宇宙、地球和生命的进化:时间的1000个-第6部分
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星云收缩说 星云说
星云说是18世纪后半叶德国哲学家康德和法国数学家拉普拉斯提出来的。星云说认为太阳系是由一团巨大、灼热而又转动着的原始太阳星云在引力作用下演化而成的。成分以氢为主的气体云在银河系中是极为普遍的。有人估计，气体云的某一部分可能脱离气团的主体而自发形成一个局部旋涡。在一些亮星云的照片中，显示出在这些亮星云与地球之间存在着晦暗的〃球状体〃，这一事实更加重了上述论证的分量。
第24节：二、太阳系形成（2）
那么，假如这种小型旋涡的气体的密度达到足够高的程度，它便会在本身引力的作用下自行收缩起来。凡是一个处于自转而同时又收缩的体系或物体将会越转越快，这是角动量守恒定律的必然结果。正在收缩之中的气团的角动量是难以计算的，不过，气团中每个质点的角动量便等于质点的质量m、质点的转动速度v和质点围绕中心转动的轨道半径r三者的乘积（角动量＝mvr）。如果该质点不受外力的作用，这一乘积mvr将始终保持不变。假定质点的质量m不变，则在质点的转动轨道半径缩短的时候（因为气团作为整体在不断地收缩），其自转速度就要增加。这个现象可举一个实例来加以说明：一位旋转的花样溜冰运动员，在她开始旋转之初，其双臂是伸开的，但当她将双臂收拢时，她便转动得更快了。如果轨道半径减小而速度并不增加，那角动量就一定要降低。然而角动量守恒定律却完全否定了这种可能性…只要无外力作用在旋转体系之上，其角动量肯定是恒定不变的。
气体圆盘说
从星云假说的观点出发，康德和拉普拉斯进一步提出气体圆盘的假说。既然星云中一团正在收缩的气旋可以越转越快，其结果就会围绕着中心星云在垂直于自转轴的平面内形成一个巨大的气体圆盘。
圆盘一旦形成，拉普拉斯认为它会马上收缩起来。在此过程之中，圆盘便定时地遗弃一些小型的环圈或蒸汽环带，这些环状气团由于停止收缩也就脱离了主圆盘，每个独立的环圈通过自身形成一只小型的旋涡而聚合成为一颗行星；而这种气旋的旋转会再产生更小的气体环形气团，由此又形成行星的卫星（例如月亮）。在此之前，太阳已成为一颗新生的恒星，它的腰部围绕着一个又大又扁的气体尘埃圆盘。这个圆盘的扁平形状就可以解释行星轨道大都分布在同一平面之内的事实。拉普拉斯举出土星环为例，说〃土星环就是土星大气的原始范围及其不断凝结过程的现存证据〃。
这一解释尽管十分巧妙（它已部分地为当代假说所吸收继承），但它却无法说明太阳系的一个极为重要的特征，即行星和太阳之间的角动量分布极不均匀这一现象。太阳的质量虽然远远超过其体系的其余部分质量的总和（太阳占全体系总质量的99。9％），但是太阳的角动量居然只有全体系的2％。这一情况的物理含义是：太阳旋转极慢，但拥有全体系98％的角动量而体积却不大的诸行星，竟然在距离中心甚远的地方高速转动着。
根据康德…拉普拉斯理论并结合此后的补充知识来预算太阳的自转周期，就能验证康德…拉普拉斯假说是否正确。天文学家不仅能估计气体云在收缩之前的体积，还可测出所观测星云中气体的自转速度。根据这个估计的体积、观测的自转速度和角动量守恒定律，康德…拉普拉斯理论预见到太阳的自转周期应在半天左右，而实际的观测周期却是26天。理论与观测之间相差竟如此悬殊，是令人无法接受的，康德…拉普拉斯理论肯定忽略了形成过程中某些重要的方面。纵然这一理论对后来的天文学家的思想启发很大，但也无法原封不动地采用。
第25节：二、太阳系形成（3）
二力作用说
这是以太阳四周略具雏形的星云圆盘为起点的一个假说，是由美国亚利桑那大学月球和行星实验室的柯依伯提出的。他主张行星的发端是两种完全相反的力对星云圆盘中任一气旋（旋转单元）共同作用的结果。这两种作用力就是： （1）使气体聚集为一个整体的自身引力。
（2）力图使气旋解体的太阳潮汐力。
若气体密度足够高（高过某一特定的临界值，柯依伯称此临界值为〃罗歇密度〃），引力场将会起主导作用，而组成旋涡的物质便收缩为一种原行星，即一颗原始行星。在原始行星这个中央核四周环绕有一个同拉普拉斯的想象一般大的气体圆盘。
来自太阳的潮汐力迫使每颗原行星朝太阳方向变扁，从而便发生了周期和方向都与绕日公转一样的绕轴自转。但是随着原行星在其自身引力作用下不断收缩，它会越转越快，因为无外力作用时，它的角动量必须保持守恒。这样，我们可以看出，行星的自转方向应该与其公转轨道运动的方向相同。同理，产生于原行星周围的星云圆盘中的卫星，其公转与自转也和原行星的自转同一个方向。
这个解释似乎不能很好地说明土星环的存在，但美国天体物理学家罗歇曾证明了在2。4倍于行星半径（称为罗歇限）范围内存在的潮汐力非常强，足以阻止卫星的形成。这种罗歇限的概念有助于说明土星环的存在：原始构成环绕土星的星云圆盘的物质，因处于罗歇限之内而未能聚结成卫星。我们或许还记得，早在两个世纪之前，拉普拉斯就认为土星环乃是星云圆盘的现存证据。
柯依伯认为整个太阳系形成过程可分为四个阶段来讨论：
第一阶段是原始星云分解成为原太阳和绕太阳转动的星云圆盘。在此阶段的原太阳仍是昏暗无光的。
第二阶段是星云圆盘中的原行星的形成。该圆盘分裂为两部分：内侧部分形成四颗类地原行星，外侧部分形成四颗类木原行星。在介于两者之间的区域中，圆盘密度不会超过发生收缩过程所必需的罗歇密度，因而太阳的潮汐力将会阻止任何大型天体的形成。然而可以预料，几个比行星小的天体还是可能形成的，经碰撞，这些小型天体便分裂成为小行星。类木原行星之外的星云圆盘也是密度甚低，那就只能形成彗星了。
第三阶段是使太阳由暗变亮。它强烈的辐射会使星云圆盘中比较靠近太阳的气体电离，这种旋转的电离圆盘与太阳磁场间的相互作用能充分说明太阳角动量的丧失及太阳自转周期的必然加长这两个现象。
第四个阶段是星云圆盘和来自刚刚发光的太阳的辐射之间进一步相互作用。正如彗尾由于受太阳的辐射与微粒辐射压的作用总是背离太阳一样，星云圆盘中的多数气体也是远离太阳的。仅有那些被行星胚胎引力场牢牢控制住的气体才能留在太阳的近旁，其余的物质（其实占其质量的绝大部分）则由太阳系抛回星际空间去。离太阳最近的那些行星，因蒙受太阳的辐射与微粒辐射压作用更强，所丧失的质量会远远多于四颗离太阳较远的类木行星。既然被抛射出去的物质多是较轻的物质（氢气居多数），这就说明了类地行星的密度之所以较高的原因。
第26节：二、太阳系形成（4）
收缩假说的主要困难是难以解释气体被太阳风吹散后如何形成类地行星。要形成类地行星，星云圆盘中的密度必须超过罗歇密度，而这就要求在分解过程中占星云圆盘质量3/4的氢必须存在。照此说来，我们的地球就应该含有大量的氢元素，但实际上却不是这样。
当然，也会有这样一种可能性：类地行星的形成是一个吸积过程，而类木行星则是通过收缩过程形成的。这一见解在某种程度上已经得到观测资料的支持，月亮和火星上的巨大环形山便是吸积过程的例证；而土星与木星两者的内卫星及土星环的情况，则又表明这些行星系是由星云圆盘中的致密部分分解而成的。由此看来，类地行星与类木行星这两者的形成条件和过程不同是完全可能的。火、木二星之间空隙的存在可以这样解释：由于密度、太阳潮汐力以及温度等条件的限制，上述两种过程均不能在这一区域发生。
密度扰动说
英国天文学家金斯在20世纪初提出，原始星云如果出现满足一定条件的密度扰动，就会碎裂、坍塌而形成恒星。那么促使原始太阳星云坍塌而形成太阳系的密度扰动是如何产生的呢？太阳附近的超新星爆发可能是造成这种密度扰动的原因。
我们来想象一下50亿年前所发生的过程。那时太阳还没有诞生，在现在称为太阳系的这部分空间所有的只是一片密度很低的弥漫云状物质，这便是年轻的原始太阳星云。在离它几十光年的地方有一颗大质量恒星，已经到了一生中的晚期。随着时光的推移，这颗衰老着的恒星终于用完了在它核心部分进行热核反应的全部材料。结果这颗恒星剧烈地收缩，外部物质向中心迅速跌落，同时产生强烈的冲击波。恒星的外层向周围空间猛烈地抛出大量物质，星光在短时间内增亮千万倍，这就是超新星爆发。外抛物质的初速度可以达到每秒上万公里，经过几十万年的长途旅行后，抛出物以每秒几十公里的速度与太阳系星云相遇。太阳系星云在它们的冲击下受到压缩而扰动，星云中的物质分布不再是大致均匀的了，而是有的地方密度变高，有的地方密度变低。结果是太阳系星云发生碎裂，并最终在它密度最高的地方出现引力坍塌而形成太阳系。
1969年一颗大陨星坠落在墨西哥一个名为阿连德的村庄附近。这是一颗生存了45亿年之久的老年陨星，为我们提供了几乎原封不动的原始太阳星云物质的样品。研究发现，阿连德陨星中镁26同位素的丰度和分布情况无法用原始太阳星云本身做出解释。一种可能的途径就是通过超新星爆发把铝26注入太阳星云，并且在后来再衰变为镁26。这似乎间接地证明了太阳系最初是由某个超新星爆发偶然形成的。虽然这个说法偶然性太大，但还是被大多数人接受了。
第27节：二、太阳系形成（5）
星云吸积说
假定云状圆盘围绕太阳旋转的局面已定，描绘行星形成过程的另一种方法便是吸积过程，这就是说许多小天体集聚合并成为大天体。从火星上、月亮上和地球上的撞击环形山或陨星坑便可看出，这些天体在太阳形成后的第一个10亿年期间，每个都收集了许多小型天体。月亮上的月海与东方盆地就是由于收集这些小型天体而形成的，因而使月亮的质量大为增加。照此看来，月亮就是由吸积过程形成的。
吸积理论的主要障碍在于很难想象此过程是如何开始的。原始星云圆盘中那些细小的屑粒究竟是怎样会聚到一起而成为几个庞大的行星的呢？ 星云圆盘中的第一批固体显然是发现于球状陨星中的嵌入颗粒。这些陨星嵌粒通过某种途径集聚到形成大块物体的母体中，这种母体经过进一步合并就可能成为小行星，以至最终成为行星。但是细小的屑粒是怎样会聚到一起的，这一机制是完全不清楚的。
星云圆盘中的陨星嵌粒和尘埃都是非常细小的屑末，它们之间的万有引力很小，还不足以有效地吸引其他的颗粒。但是，这些物质屑粒受到高能光子、太阳风中的质子与电子以及宇宙射线的轰击，都是带电的，电力要比引力强得多。〃阿波罗〃12号宇宙飞船的飞行员曾发现许多微粒附着在他们的服装和设备之上，据推测这些颗粒是带电的。
带有相反电荷的两个物体是相互吸引的，一带电体（不论带正电还是带负电）会吸引其他非带电体，用一把塑料尺与毛皮摩擦即可吸附尘埃与纸屑。可以肯定，电力之强不仅足以使星云圆盘中的屑粒彼此吸引，而且一旦相撞，还可以结合得更加牢固。
另一个要回答的问题是，内侧的类地行星和外侧的类木行星的密度何以相差如此悬殊？星云圆盘的温度与太阳风对促使化学元素分离和圆盘中央形成石质的类地行星可能起了一定作用。星云圆盘的中央无疑会比外部热，所以可以认为中心的岩石一类的物质首先会凝固下来。当然，甲烷、氨、水蒸气和二氧化碳等气体在圆盘的热区是不会凝固的，像氢、氨之类的最轻元素则可能被太阳风吹出太阳系的中央区。
不过，既然太阳风之强足以吹散气体，那它也应该会使气体电离。这样一来，星云圆盘的内部就可能是由自转的电离气体所组成。带电粒子的运动产生磁场，人们普遍认为，造成太阳自转速度减慢的原因正是这种自转电离的星云圆盘磁场和太阳磁场的相互作用。这样，角动量由太阳转移到圆盘，并且如果大量的气体被吹至太空，那也会带走太阳的一些角动量。当这些气体被吹散时，行星在其形成过程中到底前进了多远，这是不清楚的。
第28节：二、太阳系形成（6）
吸积假说这样描述太阳系的形成过程：首先形成许多数百英里直径的天体，之后，这些天体再集聚成为类地行星和月球。月亮原是处于绕日运动的轨道之中，后来不知何原因又为地球所俘获。月球的轨道平面比地球的赤道面更为接近平行于太阳系平面，这一事实是地球俘获月亮这一见解的有力论据。木星的内卫星的轨道面几乎都与木星的赤道面相平行，这表明它们是同木星一起形成的。可是，木星的外卫星的轨道面却与木星的赤道面倾斜得很厉害，而且有几个外卫星的公转还是逆行。因此，目前普遍认为木星的外卫星是木星俘获而来的。
类木行星主要是由氢和氨构成的，有人猜测这些气体也许还夹杂有一些岩石物质，都是凭借着甲烷、氨、水和二氧化碳才集聚到一起的。显然，这一部分圆盘拥有大量的物质，足可形成大行星，而大行星的引力场不久便强得可以吸聚气体，因而每颗行星就增大起来。行星增长得越大，它的增长速度也越快，直到把圆盘中的气体耗尽为止。
除类木行星之外，据推测仅能形成�
