行星诞生：科学事实与猜想，从一到无穷大

对于我们这些居住在七大洲上的人来说，“坚实”这个词与稳固和永恒有同样的意思。就我们而言，对于熟悉的地球表面，无论陆地还是海洋，山脉还是河流，它们都像是自开天辟地以来就存在似的。当然，古代的地质资料表明，大地的表面一直处于不断的变化中：陆地的大片面积可能被海洋淹没，海底也可能升出水面。

我们也知道古老的山脉会被雨水逐渐冲刷成平地，新的山系也会由于地壳的变动而不时产生。不过，这些变化仅仅是我们这个星球的固体外壳发生了变动而已。

然而不难看出，地球曾有过一段根本没有地壳的时代。那时候，地球是一个发光的熔岩球体。事实上，根据对地球内部的研究得知，地球的大部分目前仍处于熔融状态。我们不经意地说出来的 “坚实”这个东西，实际上只是漂浮在岩浆上面的一层相对来说很薄的硬壳而已。要得出这个结论，最简单的办法就是测量地球内部各个深度上的温度，测量结果表明，每向下1 000米，地温就上升30℃（或每向下1 000英尺，上升16℉）。正因为如此，在世界最深的矿井（南非的姆波尼格深井）里，井壁是如此之烫，以致必须安装空气调节设备，否则矿工们就会被活活烤熟。

按照这种增长率，到了地下50千米的深度，也就是还不到地球半径的1%深处，地温就会达到岩石的熔点（1 200～1 800℃）。在这个深度以下，地球质量的97%都以完全熔融的状态存在。

显然，这种状态绝不会一直持续不变，我们现在所观察到的不过是从地球曾经是一个完全熔融体的过去起，到地球逐渐冷却为一个完全的固体球的过程的某个阶段。由冷却率和地壳加厚速率粗略计算一下，可以得知，地球的冷却过程一定在几十亿年前就开始了。

通过估算地壳内岩石的年龄，也得到了同样的数据。尽管乍一看来，岩石似乎并不包含可改变的因素，因此人们才常用“坚如磐石”这句成语。但实际上，许多种岩石都是一种天然钟，依靠它们，有经验的地质学家可以判断出这些岩石自熔融状态凝固以来所经历的时间。

这种揭露岩石年龄的地质钟就是微量的铀和钍。在地面和地下各个深度的岩石里，常常会有它们的踪迹。在第七章里我们看到过，这些原子会自发进行缓慢的放射性衰变，并以生成稳定的元素铅而告终。

为了确定含有这些放射性元素的岩石有多大年龄，我们只要测出由于长期放射性衰变而积累起来的铅元素的含量就行了。

事实上，只要岩石处在熔融状态下，放射性衰变的产物就会因扩散和对流作用而离开原处。一旦岩石凝固以后，放射性元素所转变成的铅就会开始积累起来，其数量可以准确地告诉我们这个过程的持续时间。这种情况和间谍通过散落在太平洋两座岛屿上棕榈林中空啤酒罐头盒的数目，就可以判断出敌人一个舰队在这个地方驻扎的时间一样。

近年来，人们又应用改进过的技术，精确地测定了岩石中的铅同位素及其他不稳定同位素（如铷87和钾40）的衰变产物的积累量，由此算出最古老的岩石存在了约45亿年。因此，我们的结论是：地壳一定是在大约50亿年前由熔岩凝固成的。

因此，我们能够想象出，地球在50亿年前是一个完全熔融的球体，外面环绕着稠密的大气层，其中有空气和水蒸气，可能还有其他挥发性很强的气体。

这一大团炽热的宇宙物质又是从哪里来的呢？是什么样的力量决定了它的形成呢？这些有关我们这个星球和太阳系内其他星球起源的问题，是宇宙论（有关宇宙起源的理论）的基本课题，也是多少世纪以来一直萦绕在天文学家心中的一个谜。［见图118（a）］

几十年后，德国著名的哲学家康德（Immanuel Kant）提出了一个截然不同的观点，他认为各行星是太阳自己创造的，与其他天体无关。康德设想，早期的太阳是一个较冷的巨大气体团，它占据了目前的整个星系空间，并绕着自己的轴心缓慢转动。由于向周围空间进行辐射，这个球体逐渐冷却，从而使它自己一步一步进行收缩，旋转的速度也随之加快。结果，由旋转产生的离心力也随之增大，从而使这个处于原始状态的太阳不断变扁，最后沿不断扩张的赤道面喷射出一系列气体环［见图118（b）］。普拉多（Plateau）曾做过物质团旋转时形成圆环的经典实验：他使一大滴油（不像太阳的情况那样是气体）悬浮在与油的密度相同的另一种液体中，用一种附加机械装置使油滴旋转，当旋转速度达到某个限度时，油滴外围就会形成油环。康德假定，太阳以这种方式形成的各个环，后来又由于某种原因断裂开来，并集中成为各个行星，在不同的距离上绕太阳运转。

图118　两种不同的学说

（a）布丰的碰撞说；（b）康德的气体环说

后来，这些观点被法国数学家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）所采纳和发展，并于1796年发表在《宇宙系统论》一书中。拉普拉斯是一位卓越的数学家，然而在本书中，他却没有使用数学工具，仅就太阳系形成的理论做了半通俗化的定性论述。

60年后，英国物理学家麦克斯韦（Clerk Maxwell）首次试图从数学上说明康德和拉普拉斯的宇宙学说，但他遇到了明显无法解释的矛盾。计算表明，如果太阳系的这几个行星是由原来均匀散布在整个太阳系空间内的物质所形成的，那这些物质的密度未免太低了，根本无法凭借彼此间的万有引力聚成各个行星。因此，太阳收缩时甩出的圆环将永远保持着这种状态，就像土星的情况那样。大家知道，土星的外围有一个环，那是由无数沿圆形轨道绕土星运转的小颗粒组成的，我们看不出它们有“凝缩”成一个固体卫星的趋势。

要想摆脱这种困境，唯一的出路是假设初始状态的太阳所抛出的物质要比现在行星所具有的物质多得多（至少多100倍），这些物质中的绝大部分后来又回到太阳内，只有不足1%的部分留下来，成为各个行星。

然而，这种假设也会导致新的矛盾，这个矛盾的严重性并不亚于原来的那个。这就是：如果这一大部分物质——它们当然具有与行星运动相等的速度——确实落到太阳上，必然会使太阳自转的角速度变为实际速度的5 000倍。那么，太阳就不会像目前这样大约每四个星期自转一周，而是一个小时要转7圈。

上述考虑看来已经宣判了康德—拉普拉斯假说的死刑，因此，天文学家们充满希望的目光又转向别的地方。在美国科学家钱伯伦（Thomas Chrowder Chamberlin）、莫尔顿（Forest Ray Moulton）以及英国科学家金斯的努力下，布丰的碰撞说又复活了。当然，随着科学知识的不断增长，它们对布丰原有的观点所涉及的基本知识作了一定的修改。与太阳相撞的那颗彗星被摒弃了，因为这时人们已经知道，彗星的质量小到即使与月亮比起来也微不足道的地步。这一回，假设的进犯者是大小和质量都与太阳相当的另一颗恒星。

但是，这个再生的碰撞假说，虽然避开了康德—拉普拉斯假说的根本性困难，它自己却也难以立足。人们很难理解：为什么一颗恒星与太阳猛烈碰撞时，碰出来的各个小块物质都沿着近似圆形的轨道运动，而不是在空间中形成一些拉长的椭圆轨道？

为了避免这种情况，人们只好假设，在太阳受到恒星撞击而形成行星的时候，它的周围包围着一层旋转着的均匀气体，在这种气体包层的作用下，细长的椭圆轨道就变成了正圆形。但是，在行星运行的区域内，目前并未发现这种介质。因此，人们又假设，这些介质后来逐渐散入星际空间，目前人们在黄道附近看到的微弱的黄道光，就是这种昔日的光轮的残余。这样一来，就得到了一个杂交的理论，其中既有康德—拉普拉斯的原始气体层假设，又有布丰的碰撞假设。这个假设也不能完全令人满意。但正如俗语所说，“两害相权取其轻”，碰撞假设就这样被接受为行星起源的正确学说，还出现在所有科学论文、教科书和通俗小册子中（包括我自己的两本书《太阳的生与死》和《地球的自转》在内）。

直到1943年秋，才有位年轻的德国物理学家魏扎克把这个行星起源理论中的症结解开。魏扎克根据最新的天文研究资料指出，康德—拉普拉斯假设中所有的那些阻碍都很容易消除，关于行星起源的详细理论是可以建立起来的，行星系的许多迄今为止未被原有理论接触到的重要方面也得到了解释。

魏扎克的主要论点是建立在最近几十年中天体物理学家们完全改变了他们对宇宙化学成分的看法的基础上的。过去，人们普遍认为，太阳和其他一切恒星的化学成分的百分比与地球相同。对地球进行的化学分析告诉我们，地球主要是由氧（以各种氧化物的形式存在）、硅、铁和少量的其他重元素组成的，而氢、氦（还有氖、氩等所谓的稀有气体）等较轻的气体在地球上只以很少的数量存在^[1]。

当时，由于天文学家们没有其他更好的证据，只好假设这些气体在太阳和其他恒星内是非常稀少的。然而，通过对天体结构所进行的详细理论研究，丹麦物理学家斯特劳姆格林（B.Strongren）下结论说，上述假设大错特错。事实上，太阳的物质中至少有35%是氢元素。后来，这个比例又增至50%以上，此外，还有占一定百分比的纯氦。不论对太阳内部所进行的理论研究（这在史瓦西的重要著作中达到了登峰造极的地步），还是对太阳表面所进行的精密光谱分析，都使天体物理学家们做出令人惊讶的结论：在地球上普遍存在的化学元素，在太阳上只占1%左右，其余都为氢和氦，前者略多一些。显然，这个分析也同样适用于其他恒星。

人们还进一步知道，星际空间并非真空，而是充斥着气体和微尘的混合物，平均密度为每1 000 000立方英里1毫克左右。显然，这种弥漫的、极其稀薄的物质具有和太阳及其他恒星相同的化学成分。

尽管这种物质的密度低得让人难以置信，但证明它的存在却是很容易的。因为从遥远恒星发来的光，在进入我们望远镜之前，要走过几十万光年的空间，这足以产生能被捕捉到的吸收光谱。由这些“星空吸收谱线”的强度和位置，可以相当满意地计算出这些弥漫物质的密度，并判断出它们几乎完全是由氢（可能还有氦）组成的。事实上，其中各种“地球物质”的微尘（直径在0.001毫米左右）还占不到这种物质总质量的1%。

回到魏扎克理论的基本观点上来，我们说，这些关于宇宙物质化学成分的新知识是直接有利于康德—拉普拉斯假说的。事实上，如果太阳外围原有的气体包层是由这种物质组成的，那么，其中就只有一小部分，即较重的那些地球元素，能用于构成地球和其他行星，其余那些不凝的氢气和氦气，必定是以某种方式与之分离，或者落到太阳上去，或者逸散到星际空间中去。我们在前面已经说过，第一种情况会使太阳获得很高的自转速度，所以我们就应该接受第二种说法，即当“地球元素”形成各个行星后，气态的“剩余物资”就扩散到空间中去了。

这种观点为我们提供了星系形成的如下图景：当太阳由星际物质凝聚生成时（见下一节），其中一大部分物质，大约有现在行星系总质量的10倍，仍留在太阳之外，形成一个巨大的旋转包层（产生旋转的原因很明显是由于星际物质向原始太阳集中时，各部分的旋转状态不同造成的）。这个快速旋转的包层有不凝的气体（氢、氦和少量的其他气体）以及各种地球物质的尘粒（如铁的氧化物、硅的化合物、水汽和水晶等）组成，后者被包含在前者之内，并随之一道旋转。大块的“地球物质”，也就是各行星，一定是尘粒互相碰撞并逐步汇聚的结果。在图118中，我们表示出以陨星的速度进行碰撞所造成的后果。

在逻辑推理的基础上，可以得出结论，如果两块质量相近的微粒以这种速度碰撞，当然会双双粉身碎骨［见图119（a）］，它们非但没有增大，反而变得更加小了。与此相反，如果一块小的与一块很大的相撞［见图119（b）］，显然小的一块会埋入大块之内，形成一块稍大一些的新物体。

图119　微粒碰撞

很明显，这两个过程的发生将使小颗的微粒逐步减少，并形成大块物体。越到后来，物体的体积就越大，越能凭借自己的万有引力把周围的微粒吸引过来与自己合并。图119（c）画出了大块物体的俘获效应增强的情况。

魏扎克曾证明，在当今行星系所占据的空间里，那些原来遍布各处的细微尘粒，能够在几亿年的时间内汇聚成几团巨大的物质——行星。

当这些行星在绕太阳运行的过程中吞并大大小小的宇宙物质而长大的时候，表面一定会由于这些新成员的持续轰炸而变得炽热。然而，一旦这些星际微尘、石粒和岩块用完之后，行星的增长即宣告终止。表面也会由于向空间辐射热量而迅速冷却，从而形成一层固态地壳，随着行星内部缓慢冷却，地壳也变得越来越厚。

各种天体理论试图解释的另一个重要问题，是各行星与太阳的距离所呈现的特殊规律［叫作提丢斯-波得（Titius-Bode）定则］。我们来看看表5，表中所列的是太阳系的九大行星^[2]及小行星带与太阳的距离。小行星显然是一群由于特殊情况而没有凝聚成大行星的单独小块。

表5　九大行星及小行星带与太阳的距离

表中最后一栏数字特别令人感兴趣。这些数字虽然略有不同，但都与数字2差不多。因此，我们可以建立这样一条粗略的规律：每一颗行星的轨道半径都差不多是前一行星轨道半径的两倍。

有趣的是，这条定则也适用于各行星的卫星。例如，表6中所列的土星的九个卫星与土星的距离就证实了这条规律。

表6　土星的九个卫星与土星的距离

在这里，同太阳系的情况一样，我们遇到了几个特例（特别是土卫九），但我们仍可相信，卫星中也存在着同样的规律。

太阳的外围原有的这些微尘为什么不形成一个单独的大行星呢？这些行星又为什么以这种特殊的规律分布呢？

为了解答这个问题，我们得对原始尘埃中的微尘的运动做较为细致的了解。首先，我们都还记得，一切物体——微尘、陨石、行星等——都按牛顿定律沿椭圆形轨道运动，太阳则位于椭圆的一个焦点上，如果形成各行星的这些微尘是直径为0.000 1厘米的粒子^[3]，那么在开始时一定有数量为1045的粒子在各种大小不同、圆扁度不同的轨道上运动，很清楚，在这种拥挤的交通下，粒子间必定经常发生碰撞。整个系统在不断撞击下会逐渐变得整齐。不难理解，这样的碰撞要不是使“肇事者”粉身碎骨，就必定迫使它移到不那么拥挤的路线上去。那么，这种“有组织的（至少是部分有组织的）交通”是由什么规律控制的呢？

对于这个问题，我们从一群绕太阳公转而周期相同的粒子入手。在这些粒子当中，有一些会在一定半径的圆形轨道上运转，另一些则在扁长程度不同的椭圆形轨道上行进［见图120（a）］。现在，我们从一个以太阳为圆心、以粒子的公转周期为周期的旋转坐标系（X、Y）来描述这些粒子的运动。

图120　圆形和椭圆形运动

（a）从静止坐标系上观察圆形和椭圆形运动；（b）从旋转坐标系上观察圆形和椭圆形运动

很清楚，从这种旋转坐标系上进行观察时，沿圆形轨道运动的粒子A永远静止在某一点A′上，而沿椭圆形轨道行进的粒子B，它有时离太阳近，有时离太阳远；近时角速度大，远时角速度小。因此，从匀速旋转的坐标系（X、Y）上看，B有时抢在前面，有时落在后面。不难看出，这个粒子从这个坐标系看来是在空间描绘出一个封闭的蚕豆形轨迹，在图120中以B′表示。另一个粒子C的轨迹更为扁长，从坐标系（X、Y）上看，它也描出了一个蚕豆形的轨迹，不过要大一些，以C′表示。

很明显，要使这一大团粒子不发生碰撞，各粒子在匀速旋转的坐标系中所描绘的蚕豆形轨迹必须保证不相互交叉。

我们还记得，具有相同运行周期的粒子，距太阳的平均距离是相同的。因此，坐标系（X、Y）中各个粒子轨迹不相交的图形一定是像一串环绕太阳的“蚕豆项链”一样。

上面这些分析对读者来说可能有点难懂，实际上它所表述的却是一个相当简单的过程，目的在于搞清楚一团与太阳平均距离相同、旋转周期相同的粒子不至于相交的交通路线图。我们会想到，原先绕太阳运行的粒子会有各不相同的平均距离，旋转周期也随之不同，因此，实际情况要复杂得多。“蚕豆项链”不会只有一串，而是有很多串，这些项链以不同的速度旋转。魏扎克通过缜密的分析指出，为了使这样一个系统能稳定下来，每一条“项链”必须包括5个单独的旋涡状系统，整个情况看来就如图121所示。这种安排可以保证同一条项链内的“交通安全”。但是，每串项链旋转的速度各不相同，因而在两条“项链”交叉的位置一定会发生“交通事故”。在这些作为相邻链环的共同边界的地方，大量的相撞必然造成粒子的汇聚，因而在特定距离上会形成越来越大的物体。因此，随着每一条“项链”内物质的逐渐稀薄，在边界地区物质会逐渐积累，最后形成行星。

图121　在早期的太阳包层中微尘的通道

这段对于行星系统形成过程的描述，简单地解释了行星轨道半径所呈现出的规律。事实上，只需进行简单的几何推断，就能看出图121所示的图样中，连续的边界线中相邻的两条边界半径构成了一个几何级数，每一项都是前一项的两倍。我们还能看出为什么这条规律不是非常准确的。事实上，并不是严格的定律决定着这些微尘的运动，而只是不规则的运动达到了这样一种趋势而已。

这条规律也适用于太阳系各行星的卫星系统。事实证明，卫星也是按同样的方式形成的。当太阳周围的原始微尘分成各个单独的粒子团以形成行星时，上述过程在各团粒子中都得到重复：各粒子团中大部分粒子会集中在中心成为行星体，其余部分则会在外围运转，并逐渐聚成一群卫星。

在讨论这种微尘的碰撞和粒子的汇聚时，我们不能忘记考虑原来占太阳包层99%上下的那些气体成分的去向。这个问题相对来说是很容易回答的。

当微尘互相碰撞，越来越大时，那些不能加入这个过程的气体会逐渐弥散到星际空间中去。不需要做很复杂的计算就能求出，这种弥散过程大约需要一亿年，也就是说和星系形成所需的时间差不多。因此，在各行星产生的同时，太阳包层中大部分氢和氦都已逃离太阳系，只剩下可以忽略的一小部分，就是上文提到过的黄道光。

魏扎克理论的一个非常重要的结论是：行星系的形成并不是偶然的事件，而是在所有恒星周围都必然发生的现象。而碰撞理论则认为，行星的形成在宇宙史中极为罕见。计算表明，在银河系的四百亿颗恒星中，在它几十亿年的历史中，充其量只能发生几起恒星相撞的事件。

按照魏扎克的观点，每颗恒星都有自己的行星系统，那么在我们的银河系内就会有数以百万计的行星，它们的物理条件都与地球基本相同。如果在这些“可居住”的地方竟然不能发展到最高阶段——存在生命，那才是怪事呢！

事实上，我们在第九章中已经看到，最简单的生命，如各种病毒，无非是由碳、氢、氧、氮等原子组成的复杂分子而已。这些元素在任何新形成的行星体表面都会大量存在。因此，我们可以确信，一旦固态地壳生成，大气中大量的水蒸气降落在地面汇成水域后，迟早总会有一些这类分子在偶然的机缘下由必要的原子按必要的次序生成。当然，这些分子的结构很复杂，因而偶然形成它们的概率极低，就如同靠摇动一盒七巧板想正好得到某个预想图样的概率一样。但是另一方面，我们也不要忘记，不断相撞的原子那么多，时间又那么长，迟早总会出现这种机会的。我们地球上的生命在地壳形成不久就出现了，这个事实证明，尽管看起来好像不可能，但复杂的有机分子确实能在几亿年的时间内靠偶然的机会生成。一旦这种最简单的生命形式在新行星的表面上诞生，它们的繁殖和逐步进化，必将导致越来越复杂的生物体不断形成^[4]。我们还知道，在各个“可供居住”的行星上，生命的进化是否也遵循着同地球上一样的过程。因此，对这些地方的生命进行研究，将使我们对进化过程得到根本的了解。

不久的将来，我们会乘坐核动力推进的空间飞船做进一步的探险旅行，去火星和金星（太阳系中最好的“可供居住”的行星）上对它们是否有生命存在进行研究。至于在几百、几千光年远的宇宙中是否有生命存在，以及那里的生命的存在形式，则恐怕是科学家很难解答的问题。