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太陽系及地球起源的假說

自1543年哥白尼提出“日心地動說”後,天體演化沖破了宗教迷信的桎梏,哲學家及自然科學家們開始了太陽系及地球起源的科學探討,並相繼提出了各種假說,力圖解釋太陽系的基本特征。下面介紹幾種太陽系起源的主要假說。

德國哲學家康德(1724~1804年)在他年輕當教師時寫出了《自然通史與天體論》壹書,該書於1755年出版。太陽系起源的第壹個假說(即康德星雲說)就是在這部著作中提出來的(圖11-6)。他認為物質具有自身的運動規律,宇宙中彌漫著氣體與塵埃組成的星雲,在萬有引力作用下密度較大的微粒吸引了周圍密度較小的物質逐漸集成大的團塊,從而引力增大,促使聚集加快,形成巨大的球體,即原始太陽。原始太陽周圍的微粒繼續向引力中心豎直落下時,由於斥力而發生偏轉,其中有壹個主導方向,遂形成扁圓的旋轉雲狀物。扁圓的旋轉雲狀物又逐漸聚集成小團塊,在引力和斥力的***同影響下繞太陽旋轉,形成行星。行星周圍的顆粒以同樣過程形成衛星。太陽是在太陽系聚集時開始發熱發光。行星中密度較大者受到較大引力而離太陽近,密度較小的離太陽遠。康德假說的主要問題在角動量的分配上,而且原先不動的原始太陽在引力和斥力下會旋轉起來也是不可能的。

圖11-6 康德的“星雲說”

(據李叔達,1983)

法國天文學家兼數學家拉普拉斯(1749~1827年)在1796年出版的《宇宙體系解說》中也提出了太陽系成因的“星雲假說”。他認為原始太陽是熾熱的球形星雲,直徑有太陽系直徑那麽大,緩慢自轉。由於散熱收縮而自轉加速,致使赤道離心力增大,星雲變扁,當離心力超過向心力時分離出壹個環,以後又相繼分離出五個環(當時只知道六顆行星),各環繞日運轉時逐漸吸聚成行星。熱的行星以同樣方式形成衛星(圖11-7)。現知木星、土星和天王星都有這樣的環就是證據,人們把這種環稱拉普拉斯環。這個假說也沒有解決角動量分配問題。如果行星是太陽分出來的,兩者的角動量與質量關系應該壹致,現在卻大不相同。太陽目前的轉速太低,不能拋出環來。

圖11-7 拉普拉斯的“星雲假說”

(據李叔達,1983)

康德和拉普拉斯假說,都認為太陽系是由星雲本身的物質經自身的演變而逐漸形成的,結論大致相同。但具體細節有壹定差別,拉普拉斯認為星雲物質是熾熱的,而康德沒有提到溫度問題。關於星雲轉化為行星的動力,康德認為是大微粒對小微粒的吸引力,拉普拉斯則認為是氣體的冷卻;作為吸引力的對立面的另壹種力,康德認為是斥力,拉普拉斯則強調了離心力。關於行星形成過程,康德假說是基本微粒雲—團塊—行星,而拉普拉斯假說是氣體雲—分離環—團塊—行星。

由於康德與拉普拉斯的星雲假說都沒能解釋太陽與行星之間的角動量分配問題,到了19世紀末,“星雲”假說基本上被否定。人們開始尋找太陽系以外的原因,於是出現了壹些新的假說。具代表性的有“潮汐假說”和“俘獲假說”。

“潮汐假說”由英國天文學家兼物理學家吉恩茲(1877~1946年)於1916年提出。他主張熾熱的原始太陽在與另壹巨大星體接近時受吸力或碰撞,使原始太陽拋出壹股氣流或團塊,凝聚成行星繞日旋轉。該假說的根本問題是,恒星間距離遙遠且有各自的軌道和規律,不可能靠近到發生引潮或碰撞。即使發生引潮現象,也不可能吸出到整個太陽系那麽龐大的空間和遙遠的距離。

“俘獲假說”由前蘇聯學者施密特(1891~1956年)1946年提出。他認為,旋轉著的太陽在穿過壹片暗星雲時,便俘獲了壹部分氣塵物質繞其旋轉,並且相互聚集和碰撞,使各個方向的軌道逐漸平均化而趨於同壹軌道平面,並按密度大小聚成行星和衛星。行星占有大的角動量是原來暗星雲給的,而不是太陽給的。他這樣來解決角動量的分配,但仍然存在著問題。實際上,當太陽比暗星雲的角動量小得多的時候,不可能發生俘獲。

隨著20世紀中葉以來天文地質學的發展,人們認識到,太陽系的天體在物質成分、結構構造及形成演化方面都具有相似性,應該具有***同的起源。於是開始重新認識“星雲說”的合理成分,並對其進行修正。其中問題的焦點集中在質量與角動量分配的矛盾上。現代比較流行的解釋是“磁耦合假說”。

20世紀60年代英國天文學家 E.霍伊爾(Hoyle)和法國天文學家 E.沙茲曼(Schatzman)從電磁作用的機制來研究太陽系的起源問題。他們的假說的要點是角動量是可以由帶電粒子在磁場中運動的方式來轉移的(圖11-8)。

圖11-8 電磁作用解釋太陽系角動量分配圖

(被拋出的帶電物質沿磁力線運動,從太陽帶走了角動量)

霍伊爾和沙茲曼的假說在太陽系形成的開始階段和康德、拉普拉斯的星雲說有些相似。他認為太陽系開始時是壹團凝縮的星雲,但溫度並不高,轉動並不快;轉動速度因急劇收縮而加快,當這團星雲的半徑收縮到壹定的程度,它的轉動就達到不穩定的狀態,兩極漸扁,赤道突出,物質終於由此處拋出,形成壹個圓盤。圓盤的質量只有太陽的百分之壹。當中心體與圓盤脫離後,繼續收縮,不再分裂,最後形成太陽。圓盤內物質則相互凝聚成了行星。星際空間存在著很強的磁場,太陽的熱核反應發出電磁輻射,使周圍的氣體雲盤成為等離子體在磁場內轉動。當太陽與圓盤脫離時,太陽與圓盤內緣就發生了電磁流體力學作用而產生壹種磁致力矩,從而使太陽的角動量轉移到圓盤上。由於角動量的增加,圓盤向外擴展,太陽不斷收縮,因失去了角動量而使其自轉速度減慢。因為太陽輻射作用產生的太陽風推開了輕的物質,聚集成類木行星,較重的物質未能推走便在太陽附近聚集成為類地行星。這是壹個比較令人滿意的假說,然而也存在著很多問題有待進壹步解決。現在壹般認為太陽形成於距今50億~60億年前,而行星的形成則要相應地晚壹些。