太阳系起源原理和太阳系的未解之谜

太阳系起源原理和太阳系的未解之谜刘元生刊载在《科学》（ScientificAmerican中文版）2000年第10期上的《太阳系的起源及其各个演化阶段》一文，首先提出太阳系起源理论。并成功地解释了诸如，小行星的形成机制、天王星为什么躺着运行等太阳系的许多未解之谜。该理论认为，根据当前科学界对太阳系起源的共识，太阳系的星体是由同一块星云形成的。也就是说：太阳系初期所形成的所有太阳系天体，包括太阳、各大行星、卫星和未能形成大星体的碎块都是由相同的物质所组成。这些星体在其形成之后漫长的50多亿年的演化过程当中，由于每个星体的体积、质量和在太阳系中的空间位置各不相同，每个星体在各自的演化阶段中都有着非常大的变化。我们也必须意识到，这种变化的主流是不可逆的。本文在此，就当前太阳系的其他未解之谜，再探讨太阳系天体的演变过程。一、月球的起源和它的演化过程月球是距离地球最近的天然大天体，是地球的卫星。它现在距离地球大约38.4万千米的轨道上运转着。它是直径3500千米的近似球形的星体。它也是人类唯一访问过的地外星体，并且对它保持有大量的岩石采集标本。总之，月球是人类除地球之外最熟悉的大天体。由于在月球表面，现在没有流动着的液体或气体，所以它的上面保存着几十亿年来变化的痕迹。将之与地球相对比，能演示月球的演化过程，对深刻地理解我们所生活着的地球和太阳系至关重要。如果，太阳、地球、月球和其它星球在形成初期都是由相同材料组合成的，那么形成初期时的月球也应该是以氢、氦为主要材料所组成。依此推算，当时月球的体积比现在的地球还大。质量是现在地球质量的0.8左右。它运行在环绕地球转动的轨道上；相对地球，月球当时就在同步自转。由于地球和月球在演变过程中质量在不断变化，所以月球与地球间的距离在以后的演变年代中是个变量。最初星云物质凝聚成月球的时间大约距现在50亿年以前。我们知道：无论是地球上的火成岩石、月球上岩石，还是降落到地球上的陨石。它们都经历过融熔阶段。依此可以推论，地球、月球以及其它类地星体的岩石部分，都曾经经历过热熔时期。对待这个热熔时期的物理机制，也就是热熔能量的来历问题。科学界众说纷纭。现在的天文学界普遍认为，是由于密集的小的岩石类小行星体对星体的撞击后造成的。但是，对于这种解释天文学界自己都无法自圆其说。譬如地球上现在存有大量的水，以上解释就无力解决疑问。有人认为：当大量小行星体撞击地球，地球上的岩石呈熔融状态时，地球上的水因为承受不住高温，而全部汽化在空中了。再经过长时间的冷却，地球上的水才又回到地面。在这里就出现了问题：依据现在的地球质量，它无法吸引得住这么多的汽化了的水。另有人直接提出：当地球、月球和其它类地行星经历热熔期时，它们都不存在有水。在它们经历过热熔期之后，有一颗非常大的彗星击中地球，是它给地球带来了现在的水。这里就出现了非常有趣的假设现象。在天文学问题的探讨过程中，特别是对太阳系的各种未解之谜的研讨中，当有重大的问题无法解释时。有人总会设想，另外会出现一颗大行星来撞击有疑问的星体，使无法解释的星体上的问题得到解决。例如：有一颗行星飞来，撞在了小行星带上的行星上使其破裂，形成现在的小行星带。又有一颗大行星撞在天王星上，使天王星躺在自己的轨道上运转。由于地球和月球的密度差别太大；又有人认为，是一颗大星体撞向地球，打出太平洋的物质在天空中形成了月亮。再加上给地球带来水的大彗星。现在的天文学界基本认为有这四颗大行星曾经存在过。就这四颗大的星体而言，如果它们不与其它星体相撞击，根据它们的运行轨迹，它们应该是不规则大行星（规则大行星具有共面性、同向性和近圆性等特征）和非常大的彗星。在太阳系中，根据天体力学原理和事件发生的概率推断，出现不规则大行星和非常大的彗星的概率几乎等于零。也因为太阳系里从来没有见过这样的大行星出现，更何况那样精确的行星撞击都是根本不可能发生的天文现象。真实地发生在月球上的事是这样一个过程：大量的物质积聚成的月球原星开始升温，升高温度的月球体积进一步变小。积聚能（势能）使月球内部的温度又进一步升高。这时的月球是一个外部有很厚氢气层和有少量其他物质的液态氢、氦球体。又经历过长时间的演化，少量的其他物质向月球的中心积聚，这些物质的积聚势能使月球中心的岩石物质温度上升到4000℃。从月球上取得的岩石看，它们不仅经历过高温过程，而且还经历过高压过程，因为它们看上去都相对密实。如果以上叙述的高温高压过程都是真实发生的，那么以上过程也可以反过来证实，月球形成之初的体积要比现在大得多。在月球上的重物质开始向月球中心积聚时，太阳的氢核聚变开始爆发。这时太阳的强烈辐射使月球表面的氢气温度升高，高温氢分子的运动速度达到脱离月球的宇宙速度时。在太阳风的作用下，这些氢物质会源源不断地脱离月球、脱离地球轨道，奔向太阳的远方。就在距今大约46亿年，月球的氢物质损失掉70%时。由于月球质量变小，月球上的氢、氦物质汽化脱离速度加快。这个加快的汽化过程带走月球大量的热能，使岩核表面的温度降低至1000℃以下。岩石变得不易流动，而要凝结了。顺便提示注意：小行星的上述演化过程和月球的是在基本相同的时间里发生的。虽然小行星距离太阳比月球距离太阳要远得多，但是当时小行星轨道上的星子比月球的体积小得多。地球的这个演化过程是在距今38亿年时发生的。以上所提及的所有物理演化过程完全可以用计算机模拟出来。在距今40亿年左右，由于变成石质的小行星剧烈碰撞成的碎片，有许多脱离原来的轨道散落在太阳系各处，形成小行星撞击大行星的高峰时期。月球也是在这个时期被小行星撞得满目疮痍。进入39亿年，月球上的水和可挥发物质大部分基本飞失掉后，岩石月球承受的压力逐渐变小。由于月球对地球的同步自转（单一面朝向地球），在地球引力的作用下，或许有一块陨星撞击的引发，朝向地球月面上的斜长岩层裂开，涌出的玄武岩浆形成大面积月海。如果能仔细观察月海现在的轮廓，也可以得到相同的结论。在以后漫长的岁月里，月球缓慢地冷却。当冷凝的岩石达到足够的厚度时，再陨落在月球上的小行星会在月面上撞出星形裂缝和陨石坑。如果撞击月球的是铁质小行星，它留在月岩中会成为质量瘤。月球继续冷却，当距离月心1000千米处的月岩开始变冷时，月心部分开始收缩。在月壳岩石的强力支撑下，月心的冷缩，使它们之间形成一层断续的空夹层。当有月震时，月球就会像鼓一样久震不息。地球的密度和月球的密度之所不相同的原因是：1.地球上的岩石经历过更高的温度和压力，所以地球有更好的地质演化。2.地球是行星，月球是颗规则卫星，它们的运动状态不同。由此两点它们各自形成的星体密度会大不相同。月球的演化直到今天，在演化过程的后半时期，月球的物理变化不是太大。它现在寂静地绕着地球转动着，有时也会出现些不易察觉的活动。当然，以上所谈的只是月球演化过程的一个非常简单的变化轮廓。有些演化过程的细部，特别是月球化学演化的微妙细节，应该由一门专门的学科——《行星体演化化学》来探讨，这里不再详述。再类比地谈谈地球的演变：在36亿年时地球失去许多物质，岩壳外层的温度下降到一定的温度时，斜长岩层开始凝结。在随后的时间里，地球上的氢、氦物质进一步丧失，使地球岩石核所受的压力减小；到26亿年左右时，地球的斜长岩外壳破裂，暴露出的玄武岩层成为大洋的底面。是这个演化过程为地球版块运动理论提供了源动力。依据该演化理论，地球上的许多其它自然现象也都可以得到解释。二、太阳系起源原理质疑对于所提出的太阳系起源假设，人们会提出质疑：人类的寿命最长也不过一百多年，人类的文明史不过五千年。太阳系的演化是从50亿年以前开始的，就怎么能够确定太阳系中的星体是怎样演化的呢？对待人类历史，我们为确认事件的发生年代，是用史料的相互印证来确定的。对于地球的近期演变史，我们会勘察地质年代的地层资料给与确定。对于像太阳这样的恒星、星系乃至宇宙的演化史，人类要用已知的物理学理论和可以观测到的事实把它演示出来；这种演示可以是知识的探索，也可以是定量计算结果的证实，更好的是用计算机模拟全部演化过程。当我们使用这些物理、化学知识和现代技术扩大我们对世界的感知时，我们不会忘记那些在蒙蒙前夜苦苦探索的先驱们和为科学的进步孜孜不倦地工作着的科学家们。是他们的辛勤劳动使我们人类开始对我们的世界有了意识。在天文学的探讨中，天文学家里的许多人都认为，对恒星的理解要比对太阳系的了解要清楚得多。因为太阳系及其行星的演化之谜太多、太不确定。而恒星自星云凝结成星体之后，由小到大不同质量的恒星，不仅可以定量地计算出它的演化方式，而且能用计算机模拟它们的演化过程。但是，太阳系中心的太阳就是一颗普通的恒星，以上所存在的问题出于星云未形成太阳和行星系统之前的这个阶段。曾经有许多人提出数学演化模型并用计算机模拟旋转星云形成太阳系的过程（1978年的博登海默和恰努特）。但是，他们得到的仅仅是个星云的环状体。而得不到太阳系的初始系统。实际上，计算机模拟太阳系演化的数学模型与演化过程不相符合的原因。是因为当太阳系星云由角动量收缩到一定密度时，太阳系星云的演化就进入到星子演化阶段，也就是这个演化阶段未被得到重视。星子演化阶段是太阳系演化过程中非常重要的演化阶段，如果太阳系演化数学模型不把星子演化阶段考虑进去，就不可能得到有恒星和行星体环绕的星系结果。科学界对待像太阳系演化这样的科学大问题。都是先提出演化假说，然后依据假说用已知的物理、化学定律将其量化。在符合各种边界条件（观察和观测到的事实）情况下，将整个过程演示（计算或用计算机重现）出来而得到答案。我们生活在太阳系，所看到的许多事物都是太阳系演化的结果（边界条件）。能够完全满足这么许多的边界条件，从而提出的太阳系演化假说，当然是件非常困难的事。但是最后能用这许多的演化边界条件得到的结果，也应该是唯一的结论。总结太阳系起源原理的理论有如下几点：1．依据太阳系起源倾向性共识，太阳系的初始天体是由一块星云形成，由此而来太阳系天体所含物质的丰度应该基本相同。2．形成星体的质量、各种物质的含量、所在太阳系位置决定的温度、星体运动状态的参数、演化的时间，都是可以量化的物理量，是它们决定了星体的物理、化学状态。3．太阳系各星体状态的物理、化学演化是连续的。星体的重大变化都由其变化因素所决定。4．太阳系演化的主流过程是不可逆的变化过程。以上几点理论是太阳系起源、演变过程的演化规范。三、依据太阳系起源原理再看太阳系综上所述，太阳系中的每个天体都有它自己的演化故事。对于现在的天文学，每个天体都有着许许多多的不解之谜。太阳系起源理论基本上可以解释这许多未解之谜。例如，小行星带怎么会有碳质小行星，其原因是：不少小行星的原质量太小，当它失去氢和氦之后，水就开始被气化。由于小行星的质量小，水蒸气直接逃逸至空间，最后小行星仅剩下不易挥发的碳和其它石质。而大质量小行星的引力使水蒸气不易逃逸，太阳风将其裂解为氢和氧。氢先离开小行星，氧与碳相结合生成二氧化碳，最后脱离小行星。所以大质量的原小行星生成的小行星是以石质和铁质组成的星体。因为在此篇幅有限，各星体的演化不可能全部论及。以下用就太阳系起源原理来重新认识我们现在的太阳系。内太阳系：在此系统内包括有水星、金星、地球、火星四颗大行星，其他还有卫星和小行星带的小行星。它们都是太阳系早期和太阳一起形成的星体，由于距离太阳较近，经过长期的演化它们都失去氢、氦物质，变成为星体较小的类地行星，各大行星之间的轨道距离也相对较近。它们仅仅运行在3个天文单位之内。当外太阳系的含有氢、氦等轻物质的小星体受到其他大星的影响，改变轨道进入内太阳系时，它们都会变成拖出长长尾巴的彗星。在内太阳系的小行星带应该被称为第一小行星带。近轨大行星带：在这个行星带里包括多种星体。其中大行星有木星、土星、天王星、海王星四颗类木大行星。它们是太阳核聚变爆发后形成的，它们体积大、质量大。由于它们的引力巨大，距离太阳相对较远；它们的氢、氦物质基本无法逃逸。大行星轨道间的距离也相差不多，密度亦相差不大。在此行星带的大行星都拥有环和众多卫星。环物质和卫星的质量都不大，它们的氢、氦物质亦大多逃逸；所以它们都是以石质和冰组成的。与