(一)太陽系與地球起源假說

1. 星云說

要了解太陽的起源，就必須了解地球的起源，因為地球和太陽的起源是分不開的。歷史上第一個科學(xué)地解釋地球和太陽系起源問題的是康德和拉普拉斯兩位著名學(xué)者。康德是德國哲學(xué)家，拉普拉斯是法國的一位數(shù)學(xué)家，他們認為太陽系是由一個龐大的旋轉(zhuǎn)著的原始星云形成的(圖1-4)。原始星云是由氣體和固體微粒組成，它在自身引力作用下不斷收縮。星云體中的大部分物質(zhì)聚集成質(zhì)量很大的原始太陽。與此同時，環(huán)繞在原始太陽周圍的稀疏物質(zhì)微粒旋轉(zhuǎn)加快，便向原始太陽的赤道面集中，密度逐漸增大，在物質(zhì)微粒間相互碰撞和吸引的作用下漸漸形成團塊，大團塊再吸引小團塊就形成了行星。行星周圍的物質(zhì)按同樣的過程形成了衛(wèi)星。這就是康德-拉普拉斯星云說。

圖1-3 恒量的演化

圖1-4 拉普拉斯星云說示意圖

康德-拉普拉斯的星云說都解釋了太陽系天體運動中同向性、共面性和近圓性的主要特點，但是在細節(jié)上卻略有不同。比如兩者對于行星轉(zhuǎn)化動力的不同解釋導(dǎo)致康德認為太陽系形成是微粒先分別聚集成團塊再形成行星，而拉普拉斯解釋為氣體云分離成環(huán)再聚集成行星。

星云說認為地球不是上帝創(chuàng)造的，也不是在某種巧合或偶然中產(chǎn)生的，而是自然界矛盾發(fā)展的必然結(jié)果。從唯物主義觀點出發(fā)，就物質(zhì)的運動去說明天體的演化，星云假說起了很大的作用。恩格斯曾贊揚康德的“星云說”，指出“康德關(guān)于目前所有的天體都從旋轉(zhuǎn)的星云團產(chǎn)生的學(xué)說，是從哥白尼以來天文學(xué)取得的最大進步。認為自然界在時間上沒有任何歷史的觀念，第一次被動搖了?！比欢?，由于歷史條件的限制，這個星云說也存在一些問題，但它認為整個太陽系包括太陽本身在內(nèi)，是由同一個星云主要是通過萬有引力作用而逐漸形成的這個根本論點，在今天看來仍然是正確的。關(guān)于地球和太陽系起源還有許多假說，如碰撞說、潮汐說、大爆炸宇宙說等。

2. 災(zāi)變說與俘獲說

按照拉普拉斯的星云說，太陽的自轉(zhuǎn)應(yīng)該很快，但是后來的實際觀測才知道，太陽本身的轉(zhuǎn)動很慢，自轉(zhuǎn)一周要25～30天。那么一定有一種原因使行星的公轉(zhuǎn)運動加快，或者是太陽的轉(zhuǎn)動從原來的情況下變慢。這是星云說沒有解決的問題。于是產(chǎn)生了借外力來解釋這種原因的假設(shè)，其中以20世紀(jì)英國天文學(xué)家秦斯的潮汐說為代表。秦斯認為，太陽形成以后，在二十萬萬年前有另外一個巨大的恒星非?？拷芈舆^太陽，使得太陽產(chǎn)生了意外的災(zāi)變而形成了太陽系。因為這顆外來恒星的引力作用，對太陽產(chǎn)生了起潮力，從太陽上牽引出一條條紡錘形的物質(zhì)。這些細長的紡錘形的物質(zhì)順著恒星離去的方向繞太陽轉(zhuǎn)動，并逐漸冷卻而形成行星。行星的角動量是從另外恒星上獲得的，所以可具有比太陽更大的角動量。這就是秦斯的潮汐說，又稱“災(zāi)變說”。

蘇聯(lián)施密特提出了太陽系起源的俘獲說。他認為六七十億年前，太陽在銀河系旋轉(zhuǎn)運動中穿過濃厚的星際物質(zhì)，由于太陽本身的引力作用，吸引了一大批星際物質(zhì)。星際物質(zhì)中的質(zhì)點，原先在各自的軌道上環(huán)繞太陽旋轉(zhuǎn)，其軌道偏心率和傾角是多種多樣的，質(zhì)點彼此碰撞，逐漸減緩速度。由于速度減小，圍繞著太陽的球狀塵埃集團逐漸變成扁平的圓盤。當(dāng)這個圓盤十分扁平，達到一定密度的時候，就開始分裂成各個濃團。這就是行星的胚胎。小的濃團被大的吸引合并，經(jīng)過多次反復(fù)的過程，形成了行星。俘獲說解釋行星的軌道近似正圓，是由于質(zhì)點各自橢圓軌道平均化的結(jié)果。這些質(zhì)點原先是大體上在同一方向上運行的，但個別質(zhì)點是逆行，它們是形成逆行衛(wèi)星的材料，又因為扁平氣體塵埃云聚集在赤道平面上，因此各行星凝聚體差不多同在這一平面之內(nèi)。大行星是由較多質(zhì)點集聚而成的，從而獲得較大的動量矩，結(jié)果轉(zhuǎn)動加快，因此不同大小的行星各有其自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)的速度。

以上兩種假說都試圖用外來因素來解釋太陽系角動量的特殊分布問題，但事實上都未能解釋這一問題，潮汐說中，被拉出來的物質(zhì)，能獲得的角動量是非常小的，此外在太陽表面，5500℃高溫下，被拉出的一股物質(zhì)會立即擴散在茫茫天空中，不可能凝聚成行星。俘獲說認為構(gòu)成行星的物質(zhì)是太陽從外面俘獲來的，這就無法說明太陽和行星在組成成分之間的聯(lián)系，以及太陽和地球年齡相近的事實。這兩種假說的最大問題，還在于它們是建立在偶然的機遇上。在廣闊的宇宙空間，兩顆恒星相遇的機會是極為罕見的，要6×1017年才可能發(fā)生一次。根據(jù)計算，太陽從星際物質(zhì)中俘獲物質(zhì)的概率是極其微小的。星際物質(zhì)中的質(zhì)點速度過大，不可能被太陽俘獲，而速度過小就會像隕星一樣落到太陽里去。

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)像太陽系這樣的行星系統(tǒng)是普遍存在的。在太陽系的近鄰曾先后發(fā)現(xiàn)20個行星系統(tǒng)，其中離太陽較近的100個恒星中，有行星的就有6個。例如距太陽5.9光年的巴納德星，就有兩個暗伴星，它們的質(zhì)量和木星屬于同一數(shù)量級，顯然是巴納德的行星。又如天鵝座61B星也有一個不發(fā)光的暗星，質(zhì)量等于木星的16倍。離我們最近的比鄰星(南門二的伴星)在它旁邊也有一個質(zhì)量為木星兩倍的暗星，據(jù)估計，在銀河系就有10億個和太陽系相似的行星系統(tǒng)。既然行星系統(tǒng)是普遍存在的，那么，任何關(guān)于太陽系的起源學(xué)說，如果建立在偶然的機遇上是不能令人信服的。所以這兩種假說盡管在當(dāng)時曾引起人們的重視，但不久都先后冷落下去了。

3. 新星云說

自20世紀(jì)50年代以來，這些假說受到越來越多的人的質(zhì)疑，星云說又躍居統(tǒng)治地位。國內(nèi)外的許多天文學(xué)家對地球和太陽系的起源不僅進行了一般理論上的定性分析，還定量地、較詳細地論述了行星的形成過程，他們都認為地球和太陽系的起源是原始星云演化的結(jié)果。我國著名的天文學(xué)家戴文賽認為，在50億年之前，宇宙中有一個比太陽大幾倍的大星云。這個大星云一方面在萬有引力作用下逐漸收縮，另外在星云內(nèi)部出現(xiàn)許多湍渦流。于是大星云逐漸碎裂為許多小星云，其中之一就是太陽系前身，稱之為“原始星云”，也叫“太陽星云”。由于原始星云是在渦流中形成的，因此它一開始就不停地旋轉(zhuǎn)。原始星云在萬有引力作用下繼續(xù)收縮，同時旋轉(zhuǎn)加快，形狀變得越來越扁，逐漸在赤道面上形成一個“星云盤”。組成星云盤的物質(zhì)可分為“土物質(zhì)”“水物質(zhì)”“氣物質(zhì)”。這些物質(zhì)在萬有引力作用下，又不斷收縮和聚集，形成許多星子。星子又不斷吸積、吞并，中心部分形成原始太陽，在原始太陽周圍形成了行星胎。原始太陽和行星胎進一步演化，形成太陽和八大行星，進而形成整個太陽系。我們居住的地球，就是八大行星之一，這就是現(xiàn)代星云說(圖1-5)。今天，通過天文觀測以及星際地宇宙航行，特別是射電天文望遠鏡的日趨完善，人們對地球和太陽系起源的認識已經(jīng)達到了相當(dāng)深的程度，但是這種認識還很不完善，仍然存在著許多疑點和問題，有待我們進一步去探測和研究。

圖1-5 現(xiàn)代星云說演化圖(據(jù)舒良樹《普通地質(zhì)學(xué)》，2010)

1．旋轉(zhuǎn)的星云，由氣體和塵埃所構(gòu)成;2．星云內(nèi)的物質(zhì)彼此吸引而收縮，由于角動量守恒，旋轉(zhuǎn)開始加快;3．旋轉(zhuǎn)的快速足以使垂直于旋轉(zhuǎn)軸的收縮減緩，結(jié)果形成一個盤即一個致密的物質(zhì)團，它將最終成為太陽;4．當(dāng)旋轉(zhuǎn)阻止了盤進一步塌縮時，它崩裂成更小的團塊，而部分角動量則為團塊的軌道運動所獲得，然后團塊可能收縮;5．物質(zhì)團塊聚集起來，形成了行星，這時太陽開始輻射，并產(chǎn)生了巨大的太陽風(fēng)(一種稠密的粒子流);6．太陽風(fēng)清除了太陽系的殘留物

(二)太陽系的運動規(guī)律

太陽也是距地球最近的一顆能夠自身發(fā)光、發(fā)熱的恒星。對地球上的人類來說，它是最重要的天體。我們對太陽的研究，主要是為了探明它對地球的影響。研究太陽的演化規(guī)律，將有助于我們認識和了解宇宙天體中其他恒星的一般特征。

1. 太陽系的構(gòu)成

太陽系是由太陽、行星及其衛(wèi)星、小行星、彗星、流星體和行星際物質(zhì)構(gòu)成的天體系統(tǒng)。在太陽系中，太陽是太陽系的中心天體。其他天體都在太陽的引力作用下繞太陽公轉(zhuǎn)(圖1-6)。國際天文學(xué)聯(lián)合會于2006年8月24日通過了新的行星的定義，原來太陽系九大行星中的冥王星降級，地球為太陽系中八大行星之一。

圖1-6 太陽系的構(gòu)成

依照至太陽的距離，行星依序是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星，8顆行星中的6顆行星有天然的衛(wèi)星環(huán)繞著。在英文的天文術(shù)語中，因為地球的衛(wèi)星被稱為“月球”，這些衛(wèi)星在英語中習(xí)慣上亦被稱為“月球”(moon)，在中文里面用“衛(wèi)星”一詞更為常見(圖1-7)。

圖1-7 太陽系的八大行星

2. 太陽系行星的運轉(zhuǎn)規(guī)律

太陽的自轉(zhuǎn)，大多數(shù)行星的自轉(zhuǎn)，行星繞太陽公轉(zhuǎn)，大多數(shù)衛(wèi)星公轉(zhuǎn)都是同一方向，從北天空看起來是逆時針方向的。這一特點稱為“行星的同向性”。但也有一些例外，如金星和天王星的自轉(zhuǎn)方向，以及衛(wèi)星中木衛(wèi)(木星的衛(wèi)星)八、九、十一、十二和土衛(wèi)(土星的衛(wèi)星)九以及天王星、海王星的衛(wèi)星公轉(zhuǎn)方向，都是順時針方向的。行星公轉(zhuǎn)軌道幾乎都在同一平面上，與太陽赤道的交角為7°左右，而且軌道偏心率都很小，接近正圓。這就是行星軌道的共面性與近圓性。

3. 太陽系行星的相互關(guān)系

行星和太陽的平均距離具有一定的規(guī)律性，稱“波德定律”。即離太陽越遠，兩個行星的軌道相隔越遠。行星在質(zhì)量和大小方面都是中間大、兩頭小。類木行星有木星、土星、天王星和海王星。木星的質(zhì)量等于其他8個行星質(zhì)量總和的兩倍半，木星和土星的質(zhì)量總和等于其他7個行星質(zhì)量的12倍。但在密度分布上，靠近太陽幾個類地行星包括水星、金星、地球和火星的密度，在4～5g/cm3之間。遠離太陽的巨行星和遠日行星，密度較小，在0.7～1.6g/cm3之間。

(三)太陽光譜與能量傳遞

1. 熱核反應(yīng)與太陽能

遠在人類出現(xiàn)前幾十億年，太陽給予地球的光和熱同現(xiàn)在差不多，即太陽的溫度在一個很長的時期中幾乎是固定的。既然太陽不斷地消耗這么巨大的熱量，它就應(yīng)當(dāng)很快地冷卻下來。然而事實并非如此。那么，太陽由于輻射而消耗的能量，必定有某種能源不斷地進行補充。為了尋求這種能源，19世紀(jì)的物理學(xué)家試遍了所有已知的能源，但不論是化學(xué)反應(yīng)(燃燒)，還是隕星降落到太陽上、太陽的收縮等，都不能解釋這一事實，因為它們只能維持較短時期的熱消耗。

20世紀(jì)，隨著原子核物理學(xué)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了化學(xué)元素的聚變。已經(jīng)確切知道:一些較重的化學(xué)元素的原子核可以從較輕、較簡單的一些原子核聚變而成。組成太陽的物質(zhì)，大約3/4為氫元素。而太陽中心溫度高達1.5×107℃，氫原子在這樣高溫的條件下，失去核外電子，剩下的原子核叫“質(zhì)子”。又由于高溫，質(zhì)子以極大速度運動，質(zhì)子與質(zhì)子之間就會克服靜電斥力，產(chǎn)生猛烈的碰撞。在碰撞過程中，4個質(zhì)子結(jié)合成為1個原子核即氦核，從而釋放出巨大的能量。

4個氫核聚變成1個氦核的反應(yīng)要在幾百萬攝氏度的高溫下才會產(chǎn)生，故稱之為“熱核反應(yīng)”。太陽可以說是一所巨大的原子能工廠，不斷地輻射出由于核聚變而產(chǎn)生的原子能。這種能量產(chǎn)生的原理和現(xiàn)代人類已掌握的氫彈爆炸一樣，只不過規(guī)模大得多罷了。事實上氫彈的制成，就是從太陽和恒星的能量輻射得到啟發(fā)的。

在熱核反應(yīng)中，會發(fā)生質(zhì)量和能量的轉(zhuǎn)化。愛因斯坦在狹義相對論中指出，質(zhì)量和能量是一個事物的兩個方面，可以互相轉(zhuǎn)化。很少一點質(zhì)量就可以轉(zhuǎn)化為巨大的能量，它們之間的關(guān)系公式如下:

E=mc2

式中，E表示能量，單位為焦耳(J);m表示質(zhì)量，以克(g)為單位;c表示真空中的光速，約為3×1010cm/s。

氫核的質(zhì)量m H=1.0079m0(m0是原子質(zhì)量單位，國際上取碳原子的1/12為標(biāo)準(zhǔn))。氦核的質(zhì)量m He=4.0026m0。當(dāng)4個氫核聚合成1個氦核時質(zhì)量的虧損為△m，即:

△m=(4×1.0079－4.0026)m0=0.029m0

現(xiàn)在計算1克氫聚變?yōu)楹r，其質(zhì)量的虧損，以X表示，即:

4×1.0079∶ 1=0.029∶ X

解得:X=0.0072g

于是，求出其相應(yīng)的能量為:

E=0.0072×(3×1010)2=6.3×1011J

故1g氫聚變?yōu)楹た僧a(chǎn)生約1.5×1011cal(1cal=4.18J)的熱能。這一數(shù)值相當(dāng)于燃燒15t石油，或2700t煤所發(fā)出的熱能。因太陽每秒鐘向宇宙空間輻射的能量為38.91×1025J，這個數(shù)值除以6.3×1011J，再乘以0.0072g，即得400多萬噸。也就是說太陽每秒鐘要虧損400多萬噸的質(zhì)量。然而這對太陽的巨大質(zhì)量來說是微不足道的。太陽已存在50億年，假定在這一段時間內(nèi)，它一直以目前的輻射率放出能量，那么它只不過消耗了全部質(zhì)量的0.03%而已。由于太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)所產(chǎn)生的能量，以太陽光和熱的形式傳送給太陽系中的各個天體，因此作為太陽系行星天體的地球，自然也是太陽光能與熱能的受益者。其中，地球白晝是因其在自轉(zhuǎn)時，面對太陽的部分，接受太陽光的照射所致。當(dāng)然，太陽輻照在地球表面的光線不僅僅是可見光，還包括了一系列不可見的光，如紫外線、X射線、β射線、γ射線等。

2. 太陽光的形成與光譜

太陽的中心溫度最高，所以發(fā)生熱核反應(yīng)的產(chǎn)能區(qū)在太陽中心。太陽能的輸送，除了光球下有一薄層是靠對流作用外，主要是輻射作用。熱核反應(yīng)產(chǎn)生的能量主要是γ射線(波長短于10－8cm)。射線的量子能非常強，是可見光量子能的幾百萬倍。γ射線經(jīng)過廣大的輻射區(qū)就和大量的原子(主要是氫原子)碰撞，有時使原子核分裂，更多的情況是使繞著原子核旋轉(zhuǎn)的電子在自己不同能級的軌道上振蕩起來。這樣，γ射線就會軟化，形成一些波長較長、能量較小的X光、紫外線、可見光和紅外線(熱線)以及波長更長的射電波(圖1-8)。從射線到射電波皆屬電磁波。從波峰到波峰或從波谷到波谷的距離稱“波長”。太陽的電磁波波長范圍很廣，肉眼能看得見的光僅是電磁波中極窄小的一部分。可見光的波長范圍為0.4～0.8μm(1μm=10－6m)。

圖1-8 太陽電磁波(單位:m)

太陽輻射能量的分布，在可見光部分占48%;波長比紫光短的紫外區(qū)占7%;波長比紅光長的紅外區(qū)占45%。太陽的可見光通過棱鏡就會呈現(xiàn)一條紅、橙、黃、綠、藍、紫的光帶。這是因為可見光是由多色光所組成的。由于各種光的折射率不同，因此一束陽光通過棱鏡后就形成了一條彩色的光帶。雨過天晴，天空的彩虹就是因為大氣中的水滴起了相當(dāng)于棱鏡的作用造成的。

1859年德國化學(xué)家本生和物理學(xué)家基爾霍夫研制出第一臺光譜儀。從此人們可以通過對天體光譜的分析來研究它們的化學(xué)成分。新的科學(xué)方法所獲得的巨大成就，是一百年前所夢想不到的。它不僅使人們了解了天體的化學(xué)成分，還可藉它測出天體的溫度。圖1-9為太陽光通過棱鏡被分解成從紅至紫的七色光帶度、運動速度和磁場強度等。