│第3章│
太阳系演化假说

达尔文的地球演化论

在詹姆斯·库克踏上塔希提岛观察金星凌日的66年后，这座岛迎来了它的第二批科学观光团，此次航行也被载入史册。“著名的金星观测点上挤满了前来迎接我们的岛民，有男有女，有老有少，脸上全都洋溢着欢乐的笑容。”查尔斯·达尔文（Charles Darwin）这样描写他们在1835年抵达塔希提岛时的情景。

4年前，22岁的达尔文被任命为“贝格尔号”随船博物学家，该船是英国皇家海军的一艘科学考察舰。在长达5年的环球航行中，达尔文详细勘察了火地岛、加拉帕戈斯群岛、塔希提岛等奇特之地的野生动植物情况，并采集了样本，后来以此为基础写出了《论依据自然选择或在生存斗争中适者生存的物种起源》（简称《物种起源》），这部科学史上的旷世杰作在1859年出版面世。

该著作的中心论点是，所有生物都有共同的祖先。他认为，每个生物体在继承了父母某些特征的同时又发生了突变。能更好适应周围环境的后代将存活下来，反之则被淘汰。今天我们把这种对自然选择的适应称为“进化”或“演化”（evolution），奇怪的是，达尔文本人却很少使用这个词。

达尔文指出，新物种的出现和旧物种的灭亡都属于自然规律，而非出自神明之手。作为一名德高望重的地质学家和自然主义者，他还指出，地球也会经历各种自然过程而产生潜移默化的变化。达尔文并非第一个主张生物会随时间发生演化的人。他的祖父伊拉斯谟·达尔文（Erasmus Darwin）就曾提出过这一观点，博物学家阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士（Alfred Russel Wallace）也曾独立提出进化论，只不过达尔文的著作影响更广。达尔文的书为我们开辟了一条全新的思路：世界以及世界上的生物并非一成不变，而是在缓慢变化着的。然而对许多人来说，如何使这些进化论思想和《圣经·旧约》里说的上帝创世和大洪水自洽相容，这才是最令人头疼的地方。

1650年出版的《詹姆斯·厄谢尔世界年鉴》是当时最广为人知的世界年表。厄谢尔是阿尔马（今属北爱尔兰）的英国大主教，他在深入研究《圣经》和其他古代手稿后编写出了这本博学著作。根据他的结论，地球诞生于公元前4004年10月23日。这和其他学者，包括开普勒和牛顿的计算结果颇为相似，厄谢尔的分析也被认为是最权威的。从1700年之后，这一结论还被编入了广为流传的英文版《圣经》的一个注解中。

星云假说初形成

厄谢尔提出了两个重要假设。一是仅仅凭借已记载的人类历史就推算出物质世界的年表；二是宇宙自从诞生以来，除了《圣经·创世记》所描写的大洪水期间发生过重大变化之外，从未有过任何大变化。因此，要想提出太阳系起源和演化的科学学说，首先需要挣脱这些思想的束缚。在本章中，我们将一起探讨在厄谢尔之后，人们对世界起源的认识是如何改变的，下一章将探讨太阳系的大小问题。

有一个人对改变我们对太阳系起源的看法做出了尤其突出的贡献，他就是皮埃尔-西蒙·德·拉普拉斯（Pierre-Simon de Laplace）。他1749年出生于法国，在20多岁时就已经是一名公认的才华横溢的数学家，他还被誉为史上最杰出的科学家之一。拉普拉斯的太阳系起源学说在发表后受到了广泛关注。

拉普拉斯曾在巴黎高等师范学校短暂担任教授一职，在此期间他多次面向公众做公开演讲，这是教授职责的一部分。在其中一次演讲中，他首次提出了关于太阳系起源的“星云假说”。尽管他非常擅长数学，但为了便于普通观众的理解，拉普拉斯舍弃了高深莫测的数学方法，将他的观点用生动的语言阐述了出来。他在该次讲座上的发言后来成了《宇宙体系论》一书的基础，该书于1796年出版。

拉普拉斯认为，行星是由太阳附近一团缓慢旋转着的巨大的气体云演化而来的。随着时间的推移，这团气体云逐渐冷却收缩，以比之前更快的速度旋转，并逐渐变为扁平的盘状。随着转速加快，离心力逐渐超过太阳的引力，因此不断向外抛出一个个气体环。之后，气体环就会聚成行星。拉普拉斯提出，这一过程同样发生在每个行星内，它们的卫星也由此诞生。彗星的轨道极为扁长，因此不太适用于这一模型，拉普拉斯推测彗星可能来自行星系外。

拉普拉斯坚信任何一个合理的太阳系理论都必须能够解释我们所见的万事万物。从这一点来看，星云假说显然是一个成功的假说。它解释了行星为何总是沿相同方向绕太阳公转，为何它们几乎处于同一个平面上，以及为何它们的轨道近似呈圆形。

拉普拉斯的理论与法国博物学家乔治-路易·勒克来尔，即布丰伯爵（George-Louis Leclerc, Comte de Buffon）早前提出的观点——彗星碰撞说严重背道而驰。1749年布丰出版了一本畅销书，他在书中提出，太阳曾经在7.5万年前被一颗彗星撞到，散落下来的太阳物质最后形成了行星。但这种观点至少有一点是可取的，那就是它认为行星是由一个事件而非几个不相关的事件产生的。然而，拉普拉斯和其他科学家对这个说法并不买账，理由是它和所观测到的太阳系特征不符。布丰的理论还受到了当时的一些学术神学家的声讨，后来，为了免于被教会责难，他只好收回他的观点。

几十年后，法国大革命彻底改变了法国的政治和宗教形势。教会的势力被大大削弱，拉普拉斯的学说不再遇到诘问。据传，有一回拿破仑问他的老师拉普拉斯，为何他的《宇宙体系论》中只字未提上帝的作用，据说拉普拉斯是这样回答的：“陛下，我不需要做出这样的假设。”拉普拉斯的意思是，太阳系的稳定运作不需要依赖更高级力量的干预就能维持。这也是此前一直困扰牛顿的问题，牛顿认为，为了不让行星由于彼此之间的引力作用而偏离原本的轨道，上帝不得不时而出手干预。拉普拉斯计算出这些相互作用并不会随着时间的推移而增加，相反，它们对行星轨道产生的摄动非常小。他在1788年写道：“所以，地球只会小幅度地移动，除了轻微的偏移外，基本处于一个稳定的状态……只有外力才能破坏这种稳定。”

拉普拉斯认为行星的轨道是恒定的，它们过去和未来的运动都可以被计算出来。70多年后，法国的另外一位数学天才亨利·庞加莱（Henri Poincaré）发现拉普拉斯的理论仅适用于某些特殊情况，庞加莱证明了行星的轨道并不是永恒不变的，初始条件的不同将对行星的长期演变产生巨大的影响。庞加莱为我们今天所说的“混沌理论”奠定了坚实的基础。事实上，行星在很久以前或很久以后的运动情况是无法确定的。

1796年当拉普拉斯的《宇宙体系论》出版时，他大概还不知道早在41年前就已经有人提出了一个截然不同的星云假说。今天，众所周知伊曼纽尔·康德（Immanuel Kant）是一名哲学家，但他早年对物理和数学也颇有研究。1755年，康德发表了《自然通史和天体论》，这也是他的第一本著作，他在该书中提出了一个关于太阳系起源的假想模型。

康德认为，太阳系中的天体来自宇宙空间的物质云。根据他的理论，湍流运动使宇宙中的弥散物质相互靠近，进而凝成较大的物质团，接着物质团会集聚更多物质而变得越来越大。密度较大的部分更接近中心，也就是太阳，这就是为什么行星形成后，内行星的密度比外行星的密度大。和拉普拉斯一样，康德只是用语言描述了他的猜想，而没有运用数学推理来加以支撑。不幸的是，几乎是在该书出版后，康德的出版商便破产了，所有存书连同康德的书也一并被查收。从此，康德的作品几乎销声匿迹，在此之后的几十年中，除了在康德的故乡哥尼斯堡（位于普鲁士）以外，这本著作鲜少有人问津。

无论是拉普拉斯的《宇宙体系论》的第一版，还是他逝世（拉普拉斯于1827年逝世）前30年对该书进行的4次修订，均未提到康德的研究成果。然而，康德的思想后来还是得到了一些德国同人的拥护，代表人物为德高望重的物理学家、哲学家及生理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）。

1854年2月7日，亥姆霍兹在哥尼斯堡举行了一场公开演讲，此时距离康德逝世50年，距康德《自然通史和天体论》一书的出版已近一个世纪。该次演讲的主题为能量守恒，是他在吸收了前人成果的基础上于1847年提出的一个定律。在康德的故乡，亥姆霍兹免不了对康德缅怀一番，他对台下的观众说：

康德发现……如今维持着行星运动的万有引力在很久以前也起到了将稀疏地散落在空间中的物质集聚起来，形成行星系统的作用。之后，拉普拉斯在对康德的星云假说完全不知情的情况下，提出了和他一样的观点，并介绍给了天文学家。

因此，我们所在的行星系统（包括太阳）肯定源于一团巨大的星云，这团星云最初就位于我们行星系所在的空间里，但远远地超出了如今已知离太阳系最远的行星海王星的范围。

亥姆霍兹略过康德与拉普拉斯学说的分歧，而专注于研究它们的共同点——星云。星云是行星的发源地。在亥姆霍兹的推动下，康德和拉普拉斯的星云假说被合称为“康德-拉普拉斯星云假说”，尽管他们的观点不尽相同。

在接下来的数十年中，星云假说是唯一一个科学解释太阳系诞生的理论。尽管它由于不够详尽和缺乏严谨的计算而受到一些科学家的诟病，但总体来说，它仍然备受青睐。拉普拉斯后来从其他人的新发现中找到了支撑他的观点的依据，为此大受鼓舞。当时，人们对太空中那些叫作星云的神秘云状物体仍然存在很多疑问。1811年威廉·赫歇尔发表了一篇长篇文章，介绍了他对星云的观察，星云看起来像是由中间的恒星和周围类似发光液体的物质组成的。他提出星云可能是处于不同形成阶段的恒星。虽然赫歇尔的文章从头到尾都没有提到星云假说，但拉普拉斯还是将他的这一观察写入了《宇宙体系论》第5版。对拉普拉斯来说，这些星云如他的星云假说所预言的，是一个个正在成长着的太阳系。

星云假说陷囹圄

然而到了19世纪40年代，新的科学发现使拉普拉斯的观点陷入了危机。第三代罗斯伯爵威廉·帕森斯（William Parsons）在他位于爱尔兰西部的城堡里研制出了世界上最大的望远镜。这架新型望远镜的设计很烦琐，还配备了一个直径为1.8米的超大反射镜，能比以往更加清晰地看到星云（图3-1）。1845年，罗斯报告称，根据他的观测，星云实际上是由无数黯淡的恒星构成的。如果这是事实的话，那星云就不是新生的行星系，而是完全不同的另外一种天体结构。

图3-1 第三代罗斯伯爵威廉·帕森斯绘制的星云图。出自伯爵之子——第四代罗斯伯爵劳伦斯·帕森斯（Lawrence Parsons）1878年发表于《皇家都柏林学会科学学报》第2卷的《1848—1878年于比尔城堡庄园借助六脚及三脚反射望远镜观测星云及星团》一文（图片来源：J. Mitton）

一些科学家同样对星云假说持严重怀疑态度。其中包括剑桥大学的地质学教授亚当·塞奇威克（Adam Sedgwick），达尔文年轻时曾是他的学生。1850年，塞奇威克罗列了拉普拉斯学说存在的种种问题，但却没有完全摒弃星云模型。塞奇威克还提出了一个难题，这个难题直到20世纪还一直困扰着科学家：如何解释太阳和行星的角动量（转动惯量）分配问题。一个简单的例子就能解释这个问题：假设水星是由收缩中的星云抛出来的物质环演化而成的，那么当时那团星云旋转一次必定需要88天，也就是水星今天的公转周期。如果说星云进一步收缩形成了太阳，那么由于角动量的关系，它的旋转速度就应该越来越快。从理论上来说，太阳自转一周应该只需几天，但现实中却需要将近一个月。

1861年，法国物理学家雅克·巴比内（Jaques Babinet）也提出了反对意见，越来越多的人注意到了这个问题。太阳的质量占整个太阳系的99%，而它的角动量却只占太阳系总角动量的2%，其余98%来自其他行星的运动。作为收缩的星云的中心，为什么它占了绝大部分质量却只有很小的角动量？尽管拉普拉斯的学说后来经过了多次修正，但“角动量难题”一直是它的致命缺陷。一波未平一波又起，科学家随后又发现了新的问题。美国数学家丹尼尔·柯克伍德（Daniel Kirkwood）论证出拉普拉斯的星云盘只会不断向外缘抛出物质，而不会形成离散的物质环。而苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）则证明了，即使拉普拉斯所说的星云盘可以形成物质环，它们也无法演化成为行星。

虽然拉普拉斯学说饱受质疑，但在19世纪末，星云假说还是很吸引人的。当时，放射性和核反应还没有被发现，人们普遍认为太阳之所以能够发光是因为收缩时释放出了引力能。过去的太阳一定比现在大，这自然而然地和太阳及行星是由一团弥散的物质云发展而来的观点相符。物理学家根据太阳光谱的特征推测出了太阳的构成成分，并发现它和行星的成分有许多共同之处，这是对星云假说的又一佐证。天文学家还发现了一种完全由气体而不是恒星组成的新型星云，它们之中是否有些是新生的行星系统？希望又再次被点燃了。

但是，新发现的几个卫星的运动情况却和星云假说的描述不符。海卫一的逆行，天王星卫星的运动轨迹与天王星的公转轨道垂直，火卫一的速度快到超过了火星本身的自转速度，这种种怪异的行为都无法用星云假说解释。

总的来说，星云假说的主体是正确的，它主要败在了细节上。那还有没有其他更合理的假说呢？如果太阳系的角动量分布不是由于星云收缩产生的，那行星有没有可能是由外部原因形成的呢？

偶然碰撞说

1905年12月，芝加哥大学叶凯士天文台（Yerkes Observatory）台长埃德温·B.弗罗斯特（Edwin B. Frost）收到了一封同行的来信，信中写道：

敬请悉知，自明年1月1日起，天文学界将开始采用全新的太阳系假说。这是一个令人喜悦的改变，将行星的组成从气体纠正为星子（planetesimal）已是众望所归。一切都将顺利进行……在新的假说下，行星自转速度的快慢将与卫星的速度无关，也不会再因为正行、逆行而被质疑其合法地位。太阳自转轴的倾斜不再被认为是道德的倾斜，只能说明它曾经碰到一颗经过的恒星罢了。

这封言辞嚣张的信的作者不是别人，正是以直言不讳著称的地质学教授——托马斯·克劳德·钱伯林（Thomas Chrowder Chamberlin），不久前他刚出版了第二本地质学课本，他的新太阳系起源模型也被写入其中。

拉普拉斯的星云假说认为地球刚形成时一定呈高温熔融状态。钱伯林驳斥说这种观点并不可信，否则地球就不会有大气了。于是，他开始验证地球最初是否由低温固体颗粒物形成。该观点早在几十年前就已经有人提出，只不过支持者寥寥。为了进一步考证，他需要一个理论来解释这些颗粒物在一开始是如何产生的。

钱伯林在看了旋涡形的星云照片（见图3-2）后深受启发，他认为旋涡星云是由恒星相互靠近形成的。当恒星运行至彼此附近时，由于引力作用，它们彼此会从对方带走一些气体，形成恒星周围的旋臂。说不定，太阳也和某颗恒星有过类似的经历，而被拉出来的物质冷却后形成了行星。这个猜想没有涉及星云收缩，因此无须解释角动量这个让星云假说为人诟病的问题。

没有天文学背景的钱伯林求助了一位叫福里斯特·雷·莫尔顿（Forest Ray Moulton）的青年天文学家，当时，莫尔顿刚在芝加哥获得了博士学位。他们勠力同心，分工合作。这边，钱伯林潜心钻研恒星会在什么情况下相遇形成行星；那边，莫尔顿则尝试运用数学定理推翻拉普拉斯的学说，并且支撑钱伯林的假说。二人于1905年和1906年分别发表了研究成果，这个新诞生的假想被称为钱伯林-莫尔顿假说。

莫尔顿推算出，过去一定有一颗恒星曾经运行到离太阳很近的地方，就像今天木星所处的位置，然后与太阳碰撞，形成了很长的气态旋臂。旋臂中形成了密度很高的节点，这些节点不断地吸积更多物质，最后越变越大成为行星。这些气体可能以极快的速度冷却，形成微小的固体颗粒物并围绕太阳运动。钱伯林称这些颗粒物为“星子”。随着时间的推移，在相互之间的引力的帮助下，星子移动到附近的轨道，发生碰撞并融合，最终形成了行星。

图3-2 1893年公布的某“旋涡星云”（仙女星系）的早期照片。这幅珂罗版影像出自艾萨克·罗伯特（Issac Robert）的《恒星、星团与星云影集》。罗伯特认为它是一个气态旋涡星云，它的中心为一颗恒星。在照片的注释中他写道：“它们为我们呈现了大恒星系统的演化过程，是对星云假说的有力佐证。仔细看后面的星云图，你还会发现其他类似的证据。”（图片来源：J. Mitton）

钱伯林和莫尔顿的假说包括两个部分，即太阳周围旋涡星云的形成和星云中心构成行星的固态颗粒物的吸积。钱伯林不赞同我们所看到的旋涡星云都是行星雏形的观点，他认为星云比太阳系还大得多。直到20世纪20年代，人们才认识到它们其实是银河系以外的整个星系。

1915年，钱伯林-莫尔顿假说空前流行，它的大部分支持者来自美国。德国天文学家弗里德里希·内尔克（Friedrich Nölke）是该假说早期最强烈的反对者之一，他在1908年批评了莫尔顿数学分析中的多个细节。但撇去它的诸多破绽不说，它起码打破了星云假说一枝独秀的局面。碰撞说的早期支持者中还包括英国知名科学家哈罗德·杰弗里斯（Harold Jeffreys）和詹姆斯·琼斯（James Jeans），两人在此基础上发展了各自的假说。虽然他们改良后的猜想解决了钱伯林-莫尔顿假说中的一些难点，但也暴露了许多问题。

后来，杰弗里斯也开始质疑钱伯林-莫尔顿假说，他指出，恒星相撞，进而产生旋涡星云，最后形成行星这种事件的发生概率非常低。美国天体物理学家亨利·诺里斯·拉塞尔（Henry Norris Russell）则表示，恒星碰撞产生的行星只会在太阳附近运行，这与我们今天所认识的行星系完全不同。还有很多科学家也对钱伯林的星子理论抱有严重质疑。

看来不管是星云假说还是钱伯林-莫尔顿假说都不是正解。拉塞尔在他1935年出版的《太阳系及其起源》一书中发出了这样的感慨：

我们像一群工程师，在峡谷口寻找通向高处的路。我们逆流而上，但不管我们走哪条路，最后都被困在了箱子一般的峡谷里，无法更进一步。站在一块高地上，凭着一些想象，我们找到了一些向下的沟道，走着走着却又转变了方向，通往不同的出口了。但是这个峡谷可能本来就不存在出口，而太阳系总得有个起源。

1939年，天体物理学家莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer）论证了从太阳散发出来的物质由于温度太高，根本无法凝结成行星，只会快速消散到太空中，它成了压死恒星碰撞说的最后一根稻草。星云假说重返历史舞台，已指日可待。

星云假说卷土重来

第一位走上舞台的“演员”是德国物理学家卡尔·弗里德里希·冯·魏茨泽克（Carl Friedrich von Weizsäcker）。1943年，他弥补了星云假说的一大缺陷，即缓慢转动的太阳是如何在极速旋转的星云中生成的。冯·魏茨泽克认为，星云的湍流运动可以使角动量重新分配，从而使中央的旋转速度很小。虽然他的模型在诸多方面都经不起推敲，但它使得星云假说再一次流行了起来。

其他科学家也纷纷加入，试图找出更可行的解释。瑞典物理学家汉内斯·阿尔文（Hannes Alfvén）和英国天体物理学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）共同发现磁相互作用具有制动的作用，它可以减慢太阳的自转速度，并将转动惯量转移到未来形成行星的物质中。一个多世纪以来，转动惯量这一问题终于迎来了转机。

大部分科学家的注意力都集中在星云角动量的问题上，但星云假说还有一个问题：星云的气体和尘埃如何转化成行星。在抛弃钱伯林-莫尔顿假说时，科学家们还忽略了钱伯林的第二个创新之处：星子形成行星说。