一、太阳系的起源与演化
太阳系的起源与演化理论,主要有星云理论(又分旧星云理论和现代星云理论)和灾变理论两大派。星云理论认为太阳系是由气粒凝结形成的,灾变说认为太阳系是由一个巨大的原始太阳分裂形成的。
1644年,法国哲学家笛卡儿(1596~1650)在《哲学原理》里提出了第一个星云说,也叫做太阳系的旋涡理论,认为炁海里的物质微粒(星云气粒)逐渐获得了涡流运动,于是凝聚成了太阳、天空、行星、卫星,最后形成了太阳系。1755年,德国哲学家康德匿名发表了《宇宙发展史概论》,书中用引力和斥力解释了太阳系的问题,其中就有太阳系的起源问题。他提出了第一个科学的太阳系的星云起源假说,认为太阳系是由同一团原始物质(即原始星云,是一切天体的原始物质,是各种大小不同的固体的尘埃微粒)逐渐演化生成的,都有共同的起源。星云靠自身引力凝聚成原始太阳和原始太阳系。当时还没有燃烧起来,在它完全形成后,火焰才在它的表面突然产生出来。当引力中心物质燃烧(自燃)时就形成了太阳。星云微粒还凝结形成了行星等其他小天体。斥力使下降凝聚的星云微粒作圆周运动,形成了旋涡,形成了圆盘状结构,形成了天体的公转和自转运动。在康德的星云理论基础上,经过后人修改成许多理论分支。1796年,法国数学家和力学家拉普拉斯(1749~1827)在《宇宙体系论》中也独立提出了他的太阳系起源的星云假说。不同的是,他认为太阳系是由一个燃烧的气体星云凝聚而成的,认为整个太阳系是由同一个炽热的圆球形状的缓慢转动的原始气体星云收缩凝聚而成的,中心部分形成了太阳,外部物质形成了行星和卫星等,引力收缩和离心力则形成自转和公转运动。原始星云呈球形,由于辐射使热量损失,就逐渐冷却收缩,由于角动量守恒使缩小的星云转动加快,离心力加大,星云越来越扁,最后有一些分离形成了数个气体环。最后中心气体凝聚成太阳,气体环的气体形成行星等小星球。人们把这两个星云学说合称为康德——拉普拉斯星云说。1940年后形成了新的星云学说,即现代星云说,大约有30几个学说,大体上分为两类:一类是俘获说,另一类是共同形成说。现代星云理论认为太阳使星云形成行星等小天体,而星云来自恒星际炁海里的气体或者与太阳同时形成,主要分歧是在星云如何形成行星等小天体上。俘获说认为太阳和行星不是由同一星云形成的,太阳先存在,然后从恒星际空间俘获物质,形成太阳周围的星云,形成星云盘,星云再集聚成行星和卫星。但是计算表明,太阳遇上星际云并且获得足够的形成行星的星云物质的机会是很小的。共同形成说发展了旧的星云起源说,只是一种改良而已,认为太阳系是由同一星云形成的。但是星云学说存在许多问题,例如没有办法解释太阳系中的角动量分布异常问题。今天观测到的星际云温度很低,只有几十K,所以事实是,收缩不是由于冷却而是由于自吸产生的,星云收缩,温度升高。而且温度高密度小的气体不可能凝结成环,也不可能形成自转。
1745年,法国生物学家布丰(1707~1788)在《一般的和特殊的自然史》中第一个提出了灾变说,即行星形成的灾变理论,认为先有太阳,然后有一颗彗星碰撞了太阳使太阳自转,并且碰出的物质凝固形成了行星和卫星。围绕使太阳分裂的原因,有十几种灾变学说诞生,有代表性的是:美国的张伯伦和摩尔顿在1900年共同提出的星子假说,认为有一颗恒星接近太阳,引起太阳的形成两股气体潮,气体离开太阳,形成螺旋状的两股气流,最后合并成一个气体盘。这些气体凝结成液体、固体(叫做星子和行星胎)、行星。回落到太阳上的气体使太阳自转起来。同样的道理,太阳的起潮力使行星分离出卫星;英国的金斯在1916年提出的潮汐假说,认为20亿年前,一颗恒星掠过太阳,拉出太阳里的物质(气体),形成了行星;捷弗里斯在1924年提出的碰撞假说,观点与潮汐说相似,只是恒星与太阳有碰撞;美国的罗素在1935年提出的双星假说,认为太阳是双星中的一个子星,一颗恒星经过时,把另外的子星吸引走了,留下的物质形成了行星。这些假说都认为,先有了太阳,然后有一个恒星与太阳碰撞或者作用,从太阳(或者恒星)里分散出来的物质结合形成了行星和卫星。由于有外部恒星的作用,使太阳系的角动量分布异常的问题得到了解决。然而根据计算和观测发现,恒星碰撞或者接近太阳几乎是不可能的,要2千万亿年才发生一次,即使碰撞也不可能形成行星和卫星。19世纪末,乔治·达尔文(1849~1912,进化论创始人达尔文的儿子)在康德1754年发表的《关于地球自转问题的研究》中的潮汐摩擦理论的基础上提出了月球起源与演化假说,认为月球是从地球上分裂出去的,是太阳潮汐作用的结果。
关于太阳系的起源和演化的学说已经有40多个,至今还没有一个理论能够完满地说明太阳系的所有观测事实。现在的理论一致认为:(1)、太阳系的年龄大约为46~50亿年,是由约50亿年前的星际云瓦解形成的原始星云塌缩形成的,经历了约4千万年的引力收缩阶段。根据地球石、月球石和陨石的同位素年代分析知道,地球和月球大约在46亿年前形成;(2)、通过陨石分析知道小天体形成温度为400~500K,形成时间为几百~几千万年。认为木星和太阳的化学组成大致相同原始星云的化学组成最初是均匀的,由于演化而发生化学分馏,导致各行星的化学组成的差异;(3)、一般认为星云盘内的固体颗粒先沉降到赤道面,形成尘层,随着密度增加,于是在尘层内形成星子;(4)、一般认为行星系统的起源与太阳早期演化有关。太阳磁场通过磁耦合机制和沙兹曼机制使太阳角动量转移,造成太阳系角动量的特殊分布,其中还可能受到附近超新星爆发的影响;(5)、普遍认为太阳系的起源要综合考虑动力学过程、原子过程、化学过程、电磁过程和等离子过程等。
对于太阳系的演化,牛顿说上帝使星系运转后,星系将会永远不变地维持下去。康德批评说一切天体都是有生有灭的,它们处在永恒的生死成毁的循环发展过程中。他指出:“太阳系的恒星和行星的形成、发展、转化的根本原因和动力,是太阳系内部动力——引力与斥力的相互作用。吸引和排斥(引力和斥力)是推动太阳系起源和演化的内部动力。这些物质微粒同时具有吸引和排斥的特性,通过吸引而凝结成天体,通过排斥使天体旋转并且形成圆盘结构。天体的起源是大自然自行发展的结果”。
炁学提示:所有的星系都是天然存在的,是无生无灭的,只有胀缩呼吸运动,即星系的四季运动。气粒是由星球释放出来的,不是形成星球的原材料。气粒不可能自行形成星球和星系,因为气粒凝结成为液体和固体是需要一定的温度、压力和浓度等条件的,而且引力不可能从无到有,从小到大,然后从大到小转变成为温度。只有有星壳的星球在变化:原来的星壳老化(变厚变硬)、星壳破裂瓦解、星幔涌出星面凝结成新的星壳、旧星壳熔化成星幔。这个就像原子一样,原子形成后就一直存在着,由于原子炁子的存在,电子将永远围绕原子核转动,如果没有同其他原子作用就会永远存在下去。而星球相距甚远,又由于有星系炁子的存在,根本就不可能发生接触碰撞而毁灭的情况。那些变化的星球(活动星球)就像放射性原子一样,放射性原子能够从原子核分裂出量子射线,活动星球也能够从星球把星球物质喷射出去形成小行星、彗星、流星、星际气粒等物质。那么新生的天体又是怎样形成的呢?大体原则是:一切物质都是由炁体形成的。具体的形成过程是:炁体→炁子→星子→星球→星系。它揭示了天体的起源问题。炁体进入星球形成炁子,炁子被发射出来形成星子。星子就是炁子物质团,是星核一样的物质,是小星核,只是分量少了许多。星子能够使炁体变成炁流和炁粒,炁粒凝聚在星子周围形成了星幔、星壳和星气,即形成了星球,炁流使星球形成星系。这种星球是不稳定的,是活动星球。