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太阳系的起源研究 太阳系里的所有行星的运行方向完全相同，而且轨道面大致在同一个平面内，这是一个十分引人注目的特征。 牛顿把太阳和行星运动的现状当成永恒的，在试图单纯用力学原理加以解释而解释不通时，提出了“上帝的第一次推动”假定。按照牛顿力学，如果某个行星在它的轨道上单纯受太阳向心引力作用的话，它就会落向太阳。但实际上，行星并没有落向太阳，而是绕太阳在轨道上作椭圆运动。这说明，行星除了受向心引力作用外，一定还受一个切线力的作用。如果这个切线力大小适当，那么按力的平行四边形法则，结果行星既不落向太阳，也不沿切线方向飞去，而是沿合力方向，绕日转动。牛顿认为，引力已有来源，这就是行星与太阳间的万有引力，但是这个“大小适当”的“切线力”就没有来源了。牛顿最后只好说：“重力可以使行星运动，然而没有神的力量就绝不能使它们作现在这样的绕太阳而转的圆周运动。因此，由于这个以及其他原因，我不得不把我们这系统的结构归之于一个全智的主宰。”“没有神之助，我不知道自然界中还有什么力量竟能促成这样横向运动。”[2] 第一个提出具有科学价值、比较完整的天体演化理论，是德国哲学家康德（1724年—1804年）。 1755年，康德在《宇宙发展史概论》一书中提出了关于太阳系起源的星云假说。 康德认为形成太阳系的原始星云是由大大小小的微粒子组成，这些物质粒子最初是分布于比现在太阳系大得多的空间内，由于万有引力作用，微粒相互接近，逐渐形成团块，较大的团块成为引力的中心。中心体因不断吸引四周的微粒和小团块而壮大，最后聚集成太阳。有些微粒在向中心降落过程中，因互相碰撞，向旁偏转而围绕中心体做圆周运动。这些微粒又各自形成小的引力中心，最后聚集成行星，这些行星按照它们距离太阳远近的不同而形成不同的轨道，离中心天体越远，轨道的椭圆率越大。这就是康德提出的关于太阳系起源的力学模型。 由于当时康德还只是一位不太出名的大学讲师，其假说在当时未引起人们的重视。 1796年，法国数学家拉普拉斯（1749年—1827年）在不知道康德星云假说的情况下，独立地提出了他的星云假说，并且还从数学上做了严格的论证。 拉普拉斯在《宇宙系统论》一书中认为：太阳系起源于一个巨大的、炽热的而且缓慢旋转着的原始星云。由于逐渐冷却，星云在不断地收缩，转动自然加快。随着转动加快，星云赤道部分的物质所受的惯性离心力随之加大，当这一作用力与星云物质间的引力处于平衡时，赤道最外缘的物质将不再随星云一起收缩，而从星云中分离出来，形成一个围绕星云转动的气环，当这同一个过程一次又一次地重复时，便相继形成了与行星数目相等的几个气环。由于气环中的物质是不均匀的，较密的部分把附近的物质吸引过去，使气环断裂并逐渐形成了行星。不断收缩的星云的中心部分，就凝聚成太阳。 拉普拉斯用力学的原理，解释当时已认知的六大行星的轨道为什么都近于圆形并在同一近似的平面上，以及它们的自转公转的方向为什么一致等问题，显得合理、清晰，很有吸引人的魅力。 拉普拉斯的学说基本上与康德的学说是一致的。由于他们二人都认为太阳系是由同一块星云形成的，并都用星云内部的吸引力和排斥力之间的矛盾来说明太阳系的形成，所以后人把他们提出的两种假说合在一起统称为“康德—拉普拉斯星云假说”。 康德—拉普拉斯星云假说，摆脱了宇宙不变论的束缚，提出了宇宙发展论，起到了解放思想的作用。 太阳系的形成 天文学最重要的单个研究对象是太阳。对于人类，它一向不只是一颗星星，而是一种伟大的象征。讲太阳首先要讲太阳系，因为太阳是太阳系里的一颗恒星。要了解太阳系首先我们要了解太阳系是一个星系。星系就是由一系列的星星组成的系统。这些星星可以是恒星，也可以是行星、流星、彗星或者小行星等等，当然还包括散布在天体之间的星际尘埃等体积微小的物质。 在一个星系之中，星星并不是杂乱无章地组织在一起的，它们相互间有着特定的关系与运动规律，它们互相影响、相互制约，共同组成一个有规律的系统，因此才叫星系。太阳系就是由许多天体组成的星系，组成太阳系的包括恒星、行星、小行星、卫星、彗星、流星等以及杂布于它们之间的星际尘埃。 除了以上这些物质之外，太阳系、银河系乃至整个宇宙之中还有另一种东西，就是能量，它们组织在一起才构成了太阳系和整个的宇宙。 关于太阳系的形成有许多说法，其中主要的是康德的星云假说。它认为，在太阳尚未形成之时，茫茫宇宙里有一团巨大的云雾状气体，主要成分是尘埃和气体，它的范围非常之广大，远远超过今天太阳系的范围，它总的质量也同样巨大。这团气体最主要的成分是氢和氮，占总质量的99%以上，此外还有极少量的重元素，例如金属元素。 这团巨大的东西可以称为星云。它的主要特点是在不停地运动，从整体到组成它的每一个分子都在动。它有如一个旋涡，在绕着自己的中心旋转。而且，由于它有巨大的质量，就必然会产生引力，这种引力是一种向心力，它有如一只无形而无比强健的手，将星云中所有物质都往核心拖去。 这种引力作用造成了两个结果：一是星云的密度不断增大，二是使它以自己的核心为轴的旋转越来越快。这样，一些位于最外层的星云物质就会被甩出去，它们中的一些就变成了现在看到的彗星。 形成彗星之后，星云还在继续收缩，并且自转的速度还在加快。收缩到这个时候，星云早已经不是当初那一团稀薄的云雾了，密度有了很大的提高，而且成了一个大致呈扁平状的球形，越往中心密度越大，隆起得也越高，这个球形可以称为“原太阳”。在原太阳的外围，那些原来的小尘埃也不再那么微小，而是集结成了大得多的粒子，这些大得多的粒子自己也有了不小的引力——根据牛顿的万有引力定律，物体的引力与其质量成正比。它们开始从周围捕获其他的微小粒子，像水、氨、二氧化碳等。而中心的原太阳，它这时仍在不停地收缩，除密度增大外，收缩的另一个主要结果是中心开始发热，就像空气受到压缩而释放热量一样。这时，太阳就开始具备它最基本的特性——发热了。 太阳系直径达300亿千米，由八大行星和两条小行星带，以及千亿颗彗星等组成。 当这种引力增大到一定程度时，组成它的最内核的物质的原子由于受到极其巨大的压力，终于引发了核聚变反应。所谓核聚变反应简言之就是当原子的温度达到一定程度时，两个或多个较轻的原子就会迎头相撞，融合在一起，形成较重的原子核，这又叫热核反应，以后我们讲到物理时还会说到它。由于太阳的质量巨大，就为以后太阳的“燃烧”提供了几乎无穷无尽的燃料。 在太阳外围，那些已经有了一定体积的大粒子也还在不断地吸收新的微小粒子，体积也变得越来越大了，随着体积不断增大，其引力也在增大，反过来又进一步增大了它的体积与引力。这样日积月累，它们就成了原太阳周围绕着它公转的原行星。太阳形成之后，变化非常小，不像地球那样形成后又经历了很剧烈的演化过程。 太阳系起源的争论 1543年，在天文学家哥白尼提出日心说以后，天体演化的讨论才算突破了宗教神学的桎梏，开始了对太阳系起源问题真正的科学研究和讨论。16世纪的笛卡儿在他的书中提出了第一个太阳系起源的学说，他认为太阳、行星和卫星是在宇宙物质涡流式的运动中形成的大小不同的漩涡里形成的。100年之后，布封在他的书中提出了第二个太阳系起源的学说，他认为，一个巨量的物体曾与太阳发生碰撞，最终使太阳的物质分裂为碎块并飞散到太空中，才形成了地球和其他行星。在布封之后的200年时间里，人们又提出了和太阳系起源相关的许多学说。例如，1755年，著名的德国古典哲学家康德就提出了太阳系起源的“星云假说”；1796年，法国的数学家和天文学家拉普拉斯就在他的书中独立地提出了另一种星云假说。由于拉普拉斯和康德的学说在基本论点上是一致的，所以后人称两者的学说为“康德—拉普拉斯学说”，而且这种学说在天文学中占有很重要的地位。 到现在为止，已经出现了40多种和太阳系起源相关的学说。20世纪初的灾变说，是对康德—拉普拉斯学说的一种挑战；经过不断完善的新星云说，是在康德—拉普拉斯学说的基础上建立起来的，它是能够更好地解释太阳系起源的学说。从此，人们对太阳系起源的了解和认识更加深刻，也会激励一部分人去努力探索宇宙的奥秘。 星云说与灾变说之间的争论一直持续着。但是，不可否认，太阳是离我们最近的一颗恒星，也是太阳系的中心，有关它起源的争论是必然存在的。科学家们对太阳系起源问题的研究具有历史学的特征， 关于太阳系起源的争论一直非常激烈，但是早期的假说基本被分为两大派，都认为行星形成以前的物质都是高温气体，含有很高的能量。其中一派认为太阳系是由一个统一的系统渐渐演化成的，这一派是以康德—拉普拉斯为代表的一元派或者渐变派，主张星云说。另一派认为太阳系是经过几个星体的碰撞后产生的，叫做二元派或者灾变派，主张灾变说。这是因为天体的结构和星球的形成过程是不可再现的。人们除了依据经验观察进行探讨，还有就是根据天文观测资料提出诸多科学假说。尽管人们在太阳系起源学说上存在很大分歧，但这也使得人类对太阳系的认识程度得到了很大的提高。 星云说与灾变说都是一些企图解释天文事实的假说。准确地说，人类第一个星云假说是由“哲学和现代宇宙学之父”的笛卡儿提出的，但是被西方称为漩涡学说，而且他的学说在说明漩涡起源时认为是“上帝赋予”的，所以现在看起来十分幼稚可笑。笛卡儿认为，太阳系未出现之前，是一种混沌状态，然后慢慢产生了许多离心的漩涡运动，经过亿万年的发展之后才形成了今天的太阳系。 康德的星云说认为大约50亿年前，由于宇宙中的一团云雾状的星云在飘流过程中产生了运动摩擦，于是逐渐产生了热反应并使得其他力量薄弱的星云集结过来，形成了体积越来越大的中心，这个中心就是原始的太阳。太阳周围的行星是在引力占据主导地位之后，边缘的星云被逐渐分离收缩，最后冷却形成了行星。(www.guayunfan.com) 不久，拉普拉斯提出了一个新的太阳系起源星云假说，他认为太阳系原是一团旋转的星云，由于冷却后收缩，于是越转越快，在旋转速度到一定程度时，星云外部产生的离心力超过了吸引力，就分离出一个圆环，之后又分离出另一个圆环，最终分离出了七个圆环，后来这些圆环就各自收缩冷却聚成了行星，剩余的中心物质就形成了今天的太阳。 到了20世纪初，由于康德—拉普拉斯学说不能满意地解释人们对太阳系的许多观测事实，所以使得“二元论”学说再度流行起来。1900年，美国地质学家张伯伦就提出了一种有关太阳系起源的“星子学说”，随后摩耳顿发展了这个学说，他认为曾经有一颗恒星运动到离太阳很近的距离，它们之间的相互作用使得原先的太阳抛出了大量物质，这些物质逐渐凝聚成了许多星子，再进一步聚合成为行星和卫星。但是现代研究表明，宇宙中恒星之间的距离非常远，它们相互碰撞的可能性极小，所以摩耳顿发展的“星子学说”并不能使人信服。 太阳系是以太阳为中心的所有受到太阳引力约束的天体的集合。太阳系由8颗行星、超过165颗的已知卫星和5颗已经辨认出来的矮行星以及数以亿计的太阳系小天体组成。其中，太阳系的小天体包括了小行星、彗星、柯伊伯带天体和星际尘埃。广义上的太阳系领域包括太阳、内行星、小行星带、巨大外行星（也被称为柯伊伯带的第二个小天体区）、黄道离散盘面、太阳圈和依然属于假设的奥尔特云。 根据行星到太阳的距离，排序依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。在这8颗行星中，有6颗是由天然卫星环绕的，地球的天然卫星就是月球。 经过观察和计算，人们发现太阳系中非常大的卫星有许多，包括了地球的卫星月球，木星的伽利略卫星（均由伽利略首度发现）木卫一、木卫二、木卫三和木卫四，土星的卫星土卫六以及海王星捕获的卫星海卫一等。 太阳系的行星们 行星的名字是这样来的。很早很早以前，古人在观察天象时，就发现虽然天上绝大部分星星都寂然不动，然而有几颗星却不安稳，在天空游荡，于是便称之为行星。行就是行走之意。英文“planet”起源于希腊语“planetes”，就是流浪者之意。 行星有两个基本特点，一是绕恒星公转，二是自身不发光，但能反射太阳光使自己发亮。宇宙中许多恒星都有自己的行星，太阳就有八个，它们距太阳由近至远为标准依次是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。冥王星现在已经正式被划出了八大行星之列。它们不停地绕太阳公转，并且公转时与太阳处在同一个平面上，这个平面就是著名的黄道。 八大行星可以分成两类：一类叫类地行星，另一类叫类木行星。 类地行星就是类似于地球的行星，包括水星、金星、地球和火星四颗，它们密度较大，有一个像地球一样固态的坚硬外壳，内部有一颗火热的心。 类木行星则是其他几颗，它们是像木星的行星。其密度较小，主要由气体构成，没有固态的坚硬外壳，但可能有一颗坚硬的岩质核心。它们的质量巨大，占了八大行星总质量的99%以上。 八大行星运行轨道 我们将根据距太阳由近至远的距离来分别介绍除地球之外的几颗行星，第一个是距太阳最近的水星。至于地球，我们将在后面的地学中作专门的介绍。 水星小巧玲珑 在八大行星中，水星体积最小、质量最小、距太阳最近。水星的半径约为2400千米，不到地球的40%，质量更是只略高于地球质量的1/20 。水星绕太阳公转的轨道是一个狭长的椭圆，距地球最远时达2.3亿千米。水星跑得特别快，公转时的平均速度达到近50千米每秒，比不到30千米每秒的地球的平均速度快得多。这也是它名字的来源，水星的英文是“Mercury”，就是墨丘利，他是古罗马神话中众天神的信差，以跑得快闻名。水星的表面同月球的表面很相似，有许多环形山，十分荒凉。 水星的大气几乎少到没有，因此表面温差极大，高时达到400多摄氏度，低时到近零下200摄氏度，不用说，在这样的温度下是没有什么生命可以受得了的。 金星美丽而神秘 金星有一个美丽的名字“Venus”，即爱与美之女神“维纳斯”。在中国它就是我们常听说的启明星，也叫太白金星。又因为它每天黎明和傍晚要在天际各出现一次，中国的古人们便以为它是两颗星，分别称之为启明、长庚。 金星是除了太阳和月亮之外，地球的天空中最明亮的天体。它如此明亮的原因很简单——它是距地球最近的行星，最近时只有约4000万千米。金星绕太阳公转的轨道近乎圆形，公转一周的时间约330天。不过它的自转约需240天。而且是“逆向自转”，即自转方向与绕太阳的公转方向相反。金星的直径约为12000千米，与地球差不多，其质量、密度、重力加速度等也与地球相近。 金星上面包裹着一层厚厚的大气，这是它最大的特色。这层大气像一床极厚的棉被一样紧紧包裹着金星：从金星的表面直到天空30千米到40千米高的地方都充满了浓浓的云，这些浓云主要是浓硫酸微粒形成的雾。金星大气的主要成分是二氧化碳，占了总量的97%以上，其余的是少量的氮气、一氧化碳、水蒸气和氧气等。由于有那么多二氧化碳，造成温室效应，使金星表面的温度高近500摄氏度。 金星表面的大气压也极高，约是地球的90倍。如此高的气压，使金星大气有许多令地球上的人们感到不可思议的特点：例如它有极为频繁的放电现象，也就是闪电非常多，科学家们曾记录到一次闪电长达15分钟。此外，由于金星的大气极为稠密，它简直能够像镜子般反射光呢！这造成了一个极为奇特的景象：在这里，即使你背朝正在西下的太阳也能够从对面的云层里看到夕阳西下的奇景！ 由于受到浓密的大气层保护，金星表面没有像水星那样被流星陨石之类撞得千疮百孔、满目疮痍，相对来说比较完整而平坦。表面像地球一样有平原、盆地、山脉等。 由于风的作用，在金星表面上形成了沙丘和条纹。 火星上也许有生命 火星距地球最近时只有约5600万千米，是除金星外最明亮的行星。火星的体积只有地球的约15%，质量则只有地球的约1/10 ，平均密度大约是地球的70%。 火星最有意思的是它的表面。多年前，当西方人拥有了望远镜，能够看到火星上比较详细的情形时，那情形就让它们兴奋不已。首先，他们看到了火星有些地区随季节变化明暗与颜色都在交替，有时明，有时暗，有时是绿色，有时又是灰色。于是他们认为那就是火星的四季变化：绿色来时就是火星上的万木争荣，灰色来时则是枯叶无边了。 还有，当他们更加仔细地看时，发现火星上面竟然有河流！这简直就说明火星上有人这样的智慧生物，有城市，有图书馆，有军队警察，一句话，那分明就是另一个地球呢！ 于是人们不由又喜又怕，喜的是我们在宇宙里不再孤单，怕的是要是这些太阳系里的邻居文明程度超过了我们，又侵略成性怎么办？由此，喜欢幻想的人们便编出了许多有关火星人文明的故事，最有名的当然是H.G.威尔斯的《火星人入侵》了，那些长得像乌贼一样的火星人大举入侵地球，打得地球人落花流水，地球人眼看要灭亡，可火星人突然神秘地自己死掉了，原来是因为它们受不了地球上的细菌。然而这些想象到1976年就寿终正寝了。这年7月和9月，美国的“海盗一号”和“海盗二号”火星探测器先后在火星上着陆，看到了实实在在的火星的情形，也发回了最真实的、不带半点幻想的照片。 首先，火星的大气十分稀薄，表面大气压只有地球的约1/100 ，组成大气的绝大部分是二氧化碳，占总量的95%以上，其余是少量的氮气、氧气、水蒸气、一氧化碳等等。 其次，火星的昼夜温差极大，在白天，在火星的赤道附近，最高气温可以达到20℃左右，到了夜间，气温会急剧下降到-80℃以下，昼夜温差超过100℃，在这样的温差下，生命是极难存在的。 火星的表面可以分成不同的两半：南半球有许多巨大的坑洞，大都是陨石撞击而成的；北半球大部分地区是一望无际的平原，上面布满了红色黄色的尘土。不过，对于火星上是否有生命还是没有定论，因为科学家们在火星的南北两极发现了冰盖，下面可能有水，有水就可能有生命。 木星是行星中的巨无霸 木星是八大行星中的超级巨无霸，其体积是地球的1300多倍，赤道直径长达14万多千米，超过地球的10倍，两极直径也有13万多千米。木星的质量更占了八大行星总质量的七成以上，是地球质量的300多倍。平均密度则不到地球的1/4 。木星距太阳的平均距离近8亿千米，绕太阳公转花的时间长近12个地球年，但不到10个小时就能自转一圈。 木星最上层有厚厚的大气，近90%的成分是氢气，其余是氦气、甲烷、氨气等。从木星大气往下1000千米左右就是液态氢了，这里可以看做是木星的表面。从它往下几万千米都是这样的液态氢，一直要到最核心才有个小小的固态的核，主要由铁和硅组成。 木星虽然也吸收太阳光，然而它所发出的能量却是所接收的太阳能量的2倍！据科学家们观察它甚至自己能发一点儿光呢！ 木星最后令我们感到不可思议的是，它上面可能有生命！一颗液态的星球上怎么可能有生命呢？原来，这生命并不存在于木星的液态表面，而是它的大气里。在木星厚厚的云层下约80千米处，这里有几个适宜生命存在的条件：一是有合适的温度，几乎是我们正常的室温，就是人生活在这样的温度中也会感到很舒服；二是大气压也适合人类；三是这里常有闪电、流星等，这与生命也大有关系，因为当闪电与流星穿透大气时会产生能量，而这些能量正是生命诞生所必需之条件，就像当初地球产生生命时的原始大气一样。这种种条件加起来，难怪科学家们相信在木星的大气里可能存在原始的生命体。 土星有美丽无比的光环 土星与太阳的距离是地球与太阳距离的10倍。因此土星公转一圈所花的时间近30年，自转一圈的时间近11个小时。 作为类木行星，土星也是一颗液态星，它的结构与木星差不多，质量是地球的近100倍，直径约是地球的9倍。 土星的大气以液态氢为主，占了90%。由于土星距太阳远，因此大气的温度十分低，最低温接近零下200摄氏度。土星可以分成两层，上层是液态的氢和氦，厚达几万千米，再往下是一个固态的核心，它由岩石等组成，还有一些液态的水，这个核心的半径达12000千米左右，比地球还大得多！ 土星上最有意思的是它的环。如果您有条件用天文望远镜观看天象，可以相信您在天空能够看到的最美丽的景象之一就是土星的光环：在土星周围，一道宽阔美丽的五彩环有如彩虹环绕着它。这道环是扁平而宽阔的，从照片上看去像刀片一样薄，也像圆规画出来的一样工整，十分漂亮。 如果您更仔细地看，可以看到这道环实际上是由许多更窄的环构成的，其中最亮的有两条，一明一暗，外面那道环更暗一些，在这两个大环之间还有一道空隙，它的名字叫卡西尼环缝，宽约3500千米，比两道环都窄得多，由此可以想象两道环有多宽阔了！ 组成这些美丽的环的是一些数量庞大、体积却很微小的天体，它们小者只有1立方厘米，大者也不过50立方千米左右，由于它们是绕土星运行的，而且会持续地运行漫长的时间，因此可以将它们看做是土星的卫星。 平凡的天王星 相较于其他行星，天王星似乎比较平凡，没有明显的特质。它的质量约为地球的15倍，体积则超过地球的60倍，赤道直径是地球的约4倍，密度不及地球的1/4 。 天王星距太阳相当遥远，公转一圈的时间要80多年，也就是说如果我们生活在天王星上，一辈子可能过不了一年呢！天王星也是类木行星，是一颗以氢气为主的气态行星，其大气及内部结构与前面木星与土星大体相似，不需多说。天王星另一个特点也与土星差不多：它外面有一个环，其实前面的木星也有，不过远没有土星的那么漂亮罢了。 蔚蓝的海王星 海王星的英文是“Neptune”，乃是罗马神话中的海神，即希腊神话中的波塞冬，为什么叫这个名字呢？这是因为，当1845年地球人发现它后，不由感叹它那看上去如大海般蔚蓝的迷人身姿，于是便以海神来命名之。说实话，就照片上的海王星漂亮程度而言，整个太阳系中的天体没有超过海王星的。 海王星是太阳系中的第四大行星，次于其他三颗类木行星，与太阳距离之遥远则仅次于已经被排除于八大行星之外的冥王星。由于海王星距地球太过遥远，我们对它所知不多，它的直径约45000千米，为地球的3.5倍，质量则是地球的17倍，密度不及地球的1/3 。它绕太阳公转一年需要的时间长达160多年，自转一周则不到一天。至于它的大气及内部结构等，类似于前面三颗类木行星。 |
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