认知太阳系（）

时间：2022-02-10 理论教育版权反馈

【摘要】：拉普拉斯认为，太阳系是由炽热气体组成的星云形成的。康德和拉普拉斯各自独立提出的假说，不约而同地主张太阳系是由星云形成的，基本观念完全相同，因此，人们把他们的假说并称为康德——拉普拉斯星云说。星云说认为，由于收缩，原始太阳系星云自转加快，这是符合角动量守恒定律的，因为收缩以后物体各部分到旋转中心的距离缩短，因此角速度加快。

人类关于天体演化的认识是科学史上一定阶段的产物。人类最先认识的是太阳系，关于天体演化的认识也自然是从认识太阳系的演化开始的。

关于太阳系的起源和演化等问题，科学家们的争论由来已久，形成了不同的理论或假说。各个理论、假说都相应地提出了自己的观点和依据，随着对太阳系研究和考察的一步步深入和扩展，其中有的理论或假说被剔除出去，有的理论或假说得到了更多证据的支持，如今，“星云说”是呼声最高的太阳系起源形成演化的理论，得到了许多人的支持，但由于太阳系的起源演化问题十分复杂，因此，还有许多问题没有得到很好的解释。

一太阳系的由来

1、星云说

十八世纪，提出太阳系演化观念的条件已经具备了。

太阳系结构和行星运动的共同规律性使人意识到，它们可能有共同的起源；星云的存在说明天体的形式是多种多样的，使人有可能把星体的起源追溯到不同形式的天体；而引力定律又初步解决了物质转化的动力问题。

正是在这种条件下，1755年，德国哲学家康德提出了太阳系起源的星云说。

康德认为，太阳系是由一团星云演变出来的。星云物质是一些基本微粒，由于引力的作用，密度大的微粒吸引小的，成为一些团块；团块周围的微粒又陆续被吸引到团块上。团块逐渐增大，最后，最大的团块形成了太阳，其他的团块形成了行星。

康德还认为，微粒被吸引向中心团块的时候，有一种斥力使下落运动发生偏转，变成了绕团块的旋转运动，这样中心团块就变成一个巨大的旋涡。在旋涡里，微粒在互相冲撞的运动中自然达到平衡，这样就造成了行星彼此同向平行的运动。而在形成行星的团块绕太阳运转的时候，跟在它后面的微粒受它吸引而加速，从团块的外侧落到它的上面，这样就产生一种推动力，使它自转，并且使行星的自转和公转的方向一致。同样的原因使卫星也按同一方向旋转。

1796年，拉普拉斯在他的《宇宙体系论》一书中，再次独立地提出了关于太阳系起源的星云学说。

拉普拉斯认为，太阳系是由炽热气体组成的星云形成的。气体由于冷却而收缩，因此自转加快，离心力(指惯性离心力)也随着增大，于是星云就变得十分扁平了。在星云外缘，离心力超过引力的时候便分离出一个圆环。这样反复分离成许多环。圆环由于物质分布不均匀而进一步收缩，成为行星。中心部分就形成太阳。

按照拉普拉斯学说，整个星云以相同的角速度旋转，所以各个圆环以至后来形成的行星都按相同的方向公转。环的外侧比内侧速度快，内外速度差使行星自转，因而自转和公转方向相同。同样，卫星也按这个方向旋转。

康德和拉普拉斯的假说，都认为太阳系是由星云物质转化而成的，大节相同，但是也有区别。

康德和拉普拉斯各自独立提出的假说，不约而同地主张太阳系是由星云形成的，基本观念完全相同，因此，人们把他们的假说并称为康德——拉普拉斯星云说。

康德——拉普拉斯的星云说虽然只是初步勾画了太阳系起源的轮廓，其中有些内容不合理，但是它的历史功绩却十分重大。

从哥白尼以来，天文学有了很大的进步，但是对于天体的研究还只限于它们的机械运动。星云说第一次提出了不同形式的天体——星体和星云之间的转化，这就揭开了研究天体质变的序幕。

2、各种学说的争鸣

康德——拉普拉斯的星云说在观念上是一个重大的进步，同时，在解释太阳系运动的观测事实方面也有很大的成功。但是科学发展的道路总是崎岖不平的。星云说出现以后，遇到了许多观测事实并不能用星云说来说明。而首当其冲的就是所谓角动量困难。

星云说认为，由于收缩，原始太阳系星云自转加快，这是符合角动量守恒定律的，因为收缩以后物体各部分到旋转中心的距离缩短，因此角速度加快。就象一个花样滑冰的运动员在旋转的时候突然把张开的双臂收拢，转速便加快了。自转速度加快，惯性离心力增大。结果星云在离心力作用下变成为一个扁平盘状物。可是，按照这种看法，中心的太阳的转速应该很快才行。然而实际上现在太阳的转速并不快，太阳大约每二十七天转一周。

为什么太阳系形成的时候太阳转动很快，而现在转慢了呢?这不是违背了角动量守恒定律吗?相反，行星的质量很小，所有行星的质量不到太阳质量的七百分之一，可是它的角动量却相当于太阳角动量的1.7倍。行星这么大的角动量是哪里来的呢?行星从太阳中分出的过程中，角动量应该不变，那么按现在角动量倒推它们在同太阳分离以前的角速度应该很大，这同现今太阳自转很慢是矛盾的。

这就是所谓角动量困难。它是星云说前进中一个很大的障碍。

康德——拉普拉斯提出星云说以后，太阳系起源和演化问题吸引了许许多多科学家，各种学说如雨后春笋，相继出现。二百多年来，有影响的学说就有四十来种。在这些学说中，有的有共同之处，又在某些方面有所区别，各有各的特色。

太阳系起源和演化问题包括两个方面的内容。一是太阳系物质来源问题；二是怎样由这些物质形成行星。

把各种学说归纳起来，按照它关于物质来源的看法，可以归纳做四大类：

一是星云说，认为太阳和行星都是同一星云物质形成的，这是康德一拉普拉斯学说的发展；

二是俘获说，认为太阳先形成，行星是太阳在星际空间俘获的星云形成的；

三是灾变说，认为曾经有一个恒星走近太阳，它的起潮力使太阳上一部分物质分离出来形成了行星；

四是双星说，认为太阳系原来是一对双星，因为两个星的质量不同，演化的进程也就有所差异，主星演化成太阳，另一个星形成了行星。

这四类学说也各有相同之处。星云说和俘获说都主张行星是由星云物质形成的，灾变说和双星说却主张行星是由星体物质形成的。星云说和灾变说又都认为太阳和行星有共同的起源，是一起产生的，俘获说和双星说却都认为行星和太阳起源于不同的天体。

3、灾变说

灾变说有两种：一种主张另一个恒星靠近太阳的时候从太阳中拉出物质形成行星；另一种认为行星是由太阳爆发或抛射出来的物质形成的。

最早的灾变说的观念是法国博物学家布丰在1745年提出的，他认为曾经有一颗大彗星靠近太阳，从太阳上撞出的物质形成了行星。实际上，彗星的质量比太阳小多少亿倍，根本不可能撞出那么多的物质来形成行星。

1878年，毕克顿把这种学说修改了一下，认为是另一个恒星碰到太阳而撞出物质。以后，美国数学家张伯仑、英国天文学家秦斯等人又分别于1900年和1916年提出了类似的学说，认为是另一个恒星接近太阳的时候万有引力把一部分物质吸出而形成行星。

一个天体同太阳相吸引，根据万有引力定律，引力同它们距离平方成反比。太阳上面向恒星的部分比太阳中心距离近，因而受到的引力要大一些。一般来说，太阳靠近另一个恒星的时候要变成椭球形，这同太阳月亮对于地表面水的吸引而产生潮汐是一样的道理。恒星极其靠近太阳的时候，太阳会变成长条形，最后长条中一部分物质可能分离出去。这就是张伯仑等人的学说的依据。

灾变说似乎在角动量问题上有很方便的出路。因为恒星的吸引使太阳上分出的物质快速运动，所以这些物质形成的行星运动快，具有比较大的角动量。于是，在星云说碰到角动量困难的情况下，有一些学者对它抱有希望而进行尝试。在本世纪初到第二次世界大战期间，灾变说十分流行。

但是，实际上它所遇到的困难并不比星云说少。首先是它完全强调偶然的因素。按照恒星的空间分布计算，另一个恒星接近太阳的机会要三千万亿年才会有一次，而银河系的年龄却只有一百亿年，这种可能性实在太小了。太阳同另一个恒星相遇的机会就象太平洋中的一条小鱼同大西洋中的一条小鱼相遇的机会一样。

至于角动量问题，它的说明也似是而非。恒星只有极其靠近太阳才能拉出物质来，但是这样拉出来的物质的角动量又很小，所以实际上并不能真正解决角动量问题。

此外，从太阳中分出的物质温度极高，将会很快逃散，并不能形成行星。

4、俘获说

星云说和灾变说各有困难，于是俘获说提了出来，企图结合他们的优点而克服它们的困难。

1944年，苏联天文学家施米特提出的俘获说认为，太阳先已形成，然后走进一个巨大的星际云，并且把它俘获；被俘的星际云形成星云盘，然后再形成行星。

1942年，瑞典天文学家阿尔文根据他对等离子体的研究，提出另一种俘获说。阿尔文认为，在太阳附近存在许多电离的弥漫物质，被太阳磁场维持在远处，这些物质后来冷却变成中性，磁力消失，在太阳引力作用下向太阳下落而被太阳俘获。下落的时候速度增加，于是碰撞增多，再度电离，而在太阳周围形成几团云，从这些云中产生行星。

银河系中星际物质或星际云比较多，太阳遇到星际云的机会就不象碰到另一个恒星那样罕见，俘获比灾变的可能性要大。而俘获说又象灾变说一样，解决角动量问题似乎比较容易。按施米特学说，被俘物质对于太阳有相对运动，本身就带有很大的角动量；而阿尔文学说认为太阳的磁力线将迫使带电物质跟它以同一角速度自转，这就使形成行星的物质云有很大的角动量。

但是，施米特学说认为太阳原来并不自转，是部分俘获物质落入太阳才使太阳转动起来的。这样把星体的自转归之于俘获物的推动，这是很成问题的。实际上恒星都在自转。

而且，俘获说仍然面临着俘获概率问题，因为要俘获质量足够大的星云的可能性是很小的。此外，阿尔文学说在解释天文观测事实方面往往不够有力。

5、双星说

双星说在某种程度上说是灾变说的变种。1935年美国天文学家罗素提出的双星说和1936年英国天文学家里特顿提出的双星说都认为太阳系原来是一对双星，太阳是双星中的一个子星，另一个子星由于第三个恒星的接近或碰撞而被拉走，留下的一个长条形成行星。

这种学说跟灾变说一样，需要有一个恒星靠近或碰撞，于是也就面临着和灾变说同样的困难。

1944年，英国天文学家霍意尔提出另一种双星说，认为太阳的伴星演化很快，在它爆发以后成为超新星。因为爆发的时候抛射物质，就象火箭发射的时候那样产生反推力，使它离开了太阳。一部分抛出物质被太阳俘获形成星云盘，星云盘里的气体然后凝聚、集结成为行星。

霍意尔的学说认为行星上的重元素是超新星爆发的时候合成的，可以说明地球上重元素的起源。但是在解释其他观测事实的时候有不少困难，因此霍意尔本人在1960年放弃了这一学说，改而主张星云说。

6、现代星云说

现代天体物理学和物理学的发展，特别是恒星演化理论的建立，有力地支持了星云说。电磁作用的研究使角动量问题不再是原则上的困难。而星云说又能够解释众多的观测现象，这就使得星云说有了新的发展。现代星云说同其他学说相比，具有很大的优越性。因此现代星云说成为当代太阳糸演化学说的主流。里特顿和霍意尔这样一些有影响的人物都放弃了原有的学说，改而主张星云说。

现代星云说的具体内容，各家各派仍有不少差别，但是在太阳系形成的基本过程上，大体上是一致的。

按照比较共同的观点，形成太阳系的是银河系里的一团密度比较大的星际云，它的质量比现在太阳系总质量要大，温度很低，大约摄氏零下二百多度。

从现代对银河系的观测看到，银河系里存在一些旋臂，在旋臂中物质特别稠密。在以后形成太阳的那个星云绕银河中心旋转通过旋臂的时候，星云被压缩，它的密度增加。星云达到一定的密度以后，就在自身引力作用下逐渐收缩。密度继续增加，体积越来越小。

由于收缩，引力势能转化为热能，星云的温度增高。中心部分密度增加最快，温度也最高，因而在中心部分聚集了星云总质量的大部分，形成了一个红外星。这可以叫原太阳。

原太阳由于收缩，体积缩小，因而自转加快。在惯性离心力和磁力作用下，逐渐在赤道面上形成一个盘形结构。

原太阳在温度增高到一定程度的时候，就开始发生核反应，由引力收缩阶段转入核反应阶段，标志着太阳已经完全形成。扁盘上的物质又逐步演化成为行星和其他小天体。

在原太阳和周围的星云盘形成以后，星云盘里的物质怎样进一步形成为行星呢?在这个问题上，又有各种不同的看法。现代星云说的各种流派之间的主要差异，正是表现在行星形成问题方面。

原来拉普拉斯的看法是：星云盘被赤道上的惯性离心力间歇地甩出去一部分，形成了一个个同心的环带，然后环带聚合成为行星。虽然间歇甩出的观点是有问题的，然而他所提出的先形成环体、再由环形成行星的观点，仍然被一些现代星云说所采纳，不过从不同的角度来论证环体的形成以及由环形成行星的过程。

1977年，关于行星形成过程又有了一种新的假说。这个假说是完全从原始太阳系扁平星云盘所遵守的流体由学定律和万有引力定律推导出来的。由星云盘的流体力学方程和引力场方程的解得到，星云盘里，太阳被一系列圆环所围绕，还有一条旋涡形的旋臂和这些环相交。旋臂具有“引力势井”的性质，也就是说，旋臂上由于物质稠密，引力大，靠近它的物质就要被它吸引进去，就象地面上有一口井，物体经过的时候就要落到井里去一样。这种臂的运动具有波动性质，它象波一样绕中心传播。当这种旋涡波传播的时候，环上的物质便不断地落入引力势井中，这样就逐渐把圆环里的物质汇集到一起，形成一个行星。

这种假说可以说明其他假说难以说明的许多事实。

比如，由方程解出的环带距离分布，正好符合提丢斯一波得定则，由环形成的行星自然也应该满足这一定则。

又比如，推导出只有一条最强的旋臂，每环同它只有一个交点，所以一个轨道上只能形成一个行星。

因为星云盘里物质旋转角速度是内快外慢，而整个旋臂却以同一角速度旋转，所以势井和物质角速度不同，彼此有相对运动。势井经过环中不同地方，就把各处物质吸引进来，越聚越多。但是显然在离太阳某一个距离上，星云盘物质旋转速度和旋臂速度相等，它们之间没有相对运动，正如鱼网同鱼群速度相同的情形。这时候势井不能把不同地方的物质汇集起来成为大行星，只能形成一些小行星，这就能说明火星和木星之间为什么缺少一个大行星而代之以一群小行星。

当然，这个假说也还不完备，需要有进一步的发展。

7、新的发展

自从康德——拉普拉斯提出星云说以后，数百年来，关于太阳系起源和演化的理论如雨后春笋，几十种学说相继提出，这一场争鸣到现在也还没有结束。

回顾这一段历史，我们可以看出，这场论战并不是一场阵线不清的混战，也不是无休止的纠缠。学说虽多，但是在重大问题上只有几种主要流派。随着时间的前进，论战的结果使问题本身得到发展，认识更加深化。

康德——拉普拉斯的星云说是有很大功绩的，但是它是初步的、简单的，很快它就碰到了角动量困难。为了寻找角动量的出路，灾变说便兴盛起来。随着对银河系结构和恒星情况的了解增加，以及动力学上分析和计算工作的进展，灾变说又不得不遇到更多的困难。于是俘获说便抛弃灾变说而又吸收星云说的成分，代灾变说而产生。但是俘获说仍然没有摆脱偶然性因素，也就不得不面临同样的问题。在现代天体物理学发展起来以后，特别是由于恒星演化理论的建立以及解决角动量困难的可能性的出现，星云说又占了主导地位。

人们重新回到了星云说，但是这不是简单的回复，而是在更高水平上的发展。它扬弃了康德一拉普拉斯学说中不合理的成分，吸收了它的正确的东西，而且进行了论证。现代星云说不仅考虑了动力学原理，而且包括了天体中热力学、电磁学、化学等多方面的作用，按照物理定律进行了细致的定性的推导以至定量的计算。它已经不再只是几条简单的设想，而是建筑在现代科学基础上的一个假说。不过，它并不是完备的，争论依然存在，它将在争论中发展。

太阳系起源和演化问题已经研究了数百年，人类在这条道路上的步伐似乎比别的方面艰难得多。可能，这是因为只有一个太阳系可供研究，而人们以前又一直停留在太阳系的一员——地球上来考察它的缘故。现在，空间天文学正在飞跃发展，其他恒星的行星系也在逐渐显露出来。毫无疑问，这会大大加速太阳系演化研究的进程。

知识点：康德

伊曼努尔·康德(Immanuel Kant,1724年4月22日—1804年2月12日)德国哲学家、天文学家、星云说的创立者之一、德国古典哲学的创始人，唯心主义，不可知论者，德国古典美学的奠定者。

康德1740年入哥尼斯贝格大学。从1746年起任家庭教师9年。1755年完成大学学业，取得编外讲师资格，任讲师15年。在此期间康德作为教师和著作家，声望日隆。除讲授物理学和数学外，还讲授逻辑学、形而上学、道德哲学、火器和筑城学、自然地理等。18世纪60年代，这一时期的主要著作有：《关于自然神学和道德的原则的明确性研究》（1764）、《把负数概念引进于哲学中的尝试》（1763）、《上帝存在的论证的唯一可能的根源》（1763）。所著《视灵者的幻梦》（1766）检验了有关精神世界的全部观点。1770年被任命为逻辑和形而上学教授。同年发表《论感觉界和理智界的形式和原则》。从1781年开始，9年内出版了一系列涉及广阔领域的有独创性的伟大著作，短期内带来了一场哲学思想上的革命。如《纯粹理性批判》（1781）、《实践理性批判》（1788）、《判断力批判》（1790）。1793年《纯然理性界限内的宗教》出版后被指控为滥用哲学，歪曲并蔑视基督教的基本教义；于是政府要求康德不得在讲课和著述中再谈论宗教问题。但1797年国王死后，他又在最后一篇重要论文《学院之争》（1798）中重新论及这一问题。《从自然科学最高原理到物理学的过渡》本来可能成为康德哲学的重要补充，但此书未能完成。1804年2月12日病逝。