太阳系是如何形成的?
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2025-07-17 02:10:07
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太阳系是如何形成的?

以下内容来自 约翰·E.梅菲尔德 《复杂的引擎》 一书。

我们的太阳系大部分也可以视为三个作用定律的产物,分别是能量守恒、动量守恒和引力。能量守恒定律说的是能量既不能创生也不能消灭,只能转换形式。常见的例子包括化学能转换成火的热能,跳伞时势能转换成动能,发电机将机械能转换成电能。动量守恒说的是运动物体除非受到外力作用,否则会一直保持运动速度和方向。引力定律的经典形式说的是两个物体会互相吸引,吸引力正比于两者质量的乘积,反比于两者距离的平方。引力定律的表达式类似于库仑定律,只不过吸引的是质量而不是电荷,并且质量从不互相排斥。

如果不在意细节的话,太阳系的形成很容易理解。故事大致是这样。在宇宙中不断有恒星诞生。在太阳出现之前,空间中有气体和尘埃组成的云。云中大部分是氢和氦,但也包含碳、氧、氮、铁等在现在的太阳系中找得到的元素。氢和氦大部分在宇宙大爆炸最初的几分钟里形成,其他元素则在恒星中形成,恒星在超新星爆发后将其组成物质抛散到空中变成尘埃微粒。这些超新星很重要,因为它们创造了重元素,并且爆炸产生的物质流会导致附近的尘埃和气体云运动,分布变得不均匀。

空间中不均匀的气体云是不稳定的。引力定律决定了所有原子、分子和尘埃会相互吸引。结果原子向原子运动,物质块向物质块运动。动量就是对这种物体相对运动的度量。

对于运动的粒子,如果最初没有朝质心运动,动量守恒会阻止它们直接相向运动。动量守恒和引力定律的交互作用会使得粒子围绕高密度的中心旋转。

能量也必须守恒。当粒子相互旋转时,它们的速度会增加,因为引力势能会转换成动能。随着相互吸引的气体和尘埃粒子旋转得越来越近,它们的速度也会越来越快,发生碰撞越来越频繁。碰撞后会发生什么取决于粒子的化学性质。一些碰撞是弹性的,粒子就好像台球相互弹开。一些碰撞是无弹性的,粒子就好像橡皮泥一样粘到一起。无论哪种碰撞都必须遵守能量守恒和动量守恒。

碰撞还会产生热,以红外辐射的形式放射。粒子碰撞、弹开和黏合到一起的结果是黏合的粒子越来越多,并且所有粒子的运动变得协同一致。所有粒子聚拢并降低速度,导致热能损失。由于旋转,气体云会变成盘状。大部分尘埃和气体会在中心附近,少量在外围。能量和动量守恒使得中心附近的粒子和气体运动得最快,最外面的物质则运动得最慢。随着分子越来越接近旋转中心,碰撞也越来越频繁。碰撞越多释放的热量也越多,中心也变得更加热和致密。最终云团中心变得如此热和致密,以至于开始出现热核反应。这又会产生更多热和辐射。辐射将原子和分子外推,与向内的引力相互抵消。

当辐射导致的外推与引力的向内拉相互平衡,就会形成稳定的结构;我们称之为恒星或太阳。这时外部的气体和尘埃盘变得引力不稳定,因为大块环绕物质的引力会改变附近物体的轨道。改变的轨道相交,导致的碰撞形成更大的物体,对附近的聚集体、气体和尘埃的引力也越来越大。变大的物体相互吞噬,最后只留下少数大的聚合体(行星)。行星围绕太阳形成稀疏有序的结构,相互之间的距离遥远,不会相互干扰。如果它们靠得太近,就会相互拉扯偏离轨道并最终相撞。

大致就是这样。实际的细节极为复杂,但三个简单规则的交互确保了,只要存在规模合适的、运动的和不均匀的气体尘埃云,就会形成有序的太阳系结构。

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