太阳系起源原理和太阳系的未解之谜.docx

太阳系起源原理和太阳系的未解之谜刘元生 刊载在《科学》（Scientific American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40 00°C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 C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一一《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。