教科書(shū)背后的故事

于鵬翔

我們今天的話(huà)題從一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題開(kāi)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(shuō)：地球自轉(zhuǎn)的中心是地軸，公轉(zhuǎn)的中心是太陽(yáng);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(shuō)：不只地球會(huì)自轉(zhuǎn)，其他行星甚至太陽(yáng)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(méi)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(méi)有想過(guò)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(yáng)系的形成都有關(guān)系。

旋轉(zhuǎn)源自太陽(yáng)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(méi)有地球，沒(méi)有太陽(yáng)，也沒(méi)有太陽(yáng)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(chēng)這種云氣為太陽(yáng)星云吧。

也許是由于太陽(yáng)星云本身密度不均勻，又或者因?yàn)檫b遠(yuǎn)的地方傳來(lái)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(yáng)星云中不再平靜，它開(kāi)始自己運(yùn)動(dòng)起來(lái)。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(kāi)始相互碰撞、匯聚。它們有的沿著一條線(xiàn)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(yáng)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。總會(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(lái)的一點(diǎn)點(diǎn)就會(huì)打破原本的平衡，使得這團(tuán)云氣開(kāi)始向某一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。如果你覺(jué)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(mǎn)桌的球開(kāi)始運(yùn)動(dòng)起來(lái)，產(chǎn)生了各種方向上的運(yùn)動(dòng)，并繼續(xù)碰撞著。只不過(guò)桌子給球的摩擦力最終會(huì)使球停下來(lái)，而在茫茫宇宙中，幾乎沒(méi)有摩擦力，運(yùn)動(dòng)一旦開(kāi)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(yáng)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(yáng)星云變得越來(lái)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(yáng)星云越來(lái)越像我們現(xiàn)在見(jiàn)到的太陽(yáng)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(lái)越小，直徑減小帶來(lái)的直接后果就是太陽(yáng)星云旋轉(zhuǎn)的速度越來(lái)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(guò)了億萬(wàn)年，這片星云旋轉(zhuǎn)中心的位置聚集的物質(zhì)越來(lái)越多，密度越來(lái)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(yáng)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?yáng)星云中絕大部分的物質(zhì)已經(jīng)被太陽(yáng)占有，所以這些軌道中能形成的其他星體就要小得多，無(wú)法發(fā)生核聚變反應(yīng)。但是它們也在努力地合并著周?chē)奈镔|(zhì)，就像大魚(yú)吃小魚(yú)，它們周?chē)能壍辣弧巴獭钡迷絹?lái)越干凈，最終形成了太陽(yáng)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(yáng)星云最初的那個(gè)旋轉(zhuǎn)的力量并沒(méi)有消失，而是被保留在了太陽(yáng)和行星中，形成了行星圍繞太陽(yáng)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(jiàn)到現(xiàn)在的太陽(yáng)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(guò)這個(gè)關(guān)于旋轉(zhuǎn)的故事講到現(xiàn)在還沒(méi)有結(jié)束。如果太陽(yáng)系一直在平靜地旋轉(zhuǎn)，那么照理說(shuō)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(yáng)系并不是如此統(tǒng)一的。在太陽(yáng)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(lái)說(shuō)，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(lái)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(wú)法避免類(lèi)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(wèn)題：人類(lèi)并沒(méi)有能力穿越到46億年前去觀察太陽(yáng)系的形成，那我們憑什么說(shuō)地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)都是繼承于太陽(yáng)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(wèn)題中充滿(mǎn)了物理學(xué)、化學(xué)等知識(shí)。比如說(shuō)我們提到的太陽(yáng)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(guò)觀察而研究太陽(yáng)系的形成又需要天文觀測(cè)的知識(shí)。甚至關(guān)于太陽(yáng)系的形成、地球遭受撞擊等問(wèn)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?zhuān)谴_鑿定論。

科學(xué)就是這樣，總是從假說(shuō)走向真理，但在追尋真理的過(guò)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(wèn)題不斷地思考、探索，在未來(lái)的某一天給出自己的答案。