行星也混沌

行星也混沌

太阳系中不光是卫星有混沌现象，行星也有。我们看一下最大的一颗即木星的表现。

太阳系九大行星中，从万有引力的角度看，影响较大的是木星、金星、土星和地球这四兄弟，而老大木星更为突出。百多年前，人们就注意到木星对太阳的影响。比如，木星的公转周期为11．862年，而太阳黑子活动的周期大致11．1年，这绝非偶然的巧合。我国古代用它的公转周期12年来纪年，所以木星又叫作岁星或太岁，是不能对它不敬的。

木星上有个巨大的红斑，是伽利略第一次用他的望远镜对准木星之后不久就发现的。它呈旋涡式卵圆形，像是一颗愤怒的眼珠。这是太阳系中一个古老的标志，早就有人对它提出过各色各样的猜测性理论解释。有的说这是个熔岩湖，由某个火山流出的;有的说这是颗从木星表面正在分离出的卫星;有的说这是木星大气层里漂浮着的某个实体或是氦气泡;有的说这是火山口上气柱的顶端。1978年“旅行者2”号飞船走近它，拍下了许多照片，供人们研究(见图4－10)。

图4－10　木星大红斑

从照片上看，这个大红斑是一个旋流系统，像是地球上的飓风，但又与飓风不同:飓风以旋风的方向旋转，在赤道以上应顺时针方向，在赤道以下应逆时针方向，而且几天就会平息下来。然而，红斑以反旋风方向旋转，且长期存在而不平息。照片上还显示出，木星不是人们传统上认为的那样，是薄层大气包围的固态球，实际上是运动的流体球，里边即便有固态核也是离表面很远。原来木星是一个巨大的太空流体力学实验室!照片上还能看到大红斑内的小旋涡，它们一天左右即消失，而后又出现新的，但大红斑永远存在。

20世纪80年代初期，美国康涅尔大学的年轻天文学家马尔卡斯(P．S．Marcus)研究了照片之后认为，红斑更像地球上墨西哥湾的暖洋流:这是宽度约80千米，由墨西哥湾向东流动，较慢的能长期维持的、方向与飓风方向相反的涡流。其行为与大红斑相类似。这种涡流是一种湍流。因为木星旋转很快，它的一天相当于地球上的10小时。这种自转产生了一种力，叫做科利奥莱(Coriolis)力，它正比于物体运动的速率，垂直于运动方向。正是这种力驱动了红斑的旋动。马尔卡斯用流体力学方程在计算机上模拟木星的气候，并绘制彩色图像，奇迹出现了:彩图竟与宇航照片上木星大红斑的表现极其一样，开始是一些交替出现的不同颜色的小旋涡，后来汇成一个卵圆形，安祥地处于许多小旋涡流之中。这就是说，大红斑是一个自组织系统，有内部结构，是沸腾的湍流，是个稳定的混沌态。

据拉斯卡(J．Laskar)1989年报告，对太阳系轨道运动的数值计算显示，内行星(包括地球)都有混沌行为。但一般在四五百万年内还会是规则的、稳定的，不必担心它们的行为。

另外，太阳系还有数万颗小行星，他们最大的叫谷神星，直径大约1025千米，最小的比巨石大不了多少^[7]。它们大多数(大约97%)都在火星与木星的轨道之间环行，但并不是均匀地散布在火星与木星之间，在木星轨道周期与小行星轨道周期之比为2:1、3:1、4:1、5:2、7:2等共振处形成空隙，无小行星存在，见图4－11。计算机计算结果表明，与木星成3:1共振处环行的小行星，轨道极不规则地改变，因此跨越火星轨道的机会增多，然后受到火星严重扰动，被抛向完全不同的轨道。其中有些就成了地球上的流星，并给地球留下大陨石坑。共振处轨道无规则的剧烈改变，是一种混沌行为，这是太阳系中又一个混沌表现。

图4－11　小行星的分布

太阳系中还有些什么样的混沌现象?人们在思考，在寻找。地球磁场的极性会发生时间间隔不规则的颠倒，在最近400万年间至少发生过16次，有人说是一种混沌现象，并试图找出定量解释。还有短周期彗星的起源是不是也与混沌有关?现在看来，太阳系中的混沌还真不少，几乎是处处可见。

太阳系之外呢?法国天文学家恩龙(Henon，也译埃农)1960年在博士论文中曾经研究过星球聚集的球状束问题，认为球状束的核心将发生崩塌。1962年又开始用计算机模拟恒星围绕银河系中心的轨道。在20亿年的时间尺度下，先发现银河系中恒星轨道有三维特征，不是完全的平面椭圆，不过是周期性的，可以预测;但是当系统的总能量增高时，一些轨道变得非常不稳定。在庞加莱截面上，前者对应一些复杂的曲线环“岛屿”，后者对应于一些无规散布的点。1976年听到有关洛伦兹奇怪吸引子的讲演后，他又画出了自己的吸引子。种种迹象都说明，银河系这样的星球聚集系统也存在混沌!

总之，天体的混沌行为是多种多样的，也很普遍。对于轨道不规则变化的混沌天体，它的行为和去向不可预测，也说不定有冲向地球的可能。真要是这样的话，那不就是杞人所担忧的天坠吗?所幸的是，地球体积与浩瀚的宇宙范围相比小得太可怜了，即使有的天体轨道出现不规则乱蹦，碰上地球的机会也是小得难以数计，所以不必害怕到不思寝食的地步。

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寄语:

仰望苍穹混沌多，杞人忧天不为过，

明晰天理心坦然，灿烂岁月莫蹉跎。

【注释】

[1]级数无究多项的和稳定地趋向于唯一的值叫做是收敛的，否则是发散的。收敛的解才有意义。

[2]奥斯卡二世，1872—1907年在位瑞士国王，1872—1905年兼挪威国王。

[3]伊恩·斯图尔特:《上帝掷骰子吗——混沌之数字》，第四章。

[4]彭加勒著:《科学的价值》(李醒民译)，光明日报社，389页。

[5]伊恩·斯图尔特:《上帝掷骰子吗——混沌之数学》，59页。

[6]庞加莱:《天体力学新方法》，第三卷。

[7]1989年3月31日两个美国人发现了一颗直径大约220米的小行星，距离地球最近处只有69万千米，能否对地球构成威胁，曾引起一阵骚动。