第三章
【太陽係起源之謎】
太陽係是由太陽、大行星、衛星、小行星、彗星、流星體，以及星際物質所構成的天體係統。太陽係的範圍極其廣闊，若以冥王星的軌道作為它的空間邊界，那麼它的空間直徑長達120億千米，人類賴以生存的地球就運行於其中。
人類對太陽係的研究，可追溯到17世紀中葉，至今已有三百多年的曆史。關於太陽係的研究主要包括兩方麵內容：一、太陽係的物質從哪裏來；二、這些物質又是如何形成行星的。迄今為止，各個時代的研究者提出的太陽係起源與演化學說已有數十種之多。按行星的物質來源，可將其大致分成四類：星雲說、俘獲說、災變說和雙星說。
早在1644年和1745年，笛卡兒和布豐都曾提出過太陽係起源學說。他們的學說科學價值雖然不大，但卻由此揭開了研究太陽係起源的序幕。
法國數學家笛卡兒在《哲學原理》一書裏，最早提出了原始太陽星雲的概念。他猜測，太陽係是太空混沌之時，物質微粒在宇宙旋渦中逐漸形成的。原初物質在各種旋渦中因摩擦而變得勻滑，落入旋渦中心的原初物質形成了太陽；而被旋渦俘獲的其他原初物質則形成了地球和其他行星，衛星在次級旋渦中形成；較細微的殘餘物質向四周散去，形成透明的天空。笛卡兒的“以太旋渦說”是近代第一個關於太陽係起源的星雲假說，由於這一學說發表在萬有引力定律問世之前，一些觀點與不久後誕生的牛頓引力理論相矛盾，因而遭到了牛頓的批駁，所以未能產生廣泛的影響。
1755年，德國哲學家康德出版了《自然通史和天體論》一書，詳細論證了一個宇宙星雲是如何在萬有引力作用下凝聚成太陽係的。它的副標題是：根據牛頓定理試論整個宇宙的結構及其力學起源。不同於笛卡兒的哲學思辨，這是第一個科學的太陽係起源星雲假說。康德的基本思路是：塵埃微粒雲——團塊-太陽、行星和衛星。
康德認為，太陽係是從同一團原始星雲演化而來的，這團彌漫物質的主要成分是塵埃微粒。起初，原始星雲很稀薄，在萬有引力的作用下，大而密集的微粒開始吸引小而稀的微粒，逐漸聚集成大的物質團塊。星雲中心部分引力最大，聚集的物質最多，先形成太陽；外圍的微粒在下落時相互碰撞，改變方向，變成繞中心的圓周運動，形成了繞同一方向運動的雲盤，之後再聚集成行星；衛星也是以類似的方式和機製形成的。
康德的星雲說起初並未引起公眾的注意，直到1796年法國數學家拉普拉斯在《宇宙體係論》中提出另一個星雲說，40年前的康德星雲說才被人們想起。雖然拉普拉斯和康德的星雲說有許多不同之處，但他們均認為太陽係中的各種天體是由同一原始星雲演化形成的，因此，學術界把他們的理論並稱為“康德一拉普拉斯星雲說”。
拉普拉斯星雲說由於從數學和力學兩方麵進行了論證，使其學術內容較康德星雲說更為完善，所以這一學說在當時被公認為是關於太陽係起源的一個比較成功的理論。
1859年，英國物理學家麥克斯韋在研究星雲說時，遇到了明顯而無法解決的矛盾，他指出拉普拉斯星雲說中的高溫氣體環，不可能凝聚成行星。計算表明，如果太陽係的這幾個行星，是由原來均勻散布在整個太陽係空間內的物質所形成，那麼，這些物質的密度顯然是太低了，根本無從憑借彼此間的萬有引力聚集成各個行星。因此，太陽收縮時甩出去的物質，將永遠保持著環形狀態，就像土星環的情況一樣。
1862年，法國科學家巴比涅對星雲說的角動量分布提出了質疑，為什麼質量占太陽係總質量99.86%的太陽，其角動量隻占太陽係總角動量的0.6%;而大行星的質量總和僅是太陽質量的1/700，其角動量之和卻超過太陽的100倍？
正是在康德一拉普拉斯星雲說遇到困難的情況下，20世紀初葉，災變說又一度盛行起來。
1900年，美國地質學家張伯倫和天文學家摩爾頓合作提出了“星子說”。他們認為，曾有一顆恒星運行到離太陽隻有幾百萬千米的地方，引力作用在太陽表麵形成兩股螺旋狀氣流，兩股氣流合在一起脫離太陽形成一個繞太陽旋轉的氣盤。氣體經由液態而凝成許多固體質點，再聚集成固體塊即“星子”，之後通過不斷吸積，經由行星胎和衛星胎而演化成行星和衛星。
隨後，1916年英國天文學家金斯提出了類似星子說的“潮汐說”。金斯通過計算表明，在銀河係裏，一個恒星碰到另一個恒星的機會平均60億年才有一次，在每10萬個恒星中隻有一個行星係統。太陽係就是約20億年前，一顆近遇太陽的大恒星在太陽表麵掀起巨潮，並拉出一條物質，凝聚而成了行星。
這時的災變說與星雲說除了相互對立的一麵外，已有相互滲透的一麵。由於災變說與星雲說都有難以自圓其說的困難，於是“俘獲說”便應運而生。1930年，天文學家觀測到遠方星光顏色變紅現象，色指數變大，首次證實了星際塵埃的存在。
20世紀40年代，瑞典的阿爾文、蘇聯的施米特等人據此相繼提出：行星物質由星雲形成，它們來自太陽穿越銀河係空間時掠得的氣體、塵埃等星際物質。“俘獲說”主張行星與太陽有不同的物質來源，因而遭到了星雲自成說的抨擊，理由是這種俘獲的可能性微乎其微，同災變說一樣，偶然性太大，且這一假說無法解釋太陽角動量較小這一事實。
從那時開始，隨著天文觀測手段和研究方法的進步，曆史的鍾擺又從災變說一端擺回星雲說。美國、英國、蘇聯、德國、日本和中國的天文學家各自提出了太陽係起源、演化的新的星雲學說，形成了現代星雲說理論體係，並成為當代太陽係演化學說的主流。
現代星雲說認為，太陽係是在46億～45億年前由同一原始星雲形成的。這一原始星雲在繞銀河中心旋轉通過旋臂時，星雲被壓縮，密度增大，且中心密度增加最快，聚集了星雲總質量的大部分。原始星雲因自轉而變成盤狀，同時因自吸引而收縮，星雲盤中心形成了原始太陽。星雲盤中除了氣體外，還有約1%的塵埃，塵埃沉降到赤道麵，形成了薄塵層。塵層瓦解為許多團，各團自吸引收縮成固體塊——星子，星子聚集成行星。在靠近太陽處，星雲的溫度高，比較輕的物質(氫、氦等)逐漸揮發，剩下比較重的物質(矽、鐵和鎂等），故在這裏形成密度大的行星，即水星、金星、地球和火星。距太陽越遠溫度越低，比較輕的物質可以凝結，所以形成的行星密度越來越小。由於行星是在轉動的薄層內形成，因而行星軌道具有“共麵性”和“同向性”，而且星子集聚使軌道平均化為近似圓形。公轉的星子集聚導致行星的自轉。規則的衛星在行星的星子盤內形成，不規則衛星可能是後來俘獲的殘餘星子。
關於角動量問題的理論解釋是，在由星雲向太陽係的演化過程中，由於原始太陽收縮，自轉加快，磁場增強，並且發生激烈的對流，於是一部分物質被拋射出來。這種物質是帶電的，可稱其為早期的太陽風，沿著太陽磁力線運動，而磁力線隨著太陽快速旋轉，迫使拋出的物質也快速旋轉。隨著距離的增大，拋出物質的角動量也隨之增大，太陽角動量因此而減小，即在磁場的作用下，太陽角動量向外發生轉移，而且隻要拋出少量的物質，就能帶出很大的角動量，使環繞運動的星雲角動量不斷增大。