"第三章 太陽系與行星
太陽系和行星地球形成于大約 50 億年前，那時距離 宇宙的誕生已經(jīng)有90億年了。人類探索太陽系和地球年齡的故事，就像我們挖掘宇宙年齡的故事一樣，色彩斑斕，議論紛錯。科學(xué)界給出的地球年齡，完全不符合宗教信條。然而，這個故事中為著名、爭議的論戰(zhàn)，卻并非發(fā)生在科學(xué)與宗教之間，而是科學(xué)與科學(xué)之間。
英國物理學(xué)家威廉·湯姆森(即開爾文男爵，我們上 次見到他是在章)在 19世紀時做了個估算 :如果地球初是一種熾熱的熔融狀態(tài)，隨后作為一個均一固態(tài)球體突然暴露在(宇宙空間或者大氣或者海洋或者隨便什么的)冰冷環(huán)境下開始冷卻，那么要到達今天這個散發(fā)熱量程度的狀態(tài)需要經(jīng)過大概 2000 萬年。開爾文的地球很“年輕”，是因為絕大部分由巖石組成的固態(tài)球體可沒那么容易冷卻，所以要解釋地球現(xiàn)在這么高的熱量損失速率，它必定是(就地質(zhì)學(xué)角度而言)相當晚近才開始冷卻。開 爾文還如法炮制估算了太陽的年齡，來確證自己的計算。他已經(jīng)知道，太陽只有在自身引力作用下坍縮時才會溫 度升高(事實上在氫聚變還沒起作用之前確實是這樣)， 考慮到太陽當下的尺寸和亮度，它的年齡同樣也是大概 2000 萬歲。這當然比烏雪大主教引經(jīng)據(jù)典得出的 6000 歲 的地球要老得多，但地質(zhì)學(xué)家和演化生物學(xué)家認為這個年紀還是太小。
根據(jù)地質(zhì)學(xué)家(也包括查爾斯·達爾文)估計，至少得上億年的時間，才可能形成山脈和峽谷中明顯的沉積層， 尤其考慮到河流及洪水的沉積速率如此緩慢。生物學(xué)家的估算也差不多，因為這樣才能解釋生物的多樣性以及為什么慢吞吞的生物變異卻已積累起了非常豐富的化石記錄。但開爾文男爵(在當時可是一位名滿天下的學(xué)者)把這僅 僅視作定性上的爭論，不可能挑戰(zhàn)他經(jīng)過雙重物理計算的縝密答案。數(shù)十年時間，物理學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家之間唇槍舌劍甚至出言不遜，終結(jié)果卻是，他們?nèi)煎e了。
放射性元素的核衰變發(fā)現(xiàn)，終為地球年齡之爭劃上了句點。亨利·貝可勒爾(Henri Becquerel)以及居里夫婦在 19 世紀末發(fā)現(xiàn)了放射性現(xiàn)象，并因此分享了諾貝爾獎。他們的成果表明，某些特定元素的原子較大，并不穩(wěn)定，會通過從原子核中放射出粒子的方式自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)閯e的 元素，比如鈾就是這樣。很多放射性元素天然存在于巖石 中，因此人們推測，地球內(nèi)部應(yīng)該充滿了放射性。放射性 元素衰變期間劇烈的粒子放射會釋放熱量，可能就是這股熱量讓地球即使已經(jīng)過了數(shù)十億年的冷卻，仍然保有今天 的溫度。不過，由歐內(nèi)斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford) 發(fā)端的這一理論，今天看來并不那么站得住腳，因為和一開始想的不同，地球上的放射性元素可能沒有那么高的濃度，而且放射性對開爾文的靜態(tài)地球模型的影響也微乎其微。約翰·佩里(John Perry)和奧斯蒙德·費希爾(Osmond Fischer)在論戰(zhàn)中提出了另一個理論，認為地球內(nèi)部的液體對流，就是指熱的物質(zhì)上升而冷的下沉(第四章會詳述)， 可以駁倒開爾文的模型。具體來說就是，通過不斷把地球內(nèi)部的高溫物質(zhì)運送到表面，對流可以維持地球熱量的快速損失達數(shù)十億年之久 ;而開爾文的靜態(tài)地球模型要解釋 這一熱量損失速率，就只能允許由“近”開始的熱傳導(dǎo)來冷卻地表附近的物質(zhì)。此外，20 世紀 20年代和 30年代發(fā)現(xiàn)的熱核聚變終于讓人們認識到，發(fā)動太陽的不是引力坍縮，而是氫聚變(還記得第二章內(nèi)容嗎)，它也已經(jīng)讓太陽燃燒了數(shù)十億年。
直到 20 世紀早期至中期，人們對巖石和隕石進行放射性測年，據(jù)此精確測算出地球和太陽系年齡，才使這一爭議真正平息。放射性元素衰變時，會將原子從初始的父放射核素(比如鈾)終轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的子體核素(比如鉛)。 所以一個樣品中父放射核素與子體核素的數(shù)量之比可以用來確定礦物年齡—相對于父放射核素，子體核素的數(shù)量越多，樣品就越老。知道了相對數(shù)量，再知道衰變速率(也 就是放射性半衰期)就能計算出相當精確的元素年齡。這個辦法一錘定音，解決了地球與太陽系年齡的問題，答案是46 億年左右。不過，地球上不存在那么老的巖石，古老的巖石存在于隕石中，絕大部分都是巖石的碎片，從小行星帶落到了地球。
近 50 億年前，在一團巨大塵云的坍縮中，我們的太陽系誕生了。這場坍縮可能是由一次超新星爆發(fā)的沖擊波而觸發(fā)的，隕石中可以找到證據(jù):一些隕石里的細小鉆石內(nèi)含有鐵的更重同位素，而這些同位素只有在超新星爆發(fā)中才能形成。要能形成一顆像太陽這樣的恒星，這類星云在開始坍縮時的尺寸通常是直徑 1到 3光年左右，已經(jīng)是太陽系直徑的許多倍。要形成質(zhì)量大得多的恒星，那星云直徑恐怕得有數(shù)十光年。然而對于我們直徑 10 萬光年的銀河系來說，這個尺寸也就是滄海一粟而已。在這樣的星云里，也只有叫作星云核的一小部分，終變成了像我們這樣的太陽系。在成功坍縮為太陽系的過程中，星云核 的絕大部分質(zhì)量跌落到中心變成太陽(正如上一章所述)， 余下的質(zhì)量只是九牛一毛，接近太陽質(zhì)量的 0.1% 左右， 變成了太陽系的行星。
所有的大行星都在一個圓盤上繞太陽轉(zhuǎn)動，這個圓盤叫作黃道面。圓盤狀太陽系的形成，是由星云的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致 的。一開始，星云的旋轉(zhuǎn)十分緩慢，之后隨著坍縮的進程，旋轉(zhuǎn)會變得越來越快，就像滑冰的人在旋轉(zhuǎn)中把外展的手臂收回時，旋轉(zhuǎn)也會加快一樣。星云越轉(zhuǎn)越快，離心力效應(yīng)(把物體從旋轉(zhuǎn)軸向外甩出去的效應(yīng))就會排斥垂直于旋轉(zhuǎn)軸線方向的坍縮。但平行于旋轉(zhuǎn)軸線的坍縮就不是這樣，星云可以相當自由地在這個方向上跌落。結(jié)果就是，星云一側(cè)向內(nèi)坍縮，從而使得星云扁得像一張煎餅一樣。絕大多數(shù)星云氣體形成了中心的太陽，而剩下的圍繞太陽 轉(zhuǎn)動的極小部分氣體形成了太陽系的行星。
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