太陽繫起源原理和太陽系的未解之謎

刊載在《科學》（Scientific American 中文版）2000年第10期上的《太陽系的起源及其各個演化階段》一文，首先提出太陽繫起源理論。並成功地解釋了諸如，小行星的形成機制、天王星為什麼躺著運行等太陽系的許多未解之謎。該理論認為，根據當前科學界對太陽繫起源的共識，太陽系的星體是由同一塊星雲形成的。也就是說：太陽系初期所形成的所有太陽系天體，包括太陽、各大行星、衛星和未能形成大星體的碎塊都是由相同的物質所組成。這些星體在其形成之後漫長的50多億年的演化過程當中，由於每個星體的體積、質量和在太陽系中的空間位置各不相同，每個星體在各自的演化階段中都有著非常大的變化。我們也必須意識到，這種變化的主流是不可逆的。本文在此，就當前太陽系的其他未解之謎，再探討太陽系天體的演變過程。

一、月球的起源和它的演化過程

月球是距離地球最近的天然大天體，是地球的衛星。它現在距離地球大約38.4萬千米的軌道上運轉著。它是直徑3500千米的近似球形的星體。它也是人類唯一訪問過的地外星體，並且對它保持有大量的岩石採集標本。總之，月球是人類除地球之外最熟悉的大天體。由於在月球表面，現在沒有流動著的液體或氣體，所以它的上面保存著幾十億年來變化的痕跡。將之與地球相對比，能演示月球的演化過程，對深刻地理解我們所生活著的地球和太陽系至關重要。

如果，太陽、地球、月球和其它星球在形成初期都是由相同材料組合成的，那麼形成初期時的月球也應該是以氫、氦為主要材料所組成。依此推算，當時月球的體積比現在的地球還大。質量是現在地球質量的0.8左右。它運行在環繞地球轉動的軌道上；相對地球，月球當時就在同步自轉。由於地球和月球在演變過程中質量在不斷變化，所以月球與地球間的距離在以後的演變年代中是個變數。最初星雲物質凝聚成月球的時間大約距現在50億年以前。

我們知道：無論是地球上的火成岩石、月球上岩石，還是降落到地球上的隕石。它們都經歷過融熔階段。依此可以推論，地球、月球以及其它類地星體的岩石部分，都曾經經歷過熱熔時期。對待這個熱熔時期的物理機制，也就是熱熔能量的來歷問題。科學界眾說紛紜。現在的天文學界普遍認為，是由於密集的小的岩石類小行星體對星體的撞擊後造成的。

但是，對於這種解釋天文學界自己都無法自圓其說。譬如地球上現在存有大量的水，以上解釋就無力解決疑問。有人認為：當大量小行星體撞擊地球，地球上的岩石呈熔融狀態時，地球上的水因為承受不住高溫，而全部汽化在空中了。再經過長時間的冷卻，地球上的水才又回到地面。在這裡就出現了問題：依據現在的地球質量，它無法吸引得住這麼多的汽化了的水。另有人直接提出：當地球、月球和其它類地行星經歷熱熔期時，它們都不存在有水。在它們經歷過熱熔期之後，有一顆非常大的彗星擊中地球，是它給地球帶來了現在的水。
這裡就出現了非常有趣的假設現象。在天文學問題的探討過程中，特別是對太陽系的各種未解之謎的研討中，當有重大的問題無法解釋時。有人總會設想，另外會出現一顆大行星來撞擊有疑問的星體，使無法解釋的星體上的問題得到解決。例如：有一顆行星飛來，撞在了小行星帶上的行星上使其破裂，形成現在的小行星帶。又有一顆大行星撞在天王星上，使天王星躺在自己的軌道上運轉。由於地球和月球的密度差別太大；又有人認為，是一顆大星體撞向地球，打出太平洋的物質在天空中形成了月亮。再加上給地球帶來水的大彗星。現在的天文學界基本認為有這四顆大行星曾經存在過。

就這四顆大的星體而言，如果它們不與其它星體相撞擊，根據它們的運行軌跡，它們應該是不規則大行星（規則大行星具有共面性、同向性和近圓性等特徵）和非常大的彗星。在太陽系中，根據天體力學原理和事件發生的概率推斷，出現不規則大行星和非常大的彗星的概率幾乎等於零。也因為太陽系裡從來沒有見過這樣的大行星出現，更何況那樣精確的行星撞擊都是根本不可能發生的天文現象。

真實地發生在月球上的事是這樣一個過程：大量的物質積聚成的月球原星開始升溫，升高溫度的月球體積進一步變小。積聚能（勢能）使月球內部的溫度又進一步升高。這時的月球是一個外部有很厚氫氣層和有少量其他物質的液態氫、氦球體。又經歷過長時間的演化，少量的其他物質向月球的中心積聚，這些物質的積聚勢能使月球中心的岩石物質溫度上升到4000℃。從月球上取得的岩石看，它們不僅經歷過高溫過程，而且還經歷過高壓過程，因為它們看上去都相對密實。如果以上敘述的高溫高壓過程都是真實發生的，那麼以上過程也可以反過來證實，月球形成之初的體積要比現在大得多。

在月球上的重物質開始向月球中心積聚時，太陽的氫核融合開始爆發。這時太陽的強烈輻射使月球表面的氫氣溫度升高，高溫氫分子的運動速度達到脫離月球的宇宙速度時。在太陽風的作用下，這些氫物質會源源不斷地脫離月球、脫離地球軌道，奔向太陽的遠方。

就在距今大約46億年，月球的氫物質損失掉70%時。由於月球質量變小，月球上的氫、氦物質汽化脫離速度加快。這個加快的汽化過程帶走月球大量的熱能，使岩核表面的溫度降低至1000℃以下。岩石變得不易流動，而要凝結了。順便提示注意：小行星的上述演化過程和月球的是在基本相同的時間裏發生的。雖然小行星距離太陽比月球距離太陽要遠得多，但是當時小行星軌道上的星子比月球的體積小得多。地球的這個演化過程是在距今38億年時發生的。以上所提及的所有物理演化過程完全可以用計算機模擬出來。

在距今40億年左右，由於變成石質的小行星劇烈碰撞成的碎片，有許多脫離原來的軌道散落在太陽系各處，形成小行星撞擊大行星的高峰時期。月球也是在這個時期被小行星撞得滿目瘡痍。

進入39億年，月球上的水和可揮發物質大部分基本飛失掉後，岩石月球承受的壓力逐漸變小。由於月球對地球的同步自轉（單一面朝向地球），在地球引力的作用下，或許有一塊隕星撞擊的引發，朝向地球月面上的斜長岩層裂開，湧出的玄武岩漿形成大面積月海。如果能仔細觀察月海現在的輪廓，也可以得到相同的結論。

在以後漫長的歲月裡，月球緩慢地冷卻。當冷凝的岩石達到足夠的厚度時，再隕落在月球上的小行星會在月面上撞出星形裂縫和隕石坑。如果撞擊月球的是鐵質小行星，它留在月岩中會成為質量瘤。月球繼續冷卻，當距離月心1000千米處的月岩開始變冷時，月心部分開始收縮。在月殼岩石的強力支撐下，月心的冷縮，使它們之間形成一層斷續的空夾層。當有月震時，月球就會像鼓一樣久震不息。

地球的密度和月球的密度之所不相同的原因是：1.地球上的岩石經歷過更高的溫度和壓力，所以地球有更好的地質演化。2.地球是行星，月球是顆規則衛星，它們的運動狀態不同。由此兩點它們各自形成的星體密度會大不相同。

月球的演化直到今天，在演化過程的後半時期，月球的物理變化不是太大。它現在寂靜地繞著地球轉動著，有時也會出現些不易察覺的活動。

當然，以上所談的只是月球演化過程的一個非常簡單的變化輪廓。有些演化過程的細部，特別是月球化學演化的微妙細節，應該由一門專門的學科－－《行星體演化化學》來探討，這裡不再詳述。

再類比地談談地球的演變：在36億年時地球失去許多物質，岩殼外層的溫度下降到一定的溫度時，斜長岩層開始凝結。在隨後的時間裏，地球上的氫、氦物質進一步喪失，使地球岩石核所受的壓力減小；到26億年左右時，地球的斜長岩外殼破裂，暴露出的玄武岩層成為大洋的底面。是這個演化過程為地球版塊運動理論提供了源動力。依據該演化理論，地球上的許多其它自然現象也都可以得到解釋。

二、太陽繫起源原理質疑

對於所提出的太陽繫起源假設，人們會提出質疑：人類的壽命最長也不過一百多年，人類的文明史不過五千年。太陽系的演化是從50億年以前開始的，就怎麼能夠確定太陽系中的星體是怎樣演化的呢？

對待人類歷史，我們為確認事件的發生年代，是用史料的相互印證來確定的。對於地球的近期演變史，我們會勘察地質年代的地層資料給與確定。對於像太陽這樣的恆星、星系乃至宇宙的演化史，人類要用已知的物理學理論和可以觀測到的事實把它演示出來；這種演示可以是知識的探索，也可以是定量計算結果的證實，更好的是用計算機模擬全部演化過程。

當我們使用這些物理、化學知識和現代技術擴大我們對世界的感知時，我們不會忘記那些在濛濛前夜苦苦探索的先驅們和為科學的進步孜孜不倦地工作著的科學家們。是他們的辛勤勞動使我們人類開始對我們的世界有了意識。

在天文學的探討中，天文學家裡的許多人都認為，對恆星的理解要比對太陽系的瞭解要清楚得多。因為太陽系及其行星的演化之謎太多、太不確定。而恆星自星雲凝結成星體之後，由小到大不同質量的恆星，不僅可以定量地計算出它的演化方式，而且能用計算機模擬它們的演化過程。但是，太陽系中心的太陽就是一顆普通的恆星，以上所存在的問題出於星雲未形成太陽和行星系統之前的這個階段。曾經有許多人提出數學演化模型並用計算機模擬旋轉星雲形成太陽系的過程（1978年的博登海默和恰努特）。但是，他們得到的僅僅是個星雲的環狀體。而得不到太陽系的初始系統。

實際上，計算機模擬太陽系演化的數學模型與演化過程不相符合的原因。是因為當太陽系星雲由角動量收縮到一定密度時，太陽系星雲的演化就進入到星子演化階段，也就是這個演化階段未被得到重視。星子演化階段是太陽系演化過程中非常重要的演化階段，如果太陽系演化數學模型不把星子演化階段考慮進去，就不可能得到有恆星和行星體環繞的星系結果。

科學界對待像太陽系演化這樣的科學大問題。都是先提出演化假說，然後依據假說用已知的物理、化學定律將其量化。在符合各種邊界條件（觀察和觀測到的事實）情況下，將整個過程演示（計算或用計算機重現）出來而得到答案。我們生活在太陽系，所看到的許多事物都是太陽系演化的結果（邊界條