形成，不规则卫星可能是后来俘获的残余星子。

关于角动量问题的理论解释是，在由星云向太阳系的演化过程中，由于原始太阳收缩，自转加快，磁场增强，并且发生激烈的对流，于是一部分物质被抛射出来。这种物质是带电的，可称其为早期的太阳风，沿着太阳磁力线运动，而磁力线随着太阳快速旋转，迫使抛出的物质也快速旋转。随着距离的增大，抛出物质的角动量也随之增大，太阳角动量因此而减小，即在磁场的作用下，太阳角动量向外发生转移，而且只要抛出少量的物质，就能带出很大的角动量，使环绕运动的星云角动量不断增大。

现代星云说保留了原始星云说中的合理成分，汲取了现代天文学和物理学的最新研究成果，在一定程度上能够较好地解释太阳系的结构和运动特征。