"第三章 太陽(yáng)系與行星
太陽(yáng)系和行星地球形成于大約 50 億年前，那時(shí)距離 宇宙的誕生已經(jīng)有90億年了。人類(lèi)探索太陽(yáng)系和地球年齡的故事，就像我們挖掘宇宙年齡的故事一樣，色彩斑斕，議論紛錯?？茖W(xué)界給出的地球年齡，完全不符合宗教信條。然而，這個(gè)故事中為著(zhù)名、爭議的論戰，卻并非發(fā)生在科學(xué)與宗教之間，而是科學(xué)與科學(xué)之間。
英國物理學(xué)家威廉·湯姆森(即開(kāi)爾文男爵，我們上 次見(jiàn)到他是在章)在 19世紀時(shí)做了個(gè)估算 :如果地球初是一種熾熱的熔融狀態(tài)，隨后作為一個(gè)均一固態(tài)球體突然暴露在(宇宙空間或者大氣或者海洋或者隨便什么的)冰冷環(huán)境下開(kāi)始冷卻，那么要到達今天這個(gè)散發(fā)熱量程度的狀態(tài)需要經(jīng)過(guò)大概 2000 萬(wàn)年。開(kāi)爾文的地球很“年輕”，是因為絕大部分由巖石組成的固態(tài)球體可沒(méi)那么容易冷卻，所以要解釋地球現在這么高的熱量損失速率，它必定是(就地質(zhì)學(xué)角度而言)相當晚近才開(kāi)始冷卻。開(kāi) 爾文還如法炮制估算了太陽(yáng)的年齡，來(lái)確證自己的計算。他已經(jīng)知道，太陽(yáng)只有在自身引力作用下坍縮時(shí)才會(huì )溫 度升高(事實(shí)上在氫聚變還沒(méi)起作用之前確實(shí)是這樣)， 考慮到太陽(yáng)當下的尺寸和亮度，它的年齡同樣也是大概 2000 萬(wàn)歲。這當然比烏雪大主教引經(jīng)據典得出的 6000 歲 的地球要老得多，但地質(zhì)學(xué)家和演化生物學(xué)家認為這個(gè)年紀還是太小。
根據地質(zhì)學(xué)家(也包括查爾斯·達爾文)估計，至少得上億年的時(shí)間，才可能形成山脈和峽谷中明顯的沉積層， 尤其考慮到河流及洪水的沉積速率如此緩慢。生物學(xué)家的估算也差不多，因為這樣才能解釋生物的多樣性以及為什么慢吞吞的生物變異卻已積累起了非常豐富的化石記錄。但開(kāi)爾文男爵(在當時(shí)可是一位名滿(mǎn)天下的學(xué)者)把這僅 僅視作定性上的爭論，不可能挑戰他經(jīng)過(guò)雙重物理計算的縝密答案。數十年時(shí)間，物理學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家之間唇槍舌劍甚至出言不遜，終結果卻是，他們全都錯了。
放射性元素的核衰變發(fā)現，終為地球年齡之爭劃上了句點(diǎn)。亨利·貝可勒爾(Henri Becquerel)以及居里夫婦在 19 世紀末發(fā)現了放射性現象，并因此分享了諾貝爾獎。他們的成果表明，某些特定元素的原子較大，并不穩定，會(huì )通過(guò)從原子核中放射出粒子的方式自發(fā)轉變?yōu)閯e的 元素，比如鈾就是這樣。很多放射性元素天然存在于巖石 中，因此人們推測，地球內部應該充滿(mǎn)了放射性。放射性 元素衰變期間劇烈的粒子放射會(huì )釋放熱量，可能就是這股熱量讓地球即使已經(jīng)過(guò)了數十億年的冷卻，仍然保有今天 的溫度。不過(guò)，由歐內斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford) 發(fā)端的這一理論，今天看來(lái)并不那么站得住腳，因為和一開(kāi)始想的不同，地球上的放射性元素可能沒(méi)有那么高的濃度，而且放射性對開(kāi)爾文的靜態(tài)地球模型的影響也微乎其微。約翰·佩里(John Perry)和奧斯蒙德·費希爾(Osmond Fischer)在論戰中提出了另一個(gè)理論，認為地球內部的液體對流，就是指熱的物質(zhì)上升而冷的下沉(第四章會(huì )詳述)， 可以駁倒開(kāi)爾文的模型。具體來(lái)說(shuō)就是，通過(guò)不斷把地球內部的高溫物質(zhì)運送到表面，對流可以維持地球熱量的快速損失達數十億年之久 ;而開(kāi)爾文的靜態(tài)地球模型要解釋 這一熱量損失速率，就只能允許由“近”開(kāi)始的熱傳導來(lái)冷卻地表附近的物質(zhì)。此外，20 世紀 20年代和 30年代發(fā)現的熱核聚變終于讓人們認識到，發(fā)動(dòng)太陽(yáng)的不是引力坍縮，而是氫聚變(還記得第二章內容嗎)，它也已經(jīng)讓太陽(yáng)燃燒了數十億年。
直到 20 世紀早期至中期，人們對巖石和隕石進(jìn)行放射性測年，據此精確測算出地球和太陽(yáng)系年齡，才使這一爭議真正平息。放射性元素衰變時(shí)，會(huì )將原子從初始的父放射核素(比如鈾)終轉變?yōu)榉€定的子體核素(比如鉛)。 所以一個(gè)樣品中父放射核素與子體核素的數量之比可以用來(lái)確定礦物年齡—相對于父放射核素，子體核素的數量越多，樣品就越老。知道了相對數量，再知道衰變速率(也 就是放射性半衰期)就能計算出相當精確的元素年齡。這個(gè)辦法一錘定音，解決了地球與太陽(yáng)系年齡的問(wèn)題，答案是46 億年左右。不過(guò)，地球上不存在那么老的巖石，古老的巖石存在于隕石中，絕大部分都是巖石的碎片，從小行星帶落到了地球。
近 50 億年前，在一團巨大塵云的坍縮中，我們的太陽(yáng)系誕生了。這場(chǎng)坍縮可能是由一次超新星爆發(fā)的沖擊波而觸發(fā)的，隕石中可以找到證據:一些隕石里的細小鉆石內含有鐵的更重同位素，而這些同位素只有在超新星爆發(fā)中才能形成。要能形成一顆像太陽(yáng)這樣的恒星，這類(lèi)星云在開(kāi)始坍縮時(shí)的尺寸通常是直徑 1到 3光年左右，已經(jīng)是太陽(yáng)系直徑的許多倍。要形成質(zhì)量大得多的恒星，那星云直徑恐怕得有數十光年。然而對于我們直徑 10 萬(wàn)光年的銀河系來(lái)說(shuō)，這個(gè)尺寸也就是滄海一粟而已。在這樣的星云里，也只有叫作星云核的一小部分，終變成了像我們這樣的太陽(yáng)系。在成功坍縮為太陽(yáng)系的過(guò)程中，星云核 的絕大部分質(zhì)量跌落到中心變成太陽(yáng)(正如上一章所述)， 余下的質(zhì)量只是九牛一毛，接近太陽(yáng)質(zhì)量的 0.1% 左右， 變成了太陽(yáng)系的行星。
所有的大行星都在一個(gè)圓盤(pán)上繞太陽(yáng)轉動(dòng)，這個(gè)圓盤(pán)叫作黃道面。圓盤(pán)狀太陽(yáng)系的形成，是由星云的旋轉導致 的。一開(kāi)始，星云的旋轉十分緩慢，之后隨著(zhù)坍縮的進(jìn)程，旋轉會(huì )變得越來(lái)越快，就像滑冰的人在旋轉中把外展的手臂收回時(shí)，旋轉也會(huì )加快一樣。星云越轉越快，離心力效應(把物體從旋轉軸向外甩出去的效應)就會(huì )排斥垂直于旋轉軸線(xiàn)方向的坍縮。但平行于旋轉軸線(xiàn)的坍縮就不是這樣，星云可以相當自由地在這個(gè)方向上跌落。結果就是，星云一側向內坍縮，從而使得星云扁得像一張煎餅一樣。絕大多數星云氣體形成了中心的太陽(yáng)，而剩下的圍繞太陽(yáng) 轉動(dòng)的極小部分氣體形成了太陽(yáng)系的行星。
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