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第11章 太阳系之谜(1)

神秘的太阳家族

银河系恰如浩瀚宇宙中的一条光带,而在这条朦胧的光带里,有一个小小的星系,它就是神秘的太阳家族。

在人类对宇宙的认识中,一直存在着唯物论和唯心论、辩证法和形而上学两种相互对立的宇宙观。中国古书中记载着关于地球运动的朴素唯物论和辩证法的观点,如“天左旋,地右动”(《春秋纬·元命苞》),“地动则见于天象”(《春秋纬·运斗枢》),“地恒动不止,人不知,譬如人在大舟中,闭牖而坐,舟行而人不觉也”(《尚书纬·考灵曜》)。

公元前3世纪,古希腊学者阿利斯塔克推测太阳比地球大,认为地球绕太阳转动,而不是太阳绕地球转动。但是,从古代到中世纪,认为地球不动且居于宇宙中心的错误观念占据了统治地位。

在中国,先后有“盖天说”“浑天说”和“宣夜说”。在西方,有“九重天”的说法,认为星辰嵌在九层水晶球上,自内向外各层水晶球上嵌着月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星,第八层球上嵌着所有的恒星,第九层最高天是神灵居住处。九层天和谐地绕地球转动。后来,水晶球被圆轨道所代替。

公元前4世纪,古希腊学者亚里士多德虽然正确地推测出地球是球形的,但他认为地球是不动的且居于宇宙的中心。他还坚持天体完美论,认为天上的东西与地上的迥然不同,星星都沿着完美的圆轨道运行。为了解释行星相对于恒星时而东移(“顺行”)、时而西移(“逆行”)的现象,古希腊学者阿波隆尼提出“本轮均轮偏心模型”,认为五大行星在较小的圆轨道(“本轮”)上做等速转动,本轮中心则在一个较大的圆轨道(“均轮”)上绕地球等速转动,而地球位于偏离均轮中心处。

约在公元140年,亚历山大城的天文学家托勒密写了《天文学大成》,总结和发展了前人成果,建立了地心体系,对“本轮”和“均轮”做了一些选择,来拟合行星的运动,并编制了行星星历表,大体上与当时低精度的观测位置相符合。地心体系由于同上帝创造日月星辰和人类的宗教教义合拍,长期受到宗教统治者的庇护和利用。虽然随着社会的发展,在天文观测实践中越来越暴露出地心体系的谬误,但是,这一体系仍禁锢着人们的思想,不少人只在这一体系内修修补补。

波兰天文学家哥白尼总结和分析了前人关于日、月和行星的观测资料,并根据他自己30多年的大量观测实践,在1543年发表的《天体运行论》中提出了日心体系,即“日心地动说”。他得出结论:地球不是宇宙中心,而太阳才是宇宙中心,地球只是一颗行星,和其他行星一起绕太阳公转;日月星辰的东升西落是地球自转的反映;月亮是地球的卫星,每月绕地球转一周,同时跟着地球绕太阳公转。这是人类认识史上的一次大飞跃,把自然科学从神学中解放出来。通过实践的检验,日心地动说日益得到公认和发展。

17世纪初,伽利略用望远镜发现了木星的4个大卫星,观测到金星的盈亏等。接着,德国天文学家开普勒分析了第谷的大量观测资料,提出行星运动三定律。17世纪80年代,牛顿发现万有引力定律,从理论上阐明了行星绕太阳运动的规律。18世纪初,英国天文学家哈雷计算了许多彗星的轨道,成功地预言了哈雷彗星在1759年初的再次出现。1781年,科学家发现天王星,后来又发现天王星的卫星。1846年,在用天体力学方法推算的位置附近找到了海王星,1930年又发现了冥王星。

18世纪50年代和90年代,康德和拉普拉斯先后提出了太阳系起源的星云假说,认为太阳系有其形成发展的历史。大约50亿年前,太阳系还是一团弥漫的缓慢转动的气体云。由于其他天体的引力扰动或邻近超新星爆发的冲击波,这块气体云开始坍缩,稠密的核心变为原始太阳,周围旋转的尘粒和气体原子,形成一个薄盘——原太阳星云。

如同原始星系云会分裂为众多恒星一样,类似的物理过程也会将原太阳星云分裂为大量引力束缚的团块(星子),星子具有小行星的尺度,其中一部分就是今天的小行星和彗核,另一部分通过碰撞合并长大成星胚。这些星胚继续吸积周围的物质,像滚雪球一样最后变为大行星及其卫星。由于所有这些天体均由围绕原太阳旋转的薄盘内的物质组成,这就很自然地说明了它们的共面性和同向性。

两类行星在物理和化学性质上的差异也不难理解:在靠近太阳的内区,只有难熔的岩状物能留存下来,气体和易挥发的冰类物质都跑掉了。

所以类地行星质量较小,密度较高。在太阳系外区,由于温度低得不能使冰类物质融化,在那里可以形成质量较大、能保留住氢和氦等轻元素、密度也较低的类木行星。较大的类木行星比较小的类地行星能收集到更多的星子,因而卫星较多。行星环可能是卫星形成后留下来的原始碎片,而彗星则可能是在太阳系边界处累积起来的原始物质。

红外天文卫星发现织女星周围有尘埃环,某些恒星有小质量伴星,许多新形成的太阳型恒星周围有星云盘。这些新发现告诉我们,太阳系并不是“独生子”,它有着众多的兄弟姐妹。

科学家经过长期研究发现,在太阳系中,太阳的质量占太阳系总质量的绝大部分(99.8%),其他天体的质量总和只有太阳系的0.2%。太阳的引力控制着整个太阳系,使其他天体绕太阳公转。除了太阳之外,太阳系主要成员是八大行星(水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星),在这个意义上说,太阳系是一个“行星系”。八大行星分为性质不同的三类:类地行星(水星、金星、地球、火星)、巨行星(木星、土星)和远日行星(天王星、海王星)。太阳是有热核能源辐射的发光恒星,其他天体都没有核能源辐射(巨行星有红外辐射热源),主要被太阳光照射而发亮。

八大行星所占的空间范围,其半径不到50天文单位,即使认为在离太阳10万~15万天文单位处存在“彗星云”,将其纳入太阳系的范围,整个太阳系也只是更大的天体系统——银河系的极微小部分,离最近的恒星(半人马座比邻星)的距离有20多万天文单位。太阳只是银河系中上千亿个恒星中的一个,它离银河系中心约10千秒差距,偏离银道面北约8秒差距。太阳带着整个太阳系绕银河系中心转动。可见,太阳系不在宇宙中心,也不在银河系中心。

太阳系原定义为九大行星,2006年8月24日,国际天文学联合会决定冥王星将不再被定义为“大行星”,而是被归入“矮行星”行列,位居太阳系九大行星末席70多年的冥王星被逐出太阳系九大行星之列。至此,传统意义上的太阳系九大行星,变为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星八大行星。

迄今为止,太阳家族的秘密还没有完全解开。

太阳的起源之谜

清晨,当你站在茫茫大海的岸边或登上五岳之首的泰山,眺望东方冉冉升起的一轮红日时,一种蓬勃向上的激情会从心底油然而生。人们热爱太阳,崇拜太阳,赞美太阳,把太阳看作光明和生命的象征。“雨露滋润禾苗壮,万物生长靠太阳”这句话道出了人和地球上的生命离不开太阳。可是太阳是怎么来的呢?

太阳在人类生活中是如此的重要,以致人们一直对它顶礼膜拜。中华民族的先民把自己的祖先炎帝尊为太阳神。印度人认为,当第一道阳光照射到恒河时,世界才开始有了万物。而在希腊神话中,太阳神被称为“阿波罗”。他是天神宙斯的儿子,他高大英俊,多才多艺,同时还是光明之神、医药之神、文艺之神、音乐之神、预言之神。他右手握着七弦琴,左手托着象征太阳的金球。

要了解太阳的起源,就必须了解地球的起源,因为地球和太阳的起源是分不开的。历史上第一个科学地解释地球和太阳系起源问题的是康德和拉普拉斯两位著名学者,他们认为太阳系是由一个庞大的旋转着的原始星云形成的。原始星云是由气体和固体微粒组成,它在自身引力作用下不断收缩。星云体中的大部分物质聚集成质量很大的原始太阳。

与此同时,环绕在原始太阳周围的稀疏物质微粒旋转加快,便向原始太阳的赤道面集中,密度逐渐增大,在物质微粒间相互碰撞和吸引的作用下渐渐形成团块,大团块再吸引小团块就形成了行星。行星周围的物质按同样的过程形成了卫星。这就是康德-拉普拉斯星云说。

星云说认为,地球不是上帝创造的,也不是在某种巧合或偶然中产生的,而是自然界矛盾发展的必然结果。通过唯物主义观点,用物质的运动来说明天体的演化,星云假说起了很大的作用。

然而,由于历史条件的限制,这个星云说也存在一些问题,但它认为整个太阳系包括太阳本身在内,是由同一个星云主要是通过万有引力作用而逐渐形成的这个根本论点,在今天看来仍然是正确的。

关于地球和太阳系起源还有许多假说,如碰撞说、潮汐说、宇宙大爆炸说,等等。自20世纪50年代以来,这些假说受到越来越多的人的质疑,星云说又跃居统治地位。许多天文学家对地球和太阳系的起源不仅进行了一般理论上的定性分析,还定量地、较详细论述了行星的形成过程,他们都认为地球和太阳系的起源是原始星云演化的结果。

原始星云在万有引力作用下继续收缩,同时旋转加快,形状变得越来越扁,逐渐在赤道面上形成一个“星云盘”。组成星云盘的物质可分为“土物质”“水物质”“气物质”。这些物质在万有引力作用下,又不断收缩和聚集,形成许多“星子”。星子又不断吸积、吞并,中心部分形成原始太阳,在原始太阳周围形成了“行星胎”。原始太阳和行星胎进一步演化,从而形成太阳和行星,进而形成整个太阳系。

太阳处于太阳系的中心,是太阳系的主宰。它的质量占太阳系总质量的99.8%。所以,它有足够强大的吸引力,带领它大大小小的家族成员围着自己不停地旋转。

太阳是我们唯一能观测到表面细节的恒星。我们直接观测到的是太阳的大气层,它从里向外分为光球、色球和日冕三层。虽然就总体而言,太阳是一个稳定、平衡、发光的气体球,但它的大气层却处于局部的激烈运动之中。如:黑子群的出没,日珥的变化,耀斑的暴发,等等。太阳活动现象的发生与太阳磁场密切相关。太阳周围的空间也充满从太阳喷射出来的剧烈运动着的气体和磁场。

太阳目前功能还没有尽失,还会保持相当久远的时间。可是总有一天太阳也会熄灭并且解体,但是,在太阳的这个位置上还会产生超新星,就是新太阳了,还会生成很多新的行星,还会产生人类这种生命。新太阳太热时,人类的产生会在远离太阳的行星上;新太阳变凉时,人类的产生就会在离太阳较近的行星上。

随着科技的进步,人们对地球和太阳系起源的认识已经达到了相当深的程度,但是这种认识还很不完善,仍然存在着许多疑点和问题,有待我们进一步去探索和研究。

太阳的年龄和能量

《圣经》中记载:上帝说要有光,于是宇宙中就充满了光明。上帝认为要有日月星辰,天空中就出现了太阳、月亮和群星。此后,上帝又创造出人类的鼻祖——亚当和夏娃,以及形态各异的动植物。

无神论者对上帝创造宇宙最有名的批驳是:为什么在日月星辰这些发光体诞生前光就存在了?光是谁发出的?太阳系的年龄究竟有多大?

我们知道,树的年龄可以从年轮的条纹数来确定;马的年龄可以从它们的牙齿来数出,如果太阳系中也存在与上述类似的有助于确定其年龄的某些标志或迹象,我们就能够知道太阳系的年龄。

1847年,德国物理学家迈尔提出“能量守恒定律”。能量既不能无中生有,也不会凭空消失,它只有从一种形式转化为另一种形式。

那么,太阳的能量是从哪儿来的呢?

假定太阳是一大堆普通的火,而它完全由碳和氧组成,那么为了维持它目前的发光速率,这堆巨大的混合物只消几千年就会焚烧殆尽。

另一种可能是陨星撞击太阳时的动能转化成热和光。倘若事实果真如此,那么由于陨星的积累,30万年后太阳的质量就会增加1%。这样它的引力就会逐渐增强,地球的公转就会因此而变快,地球上每一年时间的长度就会比前一年缩短2秒钟。可是实际上并没有发生这样的情况。

此后,科学家设想太阳本身的物质在向中心沉落,因此太阳在不断收缩。向中心运动的能量将转化为热和光,而且太阳的质量并不改变,也不会影响地球年的长度。假定开始时太阳的物质布满了地球轨道以内的整个空间,那么经过1800万年,它就会缩成目前的大小。科学家断定,地球一定在1800万年之前就从当时那个“胖”太阳的表层物质中形成了。

然而,地质学上的许多证据却表明,某些地质变化经历的时间远远超过1800万年。这又是怎么一回事呢?

1896年,法国物理学家贝可勒尔发现了“放射性”,它与原子核的变化有关。不同的原子核拥有不同数量的质子和中子。由一种原子核变成另一种原子核的过程叫做“核反应”,由此产生的能量就是核能。

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