先來個有趣的問題:為什麽行星都在橢圓軌道上運行?
這個問題比較簡單。在地面附近,重力垂直下落,但如果妳朝與重力方向不壹致的方向扔石頭,石頭就不會沿著重力方向直線下落。石頭獲得的初速度越大,初速度的方向越接近重力垂直方向,偏差越大。根據理論計算,如果壹個物體在地球的高度,在垂直於地球引力方向的方向上獲得壹定的初速度,它就不會向地球墜落,而是繞著地心做圓周運動。如果初速度更高,物體需要做橢圓軌道,衛星就是這樣發射的。
因此,行星壹定在過去的某個時間獲得了壹些初速度,所以它們都沿著橢圓軌道運動。所以,現在的問題是:這個“某個時間”是什麽時候?行星的初速度是怎麽得到的?理解了這個問題,就相當於回答了:太陽系是何時、如何形成的,於是我們找到了太陽系的“開端”。
在牛頓的時代,回答這個問題真的非常困難,就連牛頓這樣偉大的天才也對此不知所措。後來的歷史表明,要研究太陽系的起源,當時人類所擁有的科學技術和觀測數據是遠遠不夠的。
有人曾試圖用“永恒”來解釋。這種說法是:太陽系在無限的過去可能是這樣,將來也可能永遠是這樣;換句話說,太陽系沒有起點,也沒有終點。但這種說法很難讓人接受,所以科學家們依然執著,壹定要找到太陽系的“開端”。在這方面,僅靠引力是不夠的,還需要研究更多的其他東西。
這壹時期,隨著西方的資產階級革命,人類在哲學、物理、化學、天文學等方面都取得了巨大的進步。在天文觀測上,因為望遠鏡越來越好,觀測到了木星、土星的衛星、土星的光環。該望遠鏡還幫助我們將銀河系分解成許多恒星系統,並觀察了幾十個星雲。
在此背景下,兩位科學家對太陽系的起源提出了突破性的觀點。
1755年,德國哲學家康德首先提出了“星雲假說”。半個世紀後,法國天文學家拉普拉斯根據他獨立研究的結果提出了同樣的理論。
康德認為,太陽系的前身很可能是稀薄的氣體雲——星雲。在自身重力的作用下,這種氣體雲逐漸縮小,變得越來越致密。同時因為某種原因開始旋轉,隨著不斷的收縮越轉越快。隨著它越轉越快,它的形狀變得越來越平,直到像薄透鏡壹樣平;後來這個“透鏡”最外面的壹圈被分離出來,變成了壹個繼續旋轉的氣體環;隨著“透鏡”繼續越來越快地旋轉,它將繼續分離第二環和第三環...每壹個分離出來的環都會在自身引力的作用下逐漸聚集,最後凝聚成壹顆又壹顆的行星,而最後剩下的氣體雲則會凝聚成壹顆巨大的、發光的恒星,處於整個行星家族的中心。這是本陽。至於星球的衛星系統,也是按照類似的過程形成的。
根據這壹假設,最終的行星和衛星系統應該具有以下特征:所有的行星和衛星壹般都在同壹平面上,並且都向同壹方向運動,這正是我們太陽系的樣子,所以康德的星雲假說可以闡明太陽系結構的壹些特征。康德隨後將他的理論擴展到了恒星世界。他得出結論,所有的恒星都有自己的行星系統。他進壹步預言,在宇宙中,天體是不斷形成和毀滅的;許多太陽正在形成並開始在宇宙的所有地方燃燒,許多其他的正在燃燒,許多其他的正在熄滅。這是浩瀚宇宙中的大致圖景,後來各方面的進展證明康德的上述預言是正確的。
康德的星雲假說並不完美,它仍然存在嚴重的缺陷,其中最重要的是它無法解釋太陽系巨大的角動量,尤其是角動量在太陽系中的分布。
為了精確地測量和表達運動物體的“運動量”,物理學家引入了“動量”的概念。物體的“移動量”取決於兩個因素:物體的質量和速度,所以物理學家用兩者的乘積來表示“移動量”,稱為動量。動量是有方向的,它的方向和速度的方向是壹樣的。如果有兩個質量相同的物體以相同的速度向相反的方向運動,它們的動量之和等於零。
此時,問題就出來了。現在,想象壹個勻速圓盤以壹定的角速度繞其中心軸旋轉。我們來計算壹下這個圓盤的動量。這個計算很簡單,如圖。取圓盤上任意壹個A部分,在與4對稱的地方取另壹個相同的B部分。因為圓盤是均勻的,只要A部分和B部分的面積相同(當然很小),它們的質量就相同。同時,這兩部分的速度剛好相等,方向相反,所以它們的動量之和為零。把這個討論推廣到整個圓盤,最後的結論是圓盤的總動量為零。
但是,如果我們說壹個圓盤的“運動量”等於零,我們就無法區分旋轉的圓盤和靜止的圓盤,也無法區分快速旋轉的圓盤和慢速旋轉的圓盤。
為了解決這個問題,物理學家建立了另壹個物理量——角動量。做圓周運動的物體(質點)的角動量等於它的動量乘以圓的半徑。角動量也有正負之分。壹般來說,當壹個質點逆時針做圓周運動時,角動量是正的。A部分和B部分的角動量都是正的,它們的和不等於零,而是兩倍。按此計算,整個圓盤有壹定的總角動量。質量越大,半徑越大,圓盤旋轉越快,總角動量越大。
由許多對象組成的系統也是如此。比如太陽系,所有的行星都是圍繞太陽轉,都有角動量。行星以相同的方向旋轉,所以角動量是可加的。另外太陽的自轉,行星的自轉,衛星的公轉和自轉也都有角動量,所以太陽系有很大的角動量。