地球是怎样形成的?

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地球是怎样形成的?
当我们拥有了较为完整和清晰的太阳系模型后,我们就有可能进一步对地球的形成进行探讨。在已掌握的知识基础上,我们自然不会再认为地球的形成是完全孤立和自发的,因为太阳作为太阳系大家庭的一员已经相当明确了。但是,我们有理由对 46 亿年前地球及太阳系中其他星体的成因提出质疑。
法国自然科学家乔治·路易斯·布丰没有依据《圣经》的故事解答这个问题(《圣经》当然没有任何的科学依据)。这位自然科学家早就认为地球已存在了 7.5 万年了。1749 年,布丰解释说,包括地球在内的行星和巨大的太阳间存在着“亲缘”关系,正如小鸡同母鸡的关系一样。也许,他曾想到地球是太阳生出来的。
布丰曾认为太阳与其他巨型的天体产生过碰撞,在碰撞过程中散落下来的碎块,冷却下来以后,形成了地球。这种假设很有意思,只是没有说明其他行星及太阳形成的原因。或许太阳原本就是存在的。
我们需要一个更合理的解释,在开普勒描绘了太阳系的宏图后,这个系统的概貌就非常明确了。所有的行星几乎是在同一平面上运行的(这一套完整的太阳系模型类似于一个巨大的比萨盒),而且是沿着一个方向绕着太阳转,就像月亮绕着地球旋转或土星的卫星绕着土星旋转一样。另外,这些星球也绕着自己的轴做定向的自转,太阳亦是如此。天文学家们由此得到启迪,他们相信,如果太阳系不是来自于同一物体,就不可能呈现出这么多的相似之处。
在研究地球的成因之前,首先要探讨太阳是怎样形成的。这一研究的结论不仅仅用于其他行星上,而且对宇宙间其他星空的形成有参考价值。1611 年是早期望远镜试用时期,德国天文学家赛芝·马吕斯在观察中发现仙女星座上有一团发亮的朦胧物,我们称它为仙女座的星云(星云是拉丁语,意思是“云彩”)。1694 年,海更斯(钟摆的发明人)观察猎户星座时也发现了相似的星云,这就是猎户座星云。此后,其他的星云也被发现了。
人们曾推测,这些发光的星云是多种灰尘和气体的组合物,而这些组合物尚未聚合成真正的星体。1755 年德国哲学家埃马谬洛·康特在他的著作中设想过,所有星体的雏型就是这些星云,他认为星云可以靠自身的力量慢慢地聚在一起,并慢慢地开始转动。当星云聚集时,中心部分就形成了恒星,外围的部分就形成了行星。这种设想基本上解释了行星运行在同一平面上,且公转和自转的方向一致的道理。
1798 年,法国天文学家帕瑞·赛芝·德·拉普拉斯很可能不了解卡特以前所做的工作,他在一本著作中描述了同样的观点,只是他写的内容更详细。他认为星云在慢慢地收缩,在星云收缩的过程中,星云旋转的速度迅速地加快。其实这个设想并非是拉普拉斯的创举,收缩只是引力作用的结果而已,在太阳系里这已是司空见惯的现象,即作功现象。每个滑冰者都曾有这种尝试。当你在冰面上旋转时,把胳膊收得越紧,自身旋转的速度越快。
星云在收缩中,它的旋转速度越来越快,其中心部位向外凸起并且脱离了原位置。该过程并非虚构,它是离心力作用的结果,这种现象在 地球上随处可见。拉普拉斯设想的那些“脱落”的部分聚集在一起,最后形成了一个行星。此时,稍靠中心的星云仍在聚集,从而诞生了另一颗行星。这样继续下去,一颗颗行星渐渐形成了,它们沿着同一个方向转了起来。最后在中心区剩下的部分形成了太阳。由于卡特和拉普拉斯是以星云的收缩理论为依据解释太阳系形成过程的,所以称这一假说为“星云假说”(这一理论未能以充足的理由证明)。
一个世纪以来,天文学家们对“星云假说”这一理论还是满意的。遗憾的是,这一理论的不足之处也相继显露出来。其原因来自“角动量”这一概念。角动量是度量物体旋转能力的一个物理量,该物体既有绕自转轴的转动,还有绕公转轴的转动。木星在绕自己的轴自转时,也在绕太阳进行公转。它的角动量是巨型太阳角动量的 30 倍,而所有行星角动量的总和是太阳角动量的 50 倍。如果太阳系形成初期只是单一的带有角动量的星云的话,怎么会在那么小的质量上集中了那么多的角动量,并在释放之后形成这些行星呢?天文学家没能在“星云假说”中找到答案,于是开始寻求其他的理论了。1900 年,美国科学家托马斯·卓乌德·章伯伦和弗瑞斯特·雷·摩尔顿在研究中重新拾起布丰的理论。他们认为,在很久很久以前,当另一颗星体经过太阳附近时,在引力的作用下,彼此间各有一部分脱离了它们的母体而形成了新的个体,这些新个体在引力作用下急剧地旋转,从而获得大量的角动量。这些个体分离后渐渐冷却下来,体积也随之减小,成为固体或是微星,微星在进一步碰撞时形成行星。来自两颗星体的物质聚集在一起,形成行星家族,这一假设称为“微星学说”。
上述两种观点存在着重要的不同点。如果“星云说”是正确的,则每个星体都可以形成行星;如果“微星说”是正确的,只有恒星经历过碰撞后才能有条件形成行星,而恒星间的距离是很远的,且移动又相当缓慢,与其距离相比,它们之间的碰撞是极为罕见的。于是,两种观点的区别在于:“星云学说”认为许许多多的星系可以形成,而“微星学说”认为只有在极少数的恒星中才能形成星系。
正如事实表明的那样,“微星说”也是不合理的。1920 年,英国天文学家阿瑟·斯坦莱·爱丁顿指出:太阳内部的温度比人们想象的要高得多,从太阳上分离下来的物质(或从其他恒星上掉下来的物质)都很热,以至于它们尚未来得及冷却形成行星时,就扩散到宇宙空间去了。美国天文学家莱曼·斯皮特泽在 1939 年做出了令人信服的展示。
1944 年,德国科学家卡尔·夫兰垂·克·冯·韦茨萨克重拾“星云假说”,并将这一理论进一步发展、提高。他认为旋转的星云是逐级收缩而形成行星的,首先是第一颗,然后是其他颗依次而成。天文学家们可以把星云中的电磁作用考虑进去(在拉普拉斯时代,电磁现象还未被发现),以此解释角动量是以什么形式由太阳转移到行星上去的。
顺便提一下,由微星形成行星的过程中,地球内部的热呈何种状态?微星移动速度非常快,它蕴藏着巨大的动能,在碰撞过程中,运动暂时停止了,于是部分动能变成了热能,而后又开始运转形成行星。动能转换成的热能相当大,这就是地心温度达到 5000℃的原因。很明显,星体越大,能量转化的程度越高,形成行星后的核心温度越高;同理,星体体积越小,所蕴藏的动能越少,形成行星时核心的温度就低。可以肯定, 月球中心的温度要低于 5000℃,其原因就是它比地球小得多。而木星呢,它比地球大得多,它是这几颗行星中最大的一颗行星,肯定地讲,它核心的温度要更高一些,有些预测认为木星核心温度可达 5 万℃。到目前为止,“星云假说”理论还是令人满意的。

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