太阳系的形成和地球的进化

太阳系的形成和地球的进化_人类与自然界的进

第一节　太阳系的形成和地球的进化

目前的整个宇宙是最大的自组织系统，这个大的自组织系统由无数小的自组织系统构成，每个自组织系统又是由一系列子自组织系统构成的。自组织系统构成层状结构，层层嵌套。每一个自组织系统都处于某一个层次上，从属于高层自组织系统（包含低层自组织系统，在同一层次上与其他自组织系统相互作用）。因此，层次性是自组织系统的一个特征。

伊曼努尔·康德

1755年，著名德国古典哲学创始人伊曼努尔·康德（1724～1804年）在所著的《宇宙发展史概论》一书中认为，由于引力和斥力的相互作用，自然界有一种能自行从混沌变成完善宇宙体系的神奇本领，分散的物质能自然而然地发展成为一个美好而有秩序的整体。

到了20世纪60至70年代，自然科学家们从不同领域证明了自然界的自组织机制。同时，康德在《宇宙发展史概论》一书中提出“星云假说”。但是，由于受当时形而上学自然观的排斥，此理论长期被埋没。

拉普拉斯

直到1796年，法国著名数学和天文学家拉普拉斯（1749～1827年）在他的《宇宙体系论》一书中，独立地提出了另一种太阳系起源的“星云假说”，人们才想起41年前康德已提出此理论，因而后人把此学说称为“康德—拉普拉斯学说”。整个19世纪，这种学说在天文学研究中一直占统治地位。

近代关于太阳起源和形成的理论是由康德提出来的。康德在《宇宙发展史概论》中提出了“星云假说”的理论，认为大约50亿年前，太阳系还是一团弥漫的缓慢转动的气体云，由于受其他天体的引力扰动或邻近超行星爆发的冲击波推动，这团巨大的星云开始塌缩，其密度较大的核心逐渐演化为原始太阳，周围旋转的尘粒和气体形成了太阳星云。

宇宙的诞生

太阳星云依然重复着类似的演化过程，逐渐分裂为星子。星子已经具有了小行星的尺度，其中一部分就是人类今天看到的小行星和彗星，另一部分通过碰撞合并成长为星胚。这些星胚继续吸附周围的物质，像滚雪球一样不断壮大，最后变为大行星及其卫星。

星云假说示意图

太阳系是由包括太阳在内的9大行星及其卫星、小行星、彗星及星际物质构成的天体系统。中心太阳的质量占整个系统的99.8％，其他天体都在太阳引力作用下围绕太阳运动。太阳系最突出的特点是几乎所有行星的轨道都处在太阳的一个平面内，这些行星不仅都以与太阳自转相同的方向围绕太阳公转，而且，除个别行星外，绝大多数行星都在同一方向上自转。

九大行星位置

太阳系的9大行星，按其物质构成可以分为两大类，一类是类地行星，包括地球、水星、金星、火星，主要由石、铁等物质组成。这4个行星体积小、密度大、卫星少。另一类是类木行星，包括木星、土星、天王星、海王星和冥王星，主要由氢、氦、冰、氨、甲烷等物质组成。这5个行星体积大、密度低、卫星较多。冥王星只符合这三项标准中的前两项，因而被逐出行星行列，称为“矮行星”。这样，太阳系大行星只剩8颗。

土卫六

如何合理解释太阳系演化的过程，是人类孜孜以求的重大课题。2005年1月，欧洲航天局宣布，地面控制中心收到来自“惠更斯”号探测器经由“卡西尼”号飞船传回的信号表明，“惠更斯”号已成功登陆“土卫六”。“土卫六”是由天文学家惠更斯于1665年发现的，它是太阳系中唯一已知有云和稠密大气的卫星，也是土星最大的一颗卫星。“惠更斯”号探测器由“卡西尼”号飞船于2004年7月带入土星轨道。

太阳和九大行星的大小比较

科学家认为，“土卫六”很像40亿年前的地球。“惠更斯”号探测器的登陆，不仅刷新了人类探测器登陆其他天体最远距离的记录，而且有望揭开地球演化乃至生命诞生之谜。

人类所居住的地球是太阳系的一个普通成员。太阳系的中心天体是太阳，其半径约70万公里，表面温度达6000K，核心温度达1500万K，发生着氢聚变为氦的核反应。人类赖以生存的光和热就是这种核反应产生的。地球的起源和形成也与太阳密切相关。

太阳系约在50亿年前形成，此后不久，大约在46亿年前，太阳星云分馏、塌缩、凝聚形成了地球。原始地球从星物质中脱胎而出时是一个均质的球体，碳、氧、镁、铁、镍等元素混杂在一起。随着地球体积和质量不断增大，由于引力使物质撞击的功能不断转化为热能，特别是放射性元素蜕变释放热能的不断积聚，地温逐渐升高。当地内温度达到2000℃以上时，原始地球的物质便发生熔融和分化。于是，以铁、镍等元素为主的物质，在重力作用下沉积而形成地核，硅酸盐等较轻物质上浮形成地幔。地壳由地幔进一步分化而成，它是由硅、铝、镁的氧化物和盐类等更轻的物质组成的。

《进化生态学》书影

从原始地球成型到原始地壳起源，标志着地球天文发展时期的终结和地壳发展时期的开始。这一重大的转折点大约出现在45亿年前。此后，在漫长的岁月里，地壳以大面积火山活动为主要特征。大约在19亿～6亿年前，随着放射性同位素u238等衰变，能量演化速度缓慢，导致火山活动明显减弱，地壳运动的周期性逐渐清晰，从而造成地核增长、地幔加速发展。地幔物质的增温熔融，不仅造成其内部物质分解，同时也使地幔物质中的一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氨、水汽、氢和其他一些气体逸出地表。它们在引力作用下被固定在地球周围，形成原始大气圈。此后，由于太阳辐射对水汽的光解作用和植物的光合作用，原始大气中产生了氧，并在氧化作用下，原始大气的成分逐渐变为以氧和氮为主要成分的现代大气。早期的大气中含有大量的水汽，由于地表温度下降，水汽凝结成大陆上的水形成了江、河、湖泊以及地下水圈，在地球表面形成了水圈、大气圈以及生命赖以生存的生物圈。

1.宇宙大爆炸

对人类而言，宇宙包含着许多神秘的未知和疑问，然而，科学是在猜想、假设、探索和验证中产生的。宇宙是如何起源的，宇宙的历史有多久，人类在无数猜想、假设中，在近l00年的天文观测中，出现了一种最有影响力的学说——宇宙大爆炸理论。

1932年，比利时天文学家和宇宙学家乔治·爱德华·勒梅特（1894～1966年）首次提出了现代宇宙大爆炸理论。勒梅特认为：宇宙是在一次无比壮观的“大爆炸”中诞生的。宇宙中的所有原始物质聚集在一起，产生极大的能量，从而发生了大爆炸，碎片向四周散开，形成星系和宇宙。

乔治·爱德华·勒梅特

天体物理学家伽莫夫（1904～1968年）运用广义相对论理论，提出了宇宙大爆炸学：原始物质由于高温、高密度而爆炸，冷却后产生宇宙。这种理论现在普遍被认可，科学家们正在寻找巨大爆炸形成万亿颗星体时残留的能量痕迹。

乔治·伽莫夫

根据“大爆炸”理论，宇宙产生后，银河系、太阳系、地球相继形成，并且在不停地运动和变化。天文学家观察发现，宇宙正在膨胀着，星体之间的距离越来越大。

为了验证宇宙大爆炸理论的科学性和宇宙的真实性，1990年4月24日，美国宇航局“发现”号航天飞机将“哈勃”太空望远镜送入太空，运行在距地球近地点585千米、远地点615千米，轨道倾角28.5度的低轨道上。

宇宙大爆炸理论

“哈勃”是当时最大、最精确的太空望远镜，它的各种新发现，使人类对宇宙的认识产生了重大改变。“哈勃”太空望远镜为人类直接观察130亿年以前的宇宙和许多星系中心的黑洞，由此为人类提供了确定宇宙大小和年龄的测量方法，以及宇宙在扩展、在加速的证据。

哈勃太空望远镜拍到宇宙喷泉延伸10万光年

“哈勃”太空望远镜不可能看透宇宙，但可以看到137亿光年的宇宙空间。天文学家根据观察分析认为，银河系极可能诞生于很久很久以前的一次宇宙大爆炸。大爆炸产生的气体和尘埃凝聚为星云。星云经过漫长的凝聚和演化成为许多恒星，有的则成为行星和卫星。通过现代科学的探索和其他太空望远镜的探测，科学家们形成一个观点，而不是结论：我们的宇宙不是从来就有的，宇宙有着诞生和成长的过程，宇宙大概形成于150亿年前左右。宇宙大爆炸理论是可能的。

2.人类史上罕见的陨星坠入地球大气层

公元1976年3月8日下午，宇宙空间一颗陨星顺地球绕太阳公转的方向，以每秒十几公里的速度坠入地球大气层中。

由于这颗陨星与稠密的大气发生剧烈的摩擦，飞至中国吉林地区上空时，燃烧、发光，成为一个大火球，于3月8日15时01分59秒在中国吉林市郊区金珠公社上空发生爆炸。陨星爆炸后，以辐射状向四面散落。大量碎小的陨石散落在吉林市郊区大屯公社李家大队和永吉县江密峰公社一带；稍大块的直落在金珠公社南兰大队一带；最大的3块陨石沿着原来的飞行方向继续向西偏南方向飞去，先后落在吉林市郊区九站公社三台子大队、孤店子公社大荒地大队和永吉县桦皮厂公社靠山大队。最后一块在15时02分36秒坠地时，穿破1.7米厚的冻土层，陷入地下6.5米深处，在地面上造成一个深3米、直径2米多的大坑。当时震起的土浪高达数十米，土块飞溅到百米以外。

根据目前已经收集到的陨石分析，这次陨石雨散落的范围约有500平方公里，其中包括吉林市郊区、永吉县、蛟河县的7个公社，区域内有人口10余万，没有造成任何伤亡或损失。

落于中国吉林市郊的世界上已知最重的石陨石

陨石雨降落后，中国科学院迅速组成联合调查组赶赴现场，进行了一系列科学考察工作。已收集到的陨石有100多块，其中有3块每块重量超过了100公斤。最大的一块重量为1770公斤，大大超过了美国收藏的、当时世界上最大石陨石的重量（1078公斤）。这次陨石雨无论是数量、重量还是散落的范围，都是世界罕见的。它对于天文学、天体物理、高能物理、宇宙化学、天体史、地球史等方面的研究，都有非常重要的价值。

据中国科学院联合调查组初步分析鉴定，这次降落的陨石，形态多样，有长方体、六面体、锥体等。陨石表面都有黑色、黑棕色的熔壳和大小不等的气印。陨石所含的矿物主要是辉石、橄榄石，少量为铁纹石、镍纹石、磁铁矿等金属矿物，具有典型的球粒结构，故定名为“橄榄石古铜辉石球粒陨石”。这些陨石所含的化学元素，经分析测定主要有硅、镁、铁、硫、钙、镍、铝等。

陨石是宇宙空间客观存在的一种天体。早在3000多年前，中国就有关于流星和陨石的记载，而且很早就对陨石有着正确的见解。如《史记·天官书》中说：“星坠至地，则石也。”太阳系有九大行星，在火星和木星的轨道之间，有成千上万个小行星。此外，地球附近的宇宙空间，还有许多星际物质，小的像微尘，大的像座山。这些天体都按照一定的速度和轨道运行。当星际物质或轨道特殊一点的个别小行星接近地球时，有时会进入大气层，与大气发生剧烈的撞击、摩擦，遂生热、燃烧、发光，这就是我们人类看到的流星。

大多数流星在距离地面120公里以下的高空开始燃烧。小的“尘埃”在离地面几十公里处已烧成灰烬。少数体积大的由于受空气阻力的影响，速度越来越慢地陨落。这种落到地面上来的流星的残余部分就是陨星，或叫陨石。每年陨落到地球上的陨石很多，但大多数体积很小，而且大都落到海洋或人迹罕至的地方，很难被发现。有时，陨星先在高空中爆炸，再像一阵“石雨”那样散落下来，这就是更为少见的陨石雨现象。

科学家在分析鉴定陨石

陨石表面一般都有深褐色的硬壳，这是在高温下熔化以后，又在速度降低时逐渐冷却形成的。陨石表面的另一个特征是有许多像河蚌壳形状的小坑，这是它与空气摩擦燃烧后的痕迹，科学术语叫做“气印”。人们可以根据陨石表面凹痕的形状，判断出这颗陨石是朝哪个方向飞行的。根据陨石所含的成分，可以分为3类，即铁陨石、石铁陨石和石陨石。对陨石的化学分析表明，组成陨石的各种化学元素都是地球上已知的，也就是与组成太阳系其他天体同样的元素。

陨石在现代科学研究中有重要价值。这种珍贵的宇宙样品不仅为我们人类带来许多宇宙空间的信息，还将为一系列科研领域提供不可多得的情报。

新中国成立以来，已发现和收集到了3次陨石雨。第一次是1958年在广西南丹县发现了中国明朝时期陨落的铁陨石雨，第二次是1976年落在吉林地区的石陨石雨；1997年山东省鄄城县董口乡方圆35平方公里降下的一场陨石雨，是世界历史上罕见的一次石陨石雨。

3.宇宙的“污水池”

在宇宙空间中，有一个神秘的区域，不管什么物体只要进入这个区域便会消失得无影无踪，人们称之为“黑洞”。

法国著名天文学家、数学家拉普拉斯（1749～1827年）认为，如果一个天体的密度或质量达到一定的限度，我们人类就会看不到它了，因为光没有能力逃离开它的表面，也就是说，光无法到达我们人类这里。不过，黑洞引起科学家们的普遍关注，还是在爱因斯坦的广义相对论公布之后。人们根据爱因斯坦的理论，就黑洞存在的条件及形成原因等问题进行了探索。直到1965年科学家们观测到一束来自白天鹅星座的X射线后，才真正打开了探测黑洞的大门。经研究，这是一颗明亮的蓝色星体，同时，它还有一颗看不见的伴星，这颗星体质量要比太阳大10～20倍。

几年之后，科学家们根据这些强射线找到了X射线的真正发射源，这是一颗伴星，其质量是太阳的5～8倍，但人们看不到它所在的位置。

“黑洞”是什么？经典的黑洞理论认为，黑洞是恒星死亡后的残骸，是一种特殊的天体，会隐形。现代科学研究给“黑洞”下的定义是：由一个只允许外部物质和辐射进入而不允许物质和辐射从中逃离的边界，即视界所规定的时空区域。也就是说，根据广义相对论，看不见黑洞是因为弯曲的空间所导致的。光应该沿任意两点间的最短距离直线传播，但在空间引力场的作用下变弯曲了，偏离了直线的方向，所以看不见它。黑洞的引力场非常强大，吸收着一切，包括光芒。黑洞是填不饱的“怪兽”。黑洞非常巨大，神奇魔力般地收纳一切，因此被人们称为宇宙的“污水池”。

关于黑洞的成因，人们的解释也不尽相同。有人认为，恒星在其晚年因核燃料被消耗完，便在自身引力下开始塌缩。如果塌缩星体的质量超过太阳的3倍，那么，其塌缩的产物就是黑洞；也有人认为，黑洞是在超新星爆发时一部分恒星塌毁变成的；还有人认为，在宇宙大爆炸时，其异乎寻常的力量把一些物质挤压得非常紧密，形成了“原生黑洞”。总而言之，尽管人类现在还不能揭开黑洞的神秘面纱，但随着科学的不断发展，随着人类对黑洞的深入探讨，这个谜团终将会被揭开。

宇宙黑洞

2010年11月16日，美国宇航局宣称，科学家通过美国宇航局钱德拉X射线望远镜在距地球5000万光年处发现了仅诞生31年的黑洞，这将是迄今为止观测到的距离地球最近的“新生黑洞”。

知识链接·黑洞四个“最”

最小的黑洞　最小的黑洞仅是太阳质量的3.8倍，其直径为24公里。尽管这个被称为“XTEJ1650～500”的黑洞算是小个头，但它却是极具破坏性的“引擎”。它与其他黑洞一样，从伴星那里索取气体，使自己升温，基于XTEJ1650～500黑洞的质量，它释放X射线的强度呈周期性变化。

最大的黑洞　迄今发现宇宙中最大黑洞的质量是太阳的180亿倍，它的质量相当于一个小型星系。这个庞然大物潜伏在QJ287类星体中，该类星体距离地球35亿光年。2008年，天文学家通过观测一个较小黑洞（该黑洞的质量相当于太阳的1亿倍）的轨道受这个庞大黑洞的引力场作用，从而测量到了这个超大黑洞的质量。

旋转最快的黑洞　如果形成黑洞的恒星快速旋转，那么这个黑洞也会持续旋转。相比静止状态的黑洞，旋转黑洞能够更好地控制环绕其周围的宇宙物质盘。科学家们发现，旋转最快的黑洞大约每秒旋转1000次。这一速度是快速旋转恒星崩溃之前测定的。

最年轻的黑洞　科学家最新发现的31岁“婴儿黑洞”是超新星SN 1979C的残骸物质，该超新星位于M100星系，大约距离地球5000万光年。基于1995年至2007年的观测数据，科学家推断这个年轻黑洞的成长是超新星SN1979C或者一个双星系统为其提供“营养成分”。

科学家们提出设想，既然宇宙中有“黑洞”，那么一定会存在“白洞”。黑洞可以用强大的吸力把任何物体都“吸进去”，而白洞就可以把这些东西都“吐出来”。白洞也有一个边界，它吸引外界物质和辐射只能到这个边界，不能通过边界而进入白洞，可是白洞内部物质和辐射却不受边界限制。

因此，白洞像个源泉，不断地向外部喷射物质。正因为它“只出不进”的特点，使它成为一个可见的天体，因此它是“白的”。白洞“只出不进”，那它的物质不会枯竭吗？若不枯竭，这些物质从何而来呢？有人提出一种设想，白洞与黑洞是相通的，二者之间有一通道，它叫做“虫眼”或“蛀洞”，正是这条通道把黑洞吸积的物质运到白洞后喷发出去。

1974年，英国著名天体物理学家霍金（1942年～）提出了“霍金辐射”理论，认为黑洞是有辐射的。霍金被誉为“用眼睛讲述宇宙起源”的科学家。他说：“我的思想可自由‘进入’黑洞内部，进入宇宙最遥远的地方。”霍金强调，黑洞没有磁场，所有物质在进入黑洞之后就把自己所携带的信息全部丢失了。

霍金

黑洞理论成为天文、物理学界的主流观点，是20世纪最具挑战性、也最让人激动的天文学说之一。

2008年12月，英国科学家证实，位于银河系中心，也是离我们最近的地方有一个特大质量的黑洞——“人马座-A”黑洞。“人马座-A”是一个会吞噬星球的“怪兽”，直径有400万个太阳系那么大，由被吃掉、融化的恒星组成。它是银河系的心脏。

科学探索就是追求的过程。近10年来，天文学家利用“哈勃”“康普顿”“钱德拉”“牛顿”“威尔金森”“斯皮泽”等14架太空望远镜进行了长期的观察。美国马萨诸塞州的史密森生天体物理学会曾宣布确实观测到了星系和类星体中心的“大黑洞”，但没有探测到“霍金辐射”和“黑洞蒸发”。

黑洞吞噬中子星

科学家们观测到距离银河系90亿光年之外的一个类星体，并分析了其光谱，探测了其内部结构，结果发现该星体拥有强大的磁场。