太陽(yáng)系是如何形成的？

以下內(nèi)容來(lái)自 約翰·E.梅菲爾德 的 《復(fù)雜的引擎》 一書。

我們的太陽(yáng)系大部分也可以視為三個(gè)作用定律的產(chǎn)物，分別是能量守恒、動(dòng)量守恒和引力。能量守恒定律說(shuō)的是能量既不能創(chuàng)生也不能消滅，只能轉(zhuǎn)換形式。常見的例子包括化學(xué)能轉(zhuǎn)換成火的熱能，跳傘時(shí)勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。動(dòng)量守恒說(shuō)的是運(yùn)動(dòng)物體除非受到外力作用，否則會(huì)一直保持運(yùn)動(dòng)速度和方向。引力定律的經(jīng)典形式說(shuō)的是兩個(gè)物體會(huì)互相吸引，吸引力正比于兩者質(zhì)量的乘積，反比于兩者距離的平方。引力定律的表達(dá)式類似于庫(kù)侖定律，只不過(guò)吸引的是質(zhì)量而不是電荷，并且質(zhì)量從不互相排斥。

如果不在意細(xì)節(jié)的話，太陽(yáng)系的形成很容易理解。故事大致是這樣。在宇宙中不斷有恒星誕生。在太陽(yáng)出現(xiàn)之前，空間中有氣體和塵埃組成的云。云中大部分是氫和氦，但也包含碳、氧、氮、鐵等在現(xiàn)在的太陽(yáng)系中找得到的元素。氫和氦大部分在宇宙大爆炸最初的幾分鐘里形成，其他元素則在恒星中形成，恒星在超新星爆發(fā)后將其組成物質(zhì)拋散到空中變成塵埃微粒。這些超新星很重要，因?yàn)樗鼈儎?chuàng)造了重元素，并且爆炸產(chǎn)生的物質(zhì)流會(huì)導(dǎo)致附近的塵埃和氣體云運(yùn)動(dòng)，分布變得不均勻。

空間中不均勻的氣體云是不穩(wěn)定的。引力定律決定了所有原子、分子和塵埃會(huì)相互吸引。結(jié)果原子向原子運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)塊向物質(zhì)塊運(yùn)動(dòng)。動(dòng)量就是對(duì)這種物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的度量。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)的粒子，如果最初沒有朝質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，動(dòng)量守恒會(huì)阻止它們直接相向運(yùn)動(dòng)。動(dòng)量守恒和引力定律的交互作用會(huì)使得粒子圍繞高密度的中心旋轉(zhuǎn)。

能量也必須守恒。當(dāng)粒子相互旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們的速度會(huì)增加，因?yàn)橐?shì)能會(huì)轉(zhuǎn)換成動(dòng)能。隨著相互吸引的氣體和塵埃粒子旋轉(zhuǎn)得越來(lái)越近，它們的速度也會(huì)越來(lái)越快，發(fā)生碰撞越來(lái)越頻繁。碰撞后會(huì)發(fā)生什么取決于粒子的化學(xué)性質(zhì)。一些碰撞是彈性的，粒子就好像臺(tái)球相互彈開。一些碰撞是無(wú)彈性的，粒子就好像橡皮泥一樣粘到一起。無(wú)論哪種碰撞都必須遵守能量守恒和動(dòng)量守恒。

碰撞還會(huì)產(chǎn)生熱，以紅外輻射的形式放射。粒子碰撞、彈開和黏合到一起的結(jié)果是黏合的粒子越來(lái)越多，并且所有粒子的運(yùn)動(dòng)變得協(xié)同一致。所有粒子聚攏并降低速度，導(dǎo)致熱能損失。由于旋轉(zhuǎn)，氣體云會(huì)變成盤狀。大部分塵埃和氣體會(huì)在中心附近，少量在外圍。能量和動(dòng)量守恒使得中心附近的粒子和氣體運(yùn)動(dòng)得最快，最外面的物質(zhì)則運(yùn)動(dòng)得最慢。隨著分子越來(lái)越接近旋轉(zhuǎn)中心，碰撞也越來(lái)越頻繁。碰撞越多釋放的熱量也越多，中心也變得更加熱和致密。最終云團(tuán)中心變得如此熱和致密，以至于開始出現(xiàn)熱核反應(yīng)。這又會(huì)產(chǎn)生更多熱和輻射。輻射將原子和分子外推，與向內(nèi)的引力相互抵消。

當(dāng)輻射導(dǎo)致的外推與引力的向內(nèi)拉相互平衡，就會(huì)形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；我們稱之為恒星或太陽(yáng)。這時(shí)外部的氣體和塵埃盤變得引力不穩(wěn)定，因?yàn)榇髩K環(huán)繞物質(zhì)的引力會(huì)改變附近物體的軌道。改變的軌道相交，導(dǎo)致的碰撞形成更大的物體，對(duì)附近的聚集體、氣體和塵埃的引力也越來(lái)越大。變大的物體相互吞噬，最后只留下少數(shù)大的聚合體（行星）。行星圍繞太陽(yáng)形成稀疏有序的結(jié)構(gòu)，相互之間的距離遙遠(yuǎn)，不會(huì)相互干擾。如果它們靠得太近，就會(huì)相互拉扯偏離軌道并最終相撞。

大致就是這樣。實(shí)際的細(xì)節(jié)極為復(fù)雜，但三個(gè)簡(jiǎn)單規(guī)則的交互確保了，只要存在規(guī)模合適的、運(yùn)動(dòng)的和不均勻的氣體塵埃云，就會(huì)形成有序的太陽(yáng)系結(jié)構(gòu)。