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太陽系的起源
關于太陽系的起源,迄今已有四十多種假說,根據這些假說對太陽系物質來源的解釋,可分為三種類型:星云說、災變說、俘獲說。其中星云說最早被提出,經過完善后成為主流,在星云說遇到難題后,災變說和俘獲說相繼風靡一時,成為新的主流,然而兩者因缺少科學根據而被否定,于是星云說再次成為主流。

(一)笛卡爾的旋渦說

1644年法國哲學家、數學家勒內·笛卡爾(René Descartes,1596-1650)在《哲學原理》中提出“旋渦說”,認為最初的宇宙空間存在物質微粒,這些微粒在相互碰撞的過程中產生旋渦流式運動,形成各種旋渦,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太陽,被旋渦俘獲的原初物質形成行星,衛星在次級旋渦中形成,殘余的細微物質向四周散去,形成透明的天空。

笛卡爾的旋渦說是第一個關于太陽系起源的假說,最早提出原始太陽星云的概念,所以也是第一個太陽系起源的星云說。星云是由星際空間的氣體和塵埃組成的云霧狀天體,星云說就是認為太陽系起源于星云的假說。

笛卡爾的旋渦說出現在牛頓提出萬有引力定律之前,1687年英國數學家、物理學家艾薩克·牛頓爵士(Sir Isaac Newton,1643-1727)在《自然哲學的數學原理》中提出萬有引力定律后,旋渦說因某些觀點與萬有引力定律相矛盾,未能產生廣泛的影響力。

(二)布豐的彗星說

1745年法國動物學家喬治-路易·勒克萊爾·布豐伯爵(Georges-Louis Leclerc, count de Buffon,1707-1788)在《一般和特殊的自然史》中提出“彗星說”,布豐受到1680年一顆大彗星接近太陽事件的啟發,設想曾經有一顆質量巨大的彗星,與太陽發生碰撞,太陽的一部分物質被撞飛,圍繞太陽旋轉,這些熾熱的物質冷卻后形成了行星。

布豐的彗星說,曾經影響很大,但存在科學上的問題:彗星的質量相對于太陽來說太小,彗星撞擊太陽只會被太陽所吞噬;太陽是由氣體組成的,沒有固態表面,氣體即使脫離太陽,也很快會消散,不會聚集成行星。

布豐的彗星說是第一種太陽系起源的災變說,后來20世紀上半葉出現的各種災變說,大多與彗星說類似,把太陽系的形成解釋為太陽發生的一場偶然的大災變事件,不過災變的制造者從彗星變為了恒星。

(三)康德-拉普拉斯星云說

1755年德國哲學家伊曼紐爾·康德(Immanuel Kant,1724-1804)在《自然通史與天體理論》中提出系統的星云說,康德詳細論證了一個宇宙星云如何在萬有引力作用下凝聚成為太陽系:原始星云的主要成分是塵埃微粒,在萬有引力作用下,大而密集的微粒開始吸引小而稀疏的微粒,逐漸聚集成大的物質團塊,引力最強的中心部分吸引物質最多,首先形成太陽,外圍的微粒在太陽吸引下向中心下落時與其他微粒碰撞而改變方向,變為繞太陽的圓周運動,這些繞太陽運動的微粒又形成幾個引力中心,形成行星,次級的衛星也是以同樣方式形成。

康德的星云說提出后,在當時并沒有引起廣泛的關注,直到四十多年后,另一個星云說的提出,才被人們重新想起。

1796年法國天文學家、數學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯侯爵(Pierre-Simon, marquis de Laplace,1749-1827)在《宇宙體系論》中獨立提出另一個星云說,拉普拉斯從數學和力學兩個方面進行了論證,學術內容比康德的星云說更為完善:原始星云是一團巨大的、旋轉的、灼熱的球狀氣體,星云冷卻收縮,因為角動量守恒,轉動速度加快,在引力和離心力共同作用下,星云逐漸變為星云盤,在收縮過程中不斷甩出一些物質,當引力和離心力平衡時,就會有一些物質留下來,形成一個繞中心轉動的分離環,最后在星云盤的中心部分凝聚成為太陽,分離環則聚集為團塊,演化為行星,行星又以同樣的方式分離出環,凝聚為衛星。

康德的星云說和拉普拉斯的星云說,雖然存在很大的差別,但基本論點相同,即太陽系起源于同一個原始星云,所以學術界把兩者合稱為“康德-拉普拉斯星云說”。

康德-拉普拉斯星云說在19世紀被廣泛接受,被認為是一個比較成功的太陽系起源假說,但它存在兩個無法解決的難題:一是太陽的質量和角動量分配的矛盾,太陽占太陽系總質量的99.85%,但其角動量只占0.6%;二是物質甩出的問題,假定角動量全部集中于太陽,赤道方向的離心力只有引力的5%左右,難以甩出物質。對于第一個難題,瑞典天體物理學家漢尼斯·奧洛夫·哥斯達·阿爾文(Hannes Olof G?sta Alfvén,1908-1995)在1942年提出“電磁說”,認為太陽角動量通過電磁力轉移,但這需要太陽有非常強大的磁場,與實際觀測的結果不符;第二個難題的解決方案,則是假設原本就是分級環狀的氣體星云,但這樣就避開了這個問題,并沒有解決問題。

(四)再度盛行的災變說

由于康德-拉普拉斯星云說無法解決太陽系角動量分布異常的問題,20世紀初到20世紀40年代災變說再度盛行,這個時期比較有影響力的災變說有:星子說、潮汐說、雙星說、超新星說。

1900年,美國地質學家托馬斯·克勞德爾·張伯倫(Thomas Chrowder Chamberlin,1843-1928)和美國天文學家福雷斯特·雷·莫爾頓(Forest Ray Moulton,1872-1952)合作提出“星子說”,認為曾經有一顆巨大恒星運行到離太陽很近的地方,由于潮汐力,太陽的兩面被掀起兩股巨大的潮,從太陽中分離的物質聚集為一個圍繞太陽的氣盤,氣盤中的氣體先是凝聚為液體,然后聚集為固體質點,固體質點再聚集為團塊,也就是“星子”,星子最終聚集為行星。

1916年英國天文學家詹姆斯·霍普伍德·金斯爵士(Sir James Hopwood Jeans,1877-1946)提出“潮汐說”,與星子說類似,潮汐說也認為有一顆恒星引發太陽表面的大潮,太陽內部的一大片物質脫離了太陽,形成圍繞太陽的雪茄形長條,長條又分裂為幾個氣塊,氣塊內的氣體凝聚,形成行星。

1935年美國天文學家亨利·諾利斯·羅素(Henry Norris Russell,1877-1957)提出“雙星說”,1936年英國天文學家雷蒙德·亞瑟·里特頓(Raymond Arthur Lyttleton,1911-1995)也提出“雙星說”,認為太陽曾經與另一顆恒星同為一個雙星系統的子星,后來第三顆恒星靠近這個雙星系統,它的引力把其中一顆子星拉走,被拉走時留下的物質形成了行星。

1944年英國天文學家弗雷德·霍伊爾爵士(Sir Fred Hoyle,1915-2001)等人提出“超新星說”,與雙星說類似,超新星說也認為太陽系起源于雙星系統,后來太陽的伴星爆發成為超新星,爆發后留下的物質形成了行星。

這些災變說都以偶然發生的恒星相遇或爆發事件來解釋太陽系的形成,但計算表明,這些偶然事件發生的可能性微乎其微,所以在科學上沒有根據,在哲學上也違反辯證法的基本理論和原則,各種災變說也沒有解決太陽系角動量分布異常的問題,后來災變說逐漸被學術界否定。

(五)施密特的隕星說

當星云說和災變說都不能解決問題的時候,太陽系起源的俘獲說開始登場。

1944年蘇聯地球物理學家奧托·尤利耶維奇·施密特(Otto Yulyevich Shmidt,1891-1956)提出“隕星說”,認為太陽在繞銀河系中心旋轉時,進入了一個星云,太陽的引力俘獲了星云中的一部分氣體和塵埃也就是隕星,被俘獲的氣體和塵埃圍繞太陽旋轉,氣體漂浮遠離太陽,塵埃受太陽引力吸引,在離太陽近處形成固態行星,在遠離太陽處形成氣態行星。

在施密特之后,其他一些科學家也提出了各種形式的俘獲說,俘獲說的基本論點為:太陽從外界的星際空間俘獲了一部分物質,被俘獲的物質圍繞太陽旋轉形成太陽系,但計算表明,這種俘獲發生的可能性微乎其微,俘獲說和災變說都把太陽系的形成歸結于偶然發生的事件,后來兩者都被學術界否定。

(六)現代星云說

20世紀40年代以來,隨著天文觀測手段和研究方法的進步,科學家以康德-拉普拉斯星云說為基礎,提出了各種形式的新星云說,形成了現代星云說理論體系,成為當代太陽系起源學說的主流。

現代星云說吸收了康德-拉普拉斯星云說的精髓和合理部分,如太陽系是由同一團星云在自然規律作用下形成;充分運用了現代科學理論和空間探測新資料,包括恒星早期演化理論和災變說中的一些合理部分;進入定量計算和模擬實驗階段?,F代星云說的代表性學說有霍伊爾的新星云說和戴文賽的新星云說。

1960到1972年英國天文學家弗雷德·霍伊爾爵士(Sir Fred Hoyle,1915-2001)等人提出:低溫緩慢旋轉的原始星云在引力收縮中轉速加快,分別脫離出行星圓盤和衛星圓盤,最終形成太陽系;太陽熱核反應和升溫過程中,電磁輻射產生磁力體,實現了角動量從太陽向行星的轉移,克服了傳統星云說的致命弱點,即太陽系角動量分布異常的問題。

1978年中國天文學家戴文賽(1911-1979)等人從天體觀測新資料出發,提出新星云說:整個太陽系是由同一原始星云形成,星云的主要成分是氣體和少量固體塵埃;原始星云一開始就有自轉,由于自引力而收縮,形成星云盤,中間部分演化為太陽,邊緣部分形成星云并進一步吸積演化為行星。

但是這些學說都有一個前期假設,那就是原始星云最初都有緩慢旋轉,為什么會有這種緩慢旋轉?仍是一個懸而未決的問題。

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