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        教科書背后的故事

        2020-04-21 13:33:46于鵬翔
        百科探秘·航空航天 2020年3期
        關(guān)鍵詞:云氣星云太陽系

        于鵬翔

        我們今天的話題從一個(gè)簡(jiǎn)單的問題開始:地球是靜止的還是運(yùn)動(dòng)的?如果你喜歡地理或者天文學(xué),相信你一定會(huì)脫口而出:地球必然是運(yùn)動(dòng)的呀,地球有自轉(zhuǎn),還有公轉(zhuǎn)。你可能還會(huì)說:地球自轉(zhuǎn)的中心是地軸,公轉(zhuǎn)的中心是太陽;地球自轉(zhuǎn)一周是一天,公轉(zhuǎn)一周就是一年。甚至你可能還會(huì)說:不只地球會(huì)自轉(zhuǎn),其他行星甚至太陽都會(huì)自轉(zhuǎn);不僅如此,公轉(zhuǎn)的軌道也不是一個(gè)完美的圓圈,而是一個(gè)橢圓。沒錯(cuò),地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)是我們認(rèn)識(shí)這個(gè)世界的基礎(chǔ),自轉(zhuǎn)造成了晝夜的更替,公轉(zhuǎn)造成了四季的循環(huán)。這兩種旋轉(zhuǎn)那么重要,但你有沒有想過這些天體為什么會(huì)自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)呢?

        天體的這兩種運(yùn)動(dòng)可不是一件簡(jiǎn)單的事情,它們的形成與整個(gè)太陽系的形成都有關(guān)系。

        旋轉(zhuǎn)源自太陽系起源

        故事要從遙遠(yuǎn)的46億年前講起。那時(shí)在一片宇宙空間中,沒有地球,沒有太陽,也沒有太陽系,有的只是一大團(tuán)球狀云氣。當(dāng)然,這團(tuán)云可不是天空中那種水汽凝結(jié)而成的云彩。這團(tuán)云氣主要是由宇宙大爆炸產(chǎn)生的氫和氦組成的,而剩下的部分則由死去的恒星拋射在宇宙中的重元素組成,比如鐵、硅等。我們姑且稱這種云氣為太陽星云吧。

        也許是由于太陽星云本身密度不均勻,又或者因?yàn)檫b遠(yuǎn)的地方傳來的一陣超新星爆發(fā)所引起的引力波,在46億年前的某一時(shí)刻,太陽星云中不再平靜,它開始自己運(yùn)動(dòng)起來。就像是平靜的水面原本穩(wěn)定的狀態(tài)被打破,突然泛起漣漪。在引力的作用下,云氣中的物質(zhì)開始相互碰撞、匯聚。它們有的沿著一條線路橫沖直撞,有的則圍繞某一個(gè)中心旋轉(zhuǎn),更多的則是一邊旋轉(zhuǎn)一邊橫沖直撞。

        如果星際物質(zhì)的大小質(zhì)量相等,運(yùn)動(dòng)方向相反,那么碰撞時(shí)它們的能量就會(huì)抵消,物體會(huì)從運(yùn)動(dòng)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)。但是在如此龐大的一團(tuán)太陽星云中,幾乎不存在所有物質(zhì)聚在一起然后能量完全抵消的可能性??倳?huì)有一些“淘氣”的物質(zhì)要么多了一些質(zhì)量,要么多了一些速度。這多出來的一點(diǎn)點(diǎn)就會(huì)打破原本的平衡,使得這團(tuán)云氣開始向某一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。如果你覺得難以理解,可以想象臺(tái)球比賽的情景:一只白球擊中了一堆彩球,于是滿桌的球開始運(yùn)動(dòng)起來,產(chǎn)生了各種方向上的運(yùn)動(dòng),并繼續(xù)碰撞著。只不過桌子給球的摩擦力最終會(huì)使球停下來,而在茫茫宇宙中,幾乎沒有摩擦力,運(yùn)動(dòng)一旦開始就不會(huì)停止。這時(shí)如果從這團(tuán)云氣的上方觀察,你就會(huì)看到整個(gè)太陽星云都在圍繞一個(gè)中心旋轉(zhuǎn),而這個(gè)旋轉(zhuǎn)平面的上下部分物質(zhì)還會(huì)彼此靠近合并。它們自身運(yùn)動(dòng)所攜帶的能量也會(huì)在碰撞中相互抵消,那些抵消不掉的能量就轉(zhuǎn)化為整個(gè)星云旋轉(zhuǎn)的力量。

        在旋轉(zhuǎn)中,太陽星云變得越來越扁,就像廚師旋轉(zhuǎn)一張比薩餅的面皮那樣越轉(zhuǎn)越平。旋轉(zhuǎn)的太陽星云越來越像我們現(xiàn)在見到的太陽系的形狀。與此同時(shí),它的直徑也在物質(zhì)的合并中變得越來越小,直徑減小帶來的直接后果就是太陽星云旋轉(zhuǎn)的速度越來越快。合并使旋轉(zhuǎn)加速,而加速又讓更多的物質(zhì)有機(jī)會(huì)合并。就這樣過了億萬年,這片星云旋轉(zhuǎn)中心的位置聚集的物質(zhì)越來越多,密度越來越大。最終它的核心因?yàn)榫薮蟮膲毫蜆O高的溫度產(chǎn)生了核聚變反應(yīng)。霎時(shí)間,代表了巨大能量的光從中激發(fā)而出,太陽就誕生了。

        在這片星云的不同軌道上,同樣的事情也在不斷發(fā)生,只是因?yàn)樘栃窃浦薪^大部分的物質(zhì)已經(jīng)被太陽占有,所以這些軌道中能形成的其他星體就要小得多,無法發(fā)生核聚變反應(yīng)。但是它們也在努力地合并著周圍的物質(zhì),就像大魚吃小魚,它們周圍的軌道被“吞”得越來越干凈,最終形成了太陽系中的行星、衛(wèi)星、小行星、彗星等。而這當(dāng)中就包括我們的地球。

        發(fā)生了這一切,但太陽星云最初的那個(gè)旋轉(zhuǎn)的力量并沒有消失,而是被保留在了太陽和行星中,形成了行星圍繞太陽的公轉(zhuǎn)以及行星的自轉(zhuǎn)。行星不僅繼承了旋轉(zhuǎn)的力量,也繼承了旋轉(zhuǎn)的方向。所以我們可以見到現(xiàn)在的太陽系中,所有行星都是沿著一個(gè)方向公轉(zhuǎn)的,而且?guī)缀跛行行堑淖赞D(zhuǎn)方向也一致。

        頻發(fā)的宇宙“交通事故”

        不過這個(gè)關(guān)于旋轉(zhuǎn)的故事講到現(xiàn)在還沒有結(jié)束。如果太陽系一直在平靜地旋轉(zhuǎn),那么照理說所有行星不但自轉(zhuǎn)方向一致,而且自轉(zhuǎn)的角度也應(yīng)該一樣,就像旋轉(zhuǎn)木馬,每一匹木馬都有一個(gè)與旋轉(zhuǎn)中心平行的軸。但是真實(shí)的太陽系并不是如此統(tǒng)一的。在太陽系形成的早期,時(shí)不時(shí)就會(huì)有一些不安分的“小家伙”闖入大行星的軌道,于是一場(chǎng)場(chǎng)宇宙間的“交通事故”就不可避免地發(fā)生了。

        拿地球來說,在它剛形成不久時(shí),一顆名叫忒伊亞的小行星就闖入了地球軌道,并與地球發(fā)生了一次“親密接觸”。這次碰撞的力量極為驚人,已經(jīng)不能用天崩地裂來形容了,剛剛形成的地球甚至因?yàn)檫@次撞擊差點(diǎn)兒“粉身碎骨”。這次撞擊的一個(gè)直接后果就是地球被撞歪了,使地球的自轉(zhuǎn)面與公轉(zhuǎn)面形成了23.5°的夾角。

        地球如此,其他行星自然也無法避免類似的撞擊:天王星被撞得躺倒,它的自轉(zhuǎn)方向與公轉(zhuǎn)方向大約呈90°。而金星更是被撞得翻了個(gè)跟頭,它的自轉(zhuǎn)方向和公轉(zhuǎn)方向幾乎相反。再加上其他天體自身和相互的復(fù)雜作用,比如天體之間的潮汐作用、星體自身的自轉(zhuǎn)軸進(jìn)動(dòng)等,天體們便形成了各自不同的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)形態(tài)。

        不簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)

        這個(gè)跨越46億年有關(guān)旋轉(zhuǎn)的故事到這里就要結(jié)束了。但是你可能已經(jīng)想到一個(gè)關(guān)鍵問題:人類并沒有能力穿越到46億年前去觀察太陽系的形成,那我們憑什么說地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)都是繼承于太陽系形成時(shí)產(chǎn)生的能量呢?

        其實(shí),地球旋轉(zhuǎn)的原因遠(yuǎn)比我講的復(fù)雜得多。這個(gè)看似屬于地理學(xué)或天文學(xué)的問題中充滿了物理學(xué)、化學(xué)等知識(shí)。比如說我們提到的太陽星云的成分就屬于化學(xué)知識(shí),而旋轉(zhuǎn)的力量屬于物理知識(shí),證明地球與月球的起源還需要地質(zhì)學(xué)知識(shí),而通過觀察而研究太陽系的形成又需要天文觀測(cè)的知識(shí)。甚至關(guān)于太陽系的形成、地球遭受撞擊等問題,科學(xué)家們還有很多不同的解釋。我們講的這些知識(shí)只是目前科學(xué)界認(rèn)可最廣泛的科學(xué)解釋,而非確鑿定論。

        科學(xué)就是這樣,總是從假說走向真理,但在追尋真理的過程中,我們還要不斷去推翻、重建。希望大家也能帶著這個(gè)問題不斷地思考、探索,在未來的某一天給出自己的答案。

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