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万物起源：从宇宙大爆炸到文明的兴起 第三章 太阳系与行星
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太阳系和行星地球形成于大约50亿年前，那时距离宇宙的诞生已经有90亿年了。人类探索太阳系和地球年龄的故事，就像我们挖掘宇宙年龄的故事一样，色彩斑斓，议论纷错。科学界给出的地球年龄，完全不符合宗教信条。然而，这个故事中最为著名、争议最大的论战，却并非发生在科学与宗教之间，而是科学与科学之间。
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英国物理学家威廉·汤姆森（即开尔文男爵，我们上次见到他是在第一章）在19世纪时做了个估算：如果地球最初是一种炽热的熔融状态，随后作为一个均一固态球体突然暴露在（宇宙空间或者大气或者海洋或者随便什么的）冰冷环境下开始冷却，那么要到达今天这个散发热量程度的状态需要经过大概2000万年。开尔文的地球很“年轻”，是因为绝大部分由岩石组成的固态球体可没那么容易冷却，所以要解释地球现在这么高的热量损失速率，它必定是（就地质学角度而言）相当晚近才开始冷却。开尔文还如法炮制估算了太阳的年龄，来确证自己的计算。他已经知道，太阳只有在自身引力作用下坍缩时才会温度升高（事实上在氢聚变还没起作用之前确实是这样），考虑到太阳当下的尺寸和亮度，它的年龄同样也是大概2000万岁。这当然比乌雪大主教引经据典得出的6000岁的地球要老得多，但地质学家和演化生物学家认为这个年纪还是太小。
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根据地质学家（也包括查尔斯·达尔文）估计，至少得上亿年的时间，才可能形成山脉和峡谷中明显的沉积层，尤其考虑到河流及洪水的沉积速率如此缓慢。生物学家的估算也差不多，因为这样才能解释生物的多样性以及为什么慢吞吞的生物变异却已积累起了非常丰富的化石记录。但开尔文男爵（在当时可是一位名满天下的学者）把这仅仅视作定性上的争论，不可能挑战他经过双重物理计算的缜密答案。数十年时间，物理学家和地质学家之间唇枪舌剑甚至出言不逊，最终结果却是，他们全都错了。
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放射性元素的核衰变发现，最终为地球年龄之争划上了句点。亨利·贝可勒尔（Henri Becquerel）以及居里夫妇在19世纪末发现了放射性现象，并因此分享了诺贝尔奖。他们的成果表明，某些特定元素的原子较大，并不稳定，会通过从原子核中放射出粒子的方式自发转变为别的元素，比如铀就是这样。很多放射性元素天然存在于岩石中，因此人们推测，地球内部应该充满了放射性。放射性元素衰变期间剧烈的粒子放射会释放热量，可能就是这股热量让地球即使已经过了数十亿年的冷却，仍然保有今天的温度。不过，由欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）发端的这一理论，今天看来并不那么站得住脚，因为和一开始想的不同，地球上的放射性元素可能没有那么高的浓度，而且放射性对开尔文的静态地球模型的影响也微乎其微。约翰·佩里（John Perry）和奥斯蒙德·费希尔（Osmond Fischer）在论战中提出了另一个理论，认为地球内部的液体对流，就是指热的物质上升而冷的下沉（第四章会详述），可以驳倒开尔文的模型。具体来说就是，通过不断把地球内部的高温物质运送到表面，对流可以维持地球热量的快速损失达数十亿年之久；而开尔文的静态地球模型要解释这一热量损失速率，就只能允许由“最近”开始的热传导来冷却地表附近的物质。此外，20世纪20年代和30年代发现的热核聚变终于让人们认识到，发动太阳的不是引力坍缩，而是氢聚变（还记得第二章内容吗），它也已经让太阳燃烧了数十亿年。
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直到20世纪早期至中期，人们对岩石和陨石进行放射性测年，据此精确测算出地球和太阳系年龄，才使这一争议真正平息。放射性元素衰变时，会将原子从初始的父放射核素（比如铀）最终转变为稳定的子体核素（比如铅）。所以一个样品中父放射核素与子体核素的数量之比可以用来确定矿物年龄——相对于父放射核素，子体核素的数量越多，样品就越老。知道了相对数量，再知道衰变速率（也就是放射性半衰期）就能计算出相当精确的元素年龄。这个办法一锤定音，解决了地球与太阳系年龄的问题，答案是46亿年左右。不过，地球上不存在那么老的岩石，最古老的岩石存在于陨石中，绝大部分都是岩石的碎片，从小行星带落到了地球。
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近50亿年前，在一团巨大尘云的坍缩中，我们的太阳系诞生了。这场坍缩可能是由一次超新星爆发的冲击波而触发的，陨石中可以找到证据：一些陨石里的细小钻石内含有铁的更重同位素，而这些同位素只有在超新星爆发中才能形成。要能形成一颗像太阳这样的恒星，这类星云在开始坍缩时的尺寸通常是直径1到3光年左右，已经是太阳系直径的许多倍。要形成质量大得多的恒星，那星云直径恐怕得有数十光年。然而对于我们直径10万光年的银河系来说，这个尺寸也就是沧海一粟而已。在这样的星云里，也只有叫作星云核的一小部分，最终变成了像我们这样的太阳系。在成功坍缩为太阳系的过程中，星云核的绝大部分质量跌落到中心变成太阳（正如上一章所述），余下的质量只是九牛一毛，接近太阳质量的0.1%左右，变成了太阳系的行星。
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所有的大行星都在一个圆盘上绕太阳转动，这个圆盘叫作黄道面。圆盘状太阳系的形成，是由星云的旋转导致的。一开始，星云的旋转十分缓慢，之后随着坍缩的进程，旋转会变得越来越快，就像滑冰的人在旋转中把外展的手臂收回时，旋转也会加快一样。星云越转越快，离心力效应（把物体从旋转轴向外甩出去的效应）就会排斥垂直于旋转轴线方向的坍缩。但平行于旋转轴线的坍缩就不是这样，星云可以相当自由地在这个方向上跌落。结果就是，星云一侧向内坍缩，从而使得星云扁得像一张煎饼一样。绝大多数星云气体形成了中心的太阳，而剩下的围绕太阳转动的极小部分气体形成了太阳系的行星。
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这个“扁平圆盘”的故事诚然很动听，但却也导致了关于太阳系形成的几个主要悖论之一：要是星云真的始终像滑冰的人那样举手投足，那么作为一个整体的太阳系转速会快得多，由之而来的离心力也不可能允许它坍缩成现在这样的“小尺寸”。就算最初时候的星云核几乎没有旋转，它也是要从那么远的一个距离开始坍缩，就像一个滑冰的人要从好几千米远的地方外收回满负重物的手臂，而不是从一胳膊远的地方收回空空的手臂，二者相差的旋转增速不可同日而语。
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在一些遥远的、与形成太阳系的尘云相类似的星云中，观测到的旋转确实很缓慢。旋转运动的能量（具体说就是动能）通常只占星云全部能量的几个百分点，而星云的全部能量几乎都是重力势能（就是当星云坍缩时会释放出来的能量，可以加热气体、触发氢聚变和制造恒星）。但是就算旋转能量占比如此之小，巨大的星云坍缩到太阳系这种小尺寸的时候，太阳的转速还是应该比如今快得多，圆盘环绕太阳的转速也会比今天我们行星的公转快得多。但是这种速度的旋转产生的离心力效应也绝不可能让我们太阳系坍缩到现在的尺寸，而是会让木星（与太阳的距离是日地距离的5倍）搬到海王星轨道（与太阳的距离是日地距离的30倍）之外的某处。反正太阳系在坍缩过程中摆脱了旋转能量（或者不那么等价地称之为“角动量”）。在太阳系物理学领域，这叫作角动量悖论，尚待解答。可能的答案遍及各个学科领域，比如磁场，又或是湍流，窃取了太阳的角动量并喷射出太阳系。但在太阳系物理学圈子里，还没有任何得到普遍认可的解释出现。无论如何，太阳系解决了它自身的角动量问题（尽管我们还没能参透个中机密），而最初的前太阳星云就这样坍缩为可爱的太阳系尺寸圆盘，也终于让木星占据了现在的轨道。这个初始的坍缩十分迅速（当然，是就地质学上的时间尺度而言），可能只花了10万年左右。
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既然都给出了“角动量悖论”这样的名称（虽然已经尽量避免，但现在不得不说了），我想我还是解释一下什么是“角动量”为好。不论是好是坏，这个概念稍后总能派上用场。动量指的是从质量和速度两方面来计量物体运动的量，同时也是使别的物体运动起来的能力。物体的线性动量的值等于质量与速度的乘积。一辆时速100千米的汽车，就比同样速度的摩托车动量要大，在相撞时汽车会有更大的冲击来让别的物体也动起来。旋转物体的角动量（无论是在空间中的自转还是绕一个点的公转）与此相似，只不过数值上是物体的质量乘以旋转速率（每分钟多少转），接着再乘以系统有效半径的平方。说到“有效半径”，我指的是从旋转轴到物体绝大部分质量所在位置的距离。所以一个质量基本都在轮圈上的自行车轮，就比同样质量和旋转速度的纺锤或车轴有更大的角动量。至于角动量使别的物体动起来的能力，想象一下你用手试着让它们停止旋转，就显而易见了。
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由于太阳系的行星质量基本都集中在木星上（有效半径），而木星距离太阳又相当遥远，太阳系的角动量就基本都在木星轨道上。但要是最初星云的角动量没有在某个时候喷射出去的话，太阳的转速会比现在快得多，木星的角动量会是现在的几千倍，那样木星在太阳系中的位置就比现在要外围得多了。
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原始的前太阳圆盘充满了带尘的气体，绝大部分是氢气，有一些氦气，还有各式各样的尘埃和冰，来自数十亿年间在巨星内产生的物质。圆盘的各部分都绕着正在变成太阳的星云质量中心旋转，旋转产生的离心力效应确保了气态圆盘不会向内坍缩。不过，圆盘绕质量中心旋转的方式，与今天的行星并不完全一样。
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今天的行星在环绕太阳公转时，源于太阳引力的向心力和公转的离心力达到了精确的平衡，形成了开普勒轨道（荣耀再次归于约翰内斯·开普勒，他在17世纪基于实际观测推导出了行星运动定律）。但在前太阳星云的中心附近，当时的圆盘要厚一些，那里的气体被成形中的原始太阳加热，因此相对于较冷也较稀薄的外围气体有更大的气压。这一气压差从高压向低压对气体产生了向外的推力，从而稍微抵消了引力。这样一来，气体受到的指向原始太阳的牵引力就要小于在真空中公转的行星，气体的旋转速度也略小于行星，也就是小于开普勒轨道速度。以上听起来确实有点高深，但事实上这是一个背景设定，关乎太阳系形成的另一个奥秘。
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前太阳圆盘的绝大部分质量都向内跌落形成太阳，与此同时，这个满是尘埃的气态圆盘里的一些小颗粒也形成了太阳系的行星。太阳吞吸圆盘的绝大部分质量直到点燃自己、开始聚变，这一过程只需几百万到几千万年的时间。而一旦开始聚变，原始太阳会破坏任何新行星的形成（很快我们就会详细阐述）。如此一来，行星（尤其是那些巨行星）就不得不赶在这之前加紧成形，一边要与太阳的点火时刻赛跑，一边自己也面临重重关卡。
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在带尘的气态圆盘形成时，内含的固态尘粒和冰粒太轻，无法通过引力聚合，但可以通过静电力而互相粘附（就像静电等效应，或者像范德瓦耳斯力，读者诸君可自行查阅）。湍流漩涡可能也提供了助攻，让这些微粒彼此靠近旋绕足够时间以便粘附，这一过程跟家里的灰尘日积月累攒成毛团（好吧，至少我家里是这样）并没有多么不同。
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但就算是建造一颗小行星，最初的尘粒（无论是矿物质还是冰质）都得增长到足够大，才能开始靠引力吸附更多质量，然后变得更大。这事儿说来容易做来难。要是积聚中的颗粒还很小（1微米左右，也就是细菌的大小），就很容易在气态圆盘中随风四处游走，同时靠静电力互相吸附。而一旦增长到足够大，也就是1厘米或更大一些，颗粒就会更多受原始太阳的引力作用，而气压差产生的外推力就不那么重要了。这时，微粒会以更像行星的方式开始绕原始太阳旋转，轨道也更接近开普勒轨道。这样旋转着的团块，速度会比圆盘中的气流要快，因此会遭遇逆风，受气流拖拽而减速，因而向内盘旋着落向星云中心。
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要是这些团块有办法增长到星子尺寸，就像小个头的小行星那么大，也就是直径10米到1000米的样子，那它在气流中就能乘风破浪，几乎不受逆风的影响，也不盘旋内落，或者盘旋得很慢，因而就会比气体活得久（再过几段气体就要谢幕离场了）。此外，直径1000米或更大的天体可以产生足够的引力来吸附更多的质量，增长得更快。
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然而，要是团块处于中间尺寸，也就是直径几厘米到1米左右，受到的逆风就会很大，它会很快盘旋内落，不消几百年就会被原始太阳吞没，对天体来说这也就是一眨眼的功夫。雪上加霜的是，这种中间尺度的天体既不够黏也不够重，无法互相吸附增长，反而往往彼此弹开。
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所有的行星都始于这般微小的尘粒，它必须想到办法以够快的速度积聚增长，才能在被太阳像马桶冲水那样吞吸掉之前，闯过直径几厘米到1米的这个关口（哪怕在这个尺寸还没聚合得很紧凑）。一句话：它必须想办法在几百年内快速通关，否则就是灭顶之灾。这个难题被称为“1米栏”，到现在也还没完全破解。不过最近有研究显示，一个个增长的团块在迎风推进中会聚集起来，尽管聚集得松散，但也有效地形成更大的集群，在逆风中互相掩护，就像环法赛中的自行车手一样。
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最早的“毛团”开始积聚的时候，坍缩在圆盘中心的那一团物质也开始变热，走上变身恒星之路。早在聚变开始之前，这团的温度就已经高到能加热圆盘的内部。在圆盘炽热的内部，紧紧积聚在一起的尘粒基本都是矿物质成分，不容易汽化，于是最后变成了岩石。而外太阳系则更冷，可以让水、甲烷、氨等成分凝结成液体甚至是冰。这两个区域的分界线叫作雪线，恰好离今天木星的公转轨道不远（在今天火星和木星轨道之间的某个地带）。
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由于受到前面说过的那种气流对小粒子的拖拽，很小的冰质碎片和团块会向星云中心盘旋跌落，到达雪线时就会汽化，形成的气体在那里创造了一个相对高压的区域。圆盘中刚好位于这高压区域外侧的气体就会受到向外的推力，从而进一步抵消引力，绕原始太阳的旋转会变慢，于是对运动较快的固体粒子就产生了更大的逆风和拖拽，也就让这些粒子向雪线盘旋跌落得更快；而恰好位于雪线也就是高压区域内侧的气体，就额外受到一个指向原始太阳的内推力，叠加在引力上，导致这些气体旋转得比固体粒子更快。于是在顺风中这些粒子会被抬升回更高的轨道，盘旋而出——本质上，高压雪线两侧的粒子都会受到朝向雪线的拖拽，对冰质粒子来说就像是陷阱一样。（不得不说这个效果跟直觉有点相反：流体通常是会被拖向低压，就像下水道那样；但在旋转的圆盘中，气体和粒子之间的相互作用可比浴缸里的水流要复杂得多。）
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上述效果造成气体与冰质粒子在雪线上的堆积，可能就此创造了一个巨行星的摇篮地带，木星就由此而来。考虑到行星质量、转动能量或角动量，木星在我们太阳系里绝时是举足轻重的大哥大，除了有我们住在地球这一项，其他所有重要的东西，也就是太阳系的质量、能量和角动量，都被太阳和木星差不多占完了。不过这也正好说明，尺寸并不意味着一切（至少我们地球人得这么讲）。
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木星的成形过程一开始启动，就让邻近的巨行星比如土星的成长也加快了。尤其是，木星的引力拖拽让位于它轨道之外慢得多的旋转物体加速盘旋向外；与此同时，从更高轨道盘旋内落的尘埃和冰将汇入这一股往外的涌流，质量由是富集，成为了其他巨行星比如土星的补给线。
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最早的原行星（first proto-planets）来自尘粒，成长势必很快。行星成形必须克服重重困难，比如摆脱角动量、跳过1米栏，同时还要与太阳赛跑。尘埃正在积聚成团块；成长中的原恒星也正在吃掉圆盘质量，以备开启氢聚变，开始发光。就在点火之前，原恒星加热了内太阳系，喷射出气体，形成强烈的太阳风，圆盘状星云里尚未被足够大的天体捕获的全部剩余尘埃和气体，都会被这股风给吹走。从原太阳星云开始坍缩成圆盘算起不过几千万年甚至更短，强烈的太阳风就出现了，气体就此消失殆尽，在地质学和宇宙学的表上看，这只是很短的时间。最早的原行星尤其是有厚厚的大气层的巨行星，所以必须快马加鞭赶紧成形，否则它们的食材要就会被吞噬或刮得一干二净。在这么短的时间里要让这些天体从尘粒长成星子再长成行星，可是一项艰巨的任务。太阳系想出办法做到了，科学家却还没完全搞明白，这也是太阳系如何形成的诸多未解之谜中又一个让人挠头的问题。
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