第十一章
初創之日
1.星星的誕生
對我們這些生活在世界七大洲（也包括南極洲）上的人來說，“堅實的基地”這個詞實際上就是“穩定”和“永久”一類理念的同義詞。據我們所知，我們所熟悉的所有地表特征，包括陸地和海洋、山脈和河流，所有這些可能自古就有（意指自創世之初就已存在）。的確，當你翻看地質學曆史時，你會發現地球的表麵一直處在變化之中，即陸地的大部分被海水所淹沒，而陸地與陸地合並的區域則可能浮出水麵來。
我們還知道，古老的山脈會被雨水逐漸衝蝕成平地，新的山脊更會由於地殼運動而不時隆起而形成，但以上這些變化都隻是地球固體地殼的變化而已。
不難看出，地球一定經曆過一段根本沒有這種固體地殼存在的時期。那時候的地球隻是一個發光的熔岩石球體。事實上，對地球內部的研究表明，就算到了現在，我們的地球大部分仍處於熔融狀態。就連我們隨口提到的“固體基地”，實際上也隻是一層漂浮在熔岩表麵、相對較薄的薄片罷了。要想得出這個結論，最簡單的方法就是去測量地表以下不同深度的溫度。但要記住，地表下溫度的變化規律是：每深入1千米，溫度就上升30攝氏度（或每千英尺16華氏度），因此，如果選測的是世界上最深的礦井（南非的羅伯金礦井，位
於南非的深海地區），那麼測量者會發現，井壁已經熱到必須安裝相應的空調裝置才能來防止礦工被活活烤死。
若按這樣的增長率，則在地表下50公裏處，即離地心距離不到1%處時，溫度最終會達到岩石的熔點（1200℃至1800℃）。而如果再往下深入，則地球質量超過97%的部分都將呈現完全熔融的狀態。
很顯然，這種情況無法永續存在。而我們現在看見的地球麵貌，則是地球在某個階段逐漸冷卻下來的形態，而這個階段則是從很久以前，當地球還處在完全熔化階段時就開始了，並且會在遙遠的將來完全凝固下來。我們對地殼的冷卻速度以及生長速度的粗略估測表明，地球的冷卻過程一定始於幾十億年前。
通過估算形成地殼岩石的年齡，我們可以得到同樣的數據。盡管乍一看，岩石似乎都是固定不變的，且因此有了“磐石無轉移”這類的表達，但實際上，許多岩石都帶有一個自然鍾，隻要對它們進行研究，有經驗的地質學家就能據此判斷岩石自凝固以來所經過的時長。
這種暴露岩石年齡的地質鍾就是微量的鈾和釷。而在地表及地球內部的深度，常常能尋到這些鈾和釷的影子。正如我們在第七章中所看到的那樣，這些元素的原子進行自發的緩慢放射性衰變。而這衰變又會隨著穩定性元素鉛的形成而結束。
為了確定這類含放射性元素的岩石年庚幾何，我們需要做的就是去測量出由於放射性衰變而累積了幾個世紀的鉛含量即可。
事實上，隻要岩石處於熔融狀態，那麼，放射性衰變的產物就能經由擴散和對流不斷流走。不過，一旦材料凝固成一塊岩石，那麼由放射性元素轉變而成的鉛就會開始累積，由它累積的量，我們就能準確地了解到這個累積過程到底持續了多久。這與散落在太平洋島嶼上椰子林中的空啤酒罐一樣，敵軍間諜隻要數一數這些空罐子，就能判斷出敵方戰隊在島上駐守了多久。
最近，我們又多了另外一種選擇，就是利用愈加精進的技術去精確測量鉛同位素和其他不穩定同位素，如銣87和鉀40一類衰變產物在岩石中的積累量，由此，我們估算出了現今已知的最古老的岩石年齡約為45億歲。因此，我們得出以下結論：一定是大約50億年前的熔融物質形成了如今的地球地殼。
因此，我們可以把50億年前的地球想象成一個全是熔融物質的球體，其中充滿了空氣和水蒸氣，或許可能還有其他極易揮發的物質，而外麵縈繞的則是一層厚厚的大氣層。
那麼，這些宇宙的熱物質是如何形成的呢？是什麼樣的力使得它形成的？又是誰為它的形成提供了物質基礎？所有這些關於地球的起源以及太陽係中其他行星的起源
的問題，一直以來都是科學宇宙學（所謂的宇宙起源理論）的基本探索方向，更是一直占據在天文學家腦海中的一個未解之謎。
1749年，法國著名的自然學家布豐#pageNote#0在自己的著作《自然史》第四十四卷中，首次嚐試用科學的方法來回答這些問題。在布豐看來，太陽和來自星際空間深處的彗星碰撞產生了行星係統。他以豐富的想象力為讀者描繪了一幅極生動的畫麵：“致命彗星”拖著那條長而明亮的尾巴輕拂過我們那略顯孤獨的太陽表麵，而從它那巨大的身體上擦下了一些小小的“水滴”，接著在撞擊力的作用下，這些水滴旋轉著進入太空（圖106a）。
幾十年後，著名的德國哲學家伊曼努爾·康德#pageNote#1就行星係統的起源提出了完全不同的另一個觀點，他認為在沒有其他任何天體參與的情況下，太陽自行創造並形成了現在的行星係統。在康德的想象中，早期的太陽是一個巨大且相對較冷的大氣體團，它完全占據了整個行星係統，並繞著自己的軸心做緩慢的旋轉運動。因其不斷向周圍的空間進行輻射，故而球體會穩步地冷卻下來，並導致逐漸收縮，而相應地，其轉速也在加快。最終，因這種旋轉而加大的離心力必然導致原始太陽的氣體狀態逐漸變平變扁，而沿不斷延伸的赤道麵噴射出一係列的氣體環（圖106b）。普拉多
（Plateau）曾通過一個經典實驗證明了這種由質量旋轉而形成環的情況。在實驗中，他讓一大滴油（並非像太陽情況下的氣體）懸浮在密度相當的另一些液體中，並在一些機械的輔助下進入快速旋轉狀態。當旋轉速度超過了某一極限時，油滴周圍就會形成油環。而此類光環在形成不久很快就會破裂，接著就會凝聚成各種行星，在不同的距離上做繞日運動。
圖106
後來，這些觀點被法國著名數學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯侯爵#pageNote#2采納並進一步發展。在1796年出版的《對世界係統的解釋》一書中，拉普拉斯向人們闡釋了以上觀點。拉普拉斯雖說是一位偉大的數學家，但他在此書中卻並未使用到任何數學工具，而隻對太陽係的形成做了半通俗化的定性討論。
六十年後，當麥克斯韋（詹姆斯·克拉克·麥克斯韋，James Clerk Maxwell，英國物理學家、數學家，經典電動力學的創始人，統計物理學的奠基人之一）首次以數學法嚐試解釋康德和拉普拉斯的宇宙論觀點時，遇到了明顯無法解釋的矛盾之牆。事實上，數學計算表明，如果太陽係中各個行星上的物質均勻地散布到整個太陽係中，那麼物質的密度就會變薄。這樣的結果就是無法靠彼此間的萬有引力而形成不同的行星。因此，太陽收縮過程中拋出
的環將永遠保持著環的狀態，就像土星環一樣。眾所周知，土星外麵這個環是由無數小粒子組成的，且一直繞著土星運轉，但我們卻看不出它們有“凝結”成一顆固體衛星的傾向。
擺脫這個困境的唯一辦法就是：假設繞著太陽的原始包裹層含有的物質要比目前行星所具有的物質多很多（至少多了100倍），而其上的大部分物質又落回了太陽上，隻有大概1%留下來組成行星體。
然而，這樣的假設也造成了新的矛盾，且其嚴重性與前一個矛盾相當。這個新矛盾就是：若這些物質的旋轉速度與行星運行的速度相當，那麼這部分物質的確會落在太陽上，且它們定會使太陽的旋轉速度上升到實際速度的5000倍。如果是這樣的話，那麼，太陽的運行速度就會變為每小時7圈，而不再是當前每四周一圈的速度。
看起來，這些考慮已經暗示了康德-拉普拉斯假說的無效，因此，天文學家們隻好將關注點轉向別處了。而在美國科學家T. C.錢伯林（T. C.Chamberlin）、F. R.莫爾頓（F. R. Moulton）以及英國著名科學家賈爵士的共同努力下，布豐宇宙碰撞說重獲新生。當然，隨著時代的發展，他們也對布豐原本觀點中的某些基本概念進行了修正、豐富和補充。布豐原認為彗星是與太陽相
撞的天體，這樣的觀點就被他們拋棄了，因為當時的人們已經認識到，即使與月球的質量相比，彗星的質量也是微不足道的。而這一次，他們認為主動撞擊的星體是另一顆恒星，且其與太陽的大小和質量皆相當。
不過，這個再生碰撞理論看起來雖然擺脫了康德-拉普拉斯假說的基本困境，但它同時也發現自己似乎還踩在泥濘的土地上——很難站得住腳。且當時的人們很難理解為什麼另一顆恒星與太陽發生強烈撞擊時，碰撞拋出的太陽碎片會沿著行星的圓形軌道運動，而非在空間中運行，並劃出一條條細長的橢圓軌跡。
為了挽救這次失算，人們不得不再次假設，在形成行星的過程中，太陽被哪顆恒星撞擊，那顆恒星周圍就會包裹起一層均勻旋轉的氣體，而在這些氣體的作用下，原來被拉長的行星軌道就會變成規則的圓。但因在行星運行的區域內，目前人們還從未找到過這種介質，故而人們隻能再次假設，認為這種介質後來逐漸消散到星際空間中去了，而現在人們在黃道平麵附近看到的微弱光暈就是這剛剛消失的光圈殘留下來的“餘韻”。由此形成的畫麵就是：康德-拉普拉斯假說和布豐碰撞假說混為一體，得到了一個整合的新理論，其中既包括太陽原始氣體假設，又包含宇宙碰撞假說。不過，正如人們常說的，在遇到兩
種罪惡時，人總傾向於“兩害相權取其輕”。所以，布豐的宇宙碰撞說就被接受為“正統的”行星係統起源學說了。一直到近段時間，這種曾被普遍接受的學說都還被用於所有的科學論文、教科書以及通俗作品（包括作者自己的兩本書，即1940年出版的《太陽的生與死》和1941年首發、1959年修訂的《地球自傳》）中。
直到1943年秋天，才有一位名為魏茨澤克#pageNote#3的年輕德國物理學家站出來，成功破解了行星起源理論這個矛盾症結。他當時的根據是最新的天體物理研究信息，在此基礎上，他指出所有與康德-拉普拉斯假說相斥的說法都可輕易消除，且隻要沿著這些路線向前，人們就可以構建行星起源的詳細理論，而行星係統中很多從未被闡述過的重要觀點也可以因此得到解釋。
魏茨澤克的主要論點在於，在過去的二十年中，天體物理學家全都改變了他們對宇宙物質化學成分的看法。以前的人們基本上都認為太陽和其他恒星一樣，都是由地球上存有的化學元素以相同的比例形成的。對地球化學成分的分析告訴我們，地球主體主要是由氧氣（包括各種氧化物的形式）、矽、鐵以及少量的其他重元素組成的。而輕氣體，如氫氣和氦氣（當然還有很多其他所謂的稀有氣體，如氖氣、氬氣等）在地球上的存有量則是
非常小的#pageNote#4。
由於當時的科學家們拿不出更好的證據，所以他們隻能假定這些氣體在太陽和其他恒星內也是極其稀少的。然而，通過對恒星結構更為詳細的理論研究，丹麥天體物理學家斯特勞姆格林（B. Stromgren）得出了如下結論：以上的假設都是不正確的。事實上，我們太陽所含有的物質中，至少有35%是純氫。後來，這個預估數字又增加到了50%以上。此外，他還發現太陽物質中還有相當大的一部分是純氦。所以，不管是對太陽內部的理論研究（最近在史瓦西的作品中得到了最好的詮釋），還是對其表麵做的精細光譜分析，都使得天體物理學家做出了以下駭人結論：形成地球的主要化學元素，僅占太陽質量的1%左右，而其餘部分則均勻地散布於氫和氦之間，但前者要稍微多一些。這種對太陽結構的分析顯然也適用於其他恒星。
此外，我們還知道，星際空間並非真的空無一物，而是充滿了氣體和細微塵埃的混合物，這些混合物的平均密度約為每1 000 000立方英裏1毫克。且這種彌漫的、極稀疏的材料顯然具有與太陽及其他恒星相同的化學成分。
這種星際物質的密度盡管非常低，但它的存在還是很容易得到證明的。原因是，它會很明顯地對來自遙遠恒星上的光進行選擇性吸收，而在進入
我們的望遠鏡之前，光必須走過幾十萬光年的空間距離。同時，這些“星際吸收線”的強度和位置也為我們對這種擴散材料密度的估算提供了很好的條件，從而進一步判斷出它的成分幾乎全是氫和氦（很可能還有這種元素）。事實上，由各種地球物質的小顆粒（直徑約為0.001毫米）組成的塵埃，其質量占所有物質總質量的比例不超過1%。
那麼，現在再回到魏茨澤克理論的基本思想上來，我們就可以說，宇宙物質化學成分的新知識對康德-拉普拉斯假說是有利的。事實上，如果太陽外圈原本的氣體包層是由這種物質形成的，那麼，其中隻有一小部分，也就是較重的那部分地球元素，可以用來建造我們的地球以及其他行星。至於剩下的部分，也就是那些冷凝不了的氫氣和氦氣，則一定會以某種方式被隔開，要麼飄向太陽，要麼被分散到周圍的星際空間裏。正如前麵解釋過的，第一種可能性會導致太陽以很高的自轉速度運行，所以我們不得不放棄它而選擇另一種說法，即當行星從“陸地”化合物——地球元素凝固形成後，氣態的“多餘物質”就會被擴散到空間中。
這向我們描繪出了行星係統形成的以下圖景：當我們的太陽由星際物質凝聚形成時，它的大部分物質，約為目前行星係總質量的一百倍，卻仍然留在外部，
並形成一個巨大的旋轉包層（很明顯，產生旋轉的原因是向原始太陽彙集的星際氣體，在各個部分的不同的選擇狀態下造成的）。這個快速旋轉的包層的成分主要為：凝聚不起來的氣體（像氫氣、氦氣和少量的其他氣體）以及各種地球物質形成的塵埃顆粒（如氧化鐵、矽化合物、水滴和冰晶）組成的。它們飄浮在氣體內部，隨著氣體運動而旋轉。而大塊的“地球”物質的形成，即我們現在稱之為行星的形成，則是由塵埃粒子之間的相互碰撞及逐漸聚合而成的。在圖107中，我們展示了這種相互碰撞的結果，這種碰撞發生的速度與隕石的速度相當。
圖107
若兩個質量相等的粒子發生碰撞，則會導致雙方都粉碎（圖107a），這一過程不僅不會導致物質增長，還會將原有較大團塊破壞。相反，一旦小粒子與更大的粒子發生碰撞（圖107b），那麼，很明顯小粒子會將自己埋到大粒子的身體裏去，從而形成更大一些的新物質。
顯然，這兩個過程會使較小顆粒逐漸消失，和它們的材料聚集成較大的物體。隨著時間的流逝，越到後麵，物體團塊就會越大，相應地，也就越能吸引經過的較小顆粒，吸引來之後還能將它們並到它們自己的生長體中，這個過程也會以更加快的速度進行下去。圖107c很好地闡明了大塊物質的
捕獲效率增大的情形。
魏茨澤克已經證明了，現在的行星係統所占據的空間內，隨處遍布著細微的塵埃，而這些塵埃能夠在幾億年的時間內聚集成幾團巨大的物質——行星。
在繞太陽運行的過程中，隻要行星因持續吞並各種宇宙物質而發生體積上的膨脹，那麼其表麵一定會因為新材料的轟擊而變得非常熱。然而，隨著恒星塵埃、卵石和較大岩石被消耗殆盡後，行星的進一步生長就沒了下文，其表麵也會因為向星際空間輻射熱量而迅速冷卻下來，最終形成了一層固體地殼。其基本趨勢是：隨著行星內部一點點冷卻下來，地殼也會變得越來越厚。
另一個所有行星起源理論都想要解釋的重大問題是：不同的行星與太陽之間的距離呈現出來的特殊規則［也稱為提丟斯-波得規則（Titius-Bode law）］。我們來看下麵這張列出了太陽係九個行星以及小行星帶與太陽之間的距離的統計表格，這對應的顯然是另外一種情形，即單獨的碎片沒能成功凝聚成大行星的情況。
表中最後一列的數字比較有趣。因為這些數值雖然有一定變化，但很明顯都與2相差不大。由此，我們就可以得出一條較為模糊的規律：每個行星軌道的半徑大概都是前一個行星（在太陽方向上最接近它的那顆行星）軌道半徑的兩倍。
值得注意的是，這
樣的規律對於單個的行星也是適用的。例如，在上麵的表中，你可以看見土星的九顆衛星相對於土星的距離，而這些距離也從側麵證實了這條規律的可靠性。
在這裏，我們又遇到與在太陽係中類似的情況，即土衛之間的距離出現了很大的偏差（尤其是土衛九），但我們仍然有理由相信，衛星星係中也存在同樣的規則。
那麼，我們要如何解釋環繞太陽四周的這些細小塵埃在聚合過程中沒有形成一個大行星的現象呢？還有，為什麼會在距太陽一定距離的地方形成大行星？
為了回答好這個問題，我們需要對原始塵埃雲中發生的運動進行比較透徹的解說。首先，我們要牢記的是，每一個物體，不管是微小的塵埃、隕石，還是繞太陽運行的大行星，都以太陽為中心，按照牛頓萬有引力定律進行橢圓軌道運動。如果形成行星的物質之前直徑為，比如說0.0001厘米的粒子#pageNote#5，那麼，一開始一定有1045個粒子沿各種不同大小和長度的橢圓軌道運行。很顯然，在如此繁忙的交通中，粒子與粒子之間肯定會發生很多碰撞，而又因著這些碰撞，整個群組運動才會變得越來越井然有序。事實上，不難理解，“交通違規者”在這樣的碰撞中要麼粉身碎骨，要麼就得“另辟蹊徑”，去找尋那些不太擁擠的交通道。隻是，“這樣的組織”或至
少是部分略有組織性的“交通”，所遵循的又是什麼規則呢？
針對這個問題，讓我們先選擇一組粒子，需要它們繞太陽運行的周期都相同。其中有一些粒子會沿著相應半徑的圓形軌道運動，而另一些則會在細長的橢圓軌道上運行（圖108a）。現在，讓我們試著從圍繞太陽中心旋轉的坐標係（X，Y）的角度來描述這些不同粒子的運動，值得一提的是，這些坐標係的運轉周期與粒子的公轉周期相同。
首先，從這個旋轉坐標係的角度來看，沿圓形軌道運動的粒子A，在某點A''''上似乎處於完全靜止狀態。而沿著橢圓軌道繞太陽運動的粒子B則離太陽時近時遠，離得近時角速度大，而離得遠時角速度則小。因此，它有時會跑在勻速旋轉的坐標係（X，Y）之前，有時則會落後。不難看出，從這個坐標係的角度來看，這個粒子以封閉的豆形軌跡運行，並在圖108中以B''''標記。在坐標係（X，Y）中，還有另一個粒子C，此時正沿著較長橢圓軌道運動，且它的運行軌跡也是豆形的，標記為C''''，隻不過要比B的大一些。
圖108
a為在靜止坐標上觀察到的圓形及橢圓形運動
b為在旋轉坐標上觀察到的圓形及橢圓形運動
那麼，現在就很清楚了，如果我們要安排整個粒子群的運動，使它們永遠不會相互碰撞；如果我們想要手
動安排這些粒子群，使它們在運動的過程中不發生碰撞的話，就必須讓這些粒子按照勻速旋轉的坐標係（X，Y）中描述的豆形軌跡運動。