星云说,误导人类三百年

春天,树的老枝上发出新芽。它还活着。

引言

“合抱之木生于毫末”,思想是行为的根源。人类的宇宙观也是起源于一念,初始想法。从“地心说”到“日心说”,再到宇宙无心说。从“第一推动力”到“星云说”再到“大爆炸宇宙论”。人类对宇宙的认知不断从自我为中心的静态观向谐同一体的演化观进化。对于太阳系演化的认识,星云说最终成为主流。然而,南辕北辙的事儿可能再次发生了。

正文

一.人类宇宙观的演变

1.1 地心说

公元二世纪,克罗狄斯·托勒密(Claudius Ptolemaeus,约90~168年,天文学家)继承了亚里士多德(Aristotle,B.C. 384~322)的地心说和喜帕恰斯((Hipparchus,约B.C. 190~127)地球偏离圆心的观点,提出自己的宇宙结构学说,即地心说。并著有《天文学大成》。主要观点如下:

(1)地球是球形,位于宇宙中心,且静止不动。

(2)月亮和五大行星在本轮和均轮上运动。

(3)太阳只有均轮,而没有本轮。

(4)水星和金星的本轮中心始终位于日地连线上,该连线在一年中绕地球一周。

(5)火星、木星和土星到它们各自本轮中心的直线总是与日地连线平行,这三颗行星每年绕各自的本轮中心转一周。

(6)恒星天每天绕地球转一周。

(7)日月和五大行星除了各自的本轮均轮运动外,还会跟着恒星天绕地球一周。

(8)地球偏离中心位置一些。


图1 托勒密地心说示意图

此后,地心说主导西方世界宇宙观1500年之久。但引入80个本轮之繁琐,且精度不能满足航海要求,经千年积累的日期误差竟达10天。人们已经认识到地心说的缺陷。[1]

1.2 日心说

1543年,尼古拉·哥白尼(Mikołaj Kopernik,1473.2.19~1543.5.24,天文学家)发表的《天球运行论》提出日心说宇宙模型,继承了阿里斯塔克(Aristarchus, B.C. 315~230)的日心说。日心说主要观点:

(1)不存在一个所有天体轨道或天体的共同的中心;

(2)地球只是月球轨道的中心,并不是宇宙的中心;

(3)所有天体都绕太阳运转,宇宙的中心在太阳附近;

(4)地球到太阳的距离同天穹高度之比是微不足道的;

(5)在天空中看到的任何运动,都是地球运动引起的;

(6)人们看到的行星向前和向后运动,是由于地球运动引起的。

地球有三种运动:

一种是绕地轴的周日自转运动 ;

一种是环绕太阳的周年运动;

一种是保持地轴指向不变的回转运动。

在当时该说存在两个问题无法解释,即未观测到恒星周年视差和抛体滞后现象。


图2 哥白尼日心说示意图

16世纪,乔尔丹诺·布鲁诺(Giordano Bruno,1548~1600.2.17,思想家)捍卫和发展了哥白尼的日心说,并把它传遍欧洲。经过研究,他提出宇宙是无限的,时间是永恒的,太阳不过是宇宙无数星系中的一个。

第谷·布拉赫(Tycho Brahe,1546.12.14~1601.10.24,天文学家)调和了地心说和日心说,认为其它行星绕日公转,日系又绕地球公转。他把观测数据传给开普勒,说了句“不要让我徒劳无功”就撒手人寰。

1609年,约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler,1572.1.6~1630.11.15,天文学家)在《新天文学》中阐述开普勒第一和第二定律。1619年发表第三定律。进一步完善日心说。

①椭圆定律:所有行星绕太阳的轨道都是椭圆,太阳在椭圆的一个焦点上。

②面积定律:行星和太阳的连线在相等的时间间隔内扫过的面积相等。

③调和定律:所有行星绕太阳一周的恒星时间的平方与它们轨道半长轴的立方成比例。

1632年,伽利略·伽利雷(Galileo Galilei,1564.2.15~1642.1.8,天文学家、物理学家)出版《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》,首次采用望远镜观测和物理实验证据为日心说辩护。以惯性运动解释抛体无滞后的原因。但恒星视差仍未观测到。

1687年,艾萨克·牛顿(Isaac Newton,1643.1.4~1727.3.31,物理学家)在《自然哲学的数学原理》中总结出物体运动的三个基本定律:

第一定律:物体受平衡力作用时(合力为零),保持静止或匀速直线运动状态。

第二定律:在合力作用下,质点的动量随时间的变化率与合力成正比,且同向。

第三定律:物体间的作用力和反作用力,总是同时、等大、反向。

并提出万有引力定律:任何两个质点都存在通过其连心线方向上的相互吸引的力。该引力大小与它们质量的乘积成正比,与它们距离的平方成反比,与两物体的化学组成和其间介质种类无关。

还提出“旋转轨道定理”,也称增力方程。(第一册命题43~45)

用牛顿力学定律可以证明开普勒三定律,进而夯实日心说的理论基础。

1729年,詹姆斯·布拉德利首度尝试测量恒星视差。但他用望远镜观测恒星的运动,认为视差是微不足道的。

1838年,白塞耳使用量日仪首次成功测量出天鹅座61的恒星视差。

由于测量上的困难,直到19世纪结束时,只有大约60颗的恒星视差被观察到,且多数使用动丝测微器。在20世纪初期,使用天文照相底片的天文摄影仪加速了观测进度。1960年代更精密的电脑技术使得星表的比对更有效率。1980年代,感光耦合元件 (CCD) 取代照相底片,并且使不确定的因素减少到千分之一角秒。[2]


图3 恒星周年视差示意图

1.3 星云说

1644年,勒内·笛卡尔(René Descartes,1596.3.31~1650.2.11,哲学家)在《哲学原理》一书里提出原始太阳星云的概念,猜测太初混沌之时,物质微粒在宇宙漩涡中逐渐形成太阳系。“以太漩涡说”是近代第一个关于太阳系起源的星云假说。

1755年,伊曼努尔·康德(Immanuel Kant,1724.4.22~1804.2.12,哲学家)在《宇宙发展史概论》一书中也提出太阳系起源的星云假说。他认为太阳系由原始星云演化而来。在太阳系形成之前,宇宙空间就存在一种弥漫的原始物质,本身具有引力和斥力。物质微粒在引力作用下相互吸引,密度较大的那部分物质微粒将周围空间密度较小的部分聚集起来,同新聚集的物质一起,又聚集到密度更大的物质那里。如此下去,星云物质的引力中心就形成太阳。同时,物质微粒之间又有斥力作用。向引力中心下落的微粒和团块,由于斥力而偏离引力中心,使下落运动成为围绕引力中心的圆周运动。整个星云成为一个巨大漩涡。在漩涡里,速度较小的抵抗不了中心引力,便落到太阳表面上。一部分物质速度足够大,则继续做圆周运动,形成扁平的云状物。其中较大的团块以后就逐渐聚成行星。同时,行星也在斥力的作用下开始自转,形成较小的圆盘。于是,上述过程就在小一号规模上重演,形成卫星系统。此外,他对于行星轨道的共面性、共向性、行星质量分布、彗星和土星光环的形成都提出了自己的看法。

1796年,皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon marquis Laplace,1749.3.23~1827.3.5,天文学家、数学家)在《宇宙系统论》一书中也提出星云假说。他认为形成太阳系的云是一团巨大的、灼热的、转动着的气体,大致呈球状。由于冷却,星云逐渐收缩。因角动量守恒,收缩使转动速度加快,在中心引力和离心力的共同作用下,星云逐渐变为扁平的盘状。在星云收缩中,每当离心力与引力相等时,就有部分物质留下来,演化为一个绕中心转动的环。以后又陆续形成好几个环。这样,星云的中心部分凝聚成太阳,各环则凝聚成各个行星。较大的行星在凝聚过程中同样能分出一些气体物质环来形成卫星系统。[3]


图4 星云说示意图

20世纪40年代以后出现的星云说被称之为“现代星云说”,有以下几个共同特点:

(1)吸取康德-拉普拉斯学说中的精髓与合理部分,即太阳系由同一团星云在自然规律作用下逐渐形成。

(2)充分运用现代科学的理论及空间探测新资料,包括恒星早期演化理论及灾变说中一些合理部分。

(3)逐渐进入定量计算及模拟实验的阶段。

1912年,伯克兰(O.K.Birkland,1867~1917,科学家)提出电磁力星云说。

1927年,贝拉格(H.P.Berlag,1896~1968,气象学家)提出电场作用星云说。

1972年,国际讨论会上一致公认较为完整而富有价值的是:(1)瑞典阿尔文学说;(2)英国霍伊耳学说;(3)法国沙兹曼学说;(4)美国卡梅伦学说;(5)苏联萨夫龙诺夫(Safronov)星子假说。

1978年,戴文赛(1911.12.19~1979.4.30,天文学家)也提出一个具有特色的现代星云说。新星云说认为在46亿年前,原始分子氢云在自引力作用下坍缩。稠密的内部区域在核心首先形成原太阳。外部区域慢慢演化成盘状。云中的尘埃分布不均匀,密度较高的部分形成引力吸积中心,成长为星子。内太阳系较高的温度蒸发了轻的化合物,由硅和金属构成的固体星子逐渐集合成类地行星。外太阳系蒸发少,富含冰的星子形成巨行星。原始木星的起潮力使小行星主带区不能形成大行星。残余的较大的天体或被俘获成卫星,或因碰撞而碎裂被大行星弹射到远方。太阳热核反应启动后产生的太阳风吹走了剩余的氢和氦云,也带走太阳的角动量。[4]

当今科学界广泛接受的是“星子碰撞吸积理论”。

1.4 大爆炸宇宙论

1927年,乔治·勒梅特(Georges Lemaître,1894.7.17~1966.6.20,宇宙学家)首次提出宇宙大爆炸假说。

1929年,爱德文·鲍威尔·哈勃(Edwin Powell Hubble,1889.11.20~1953.9.28,天文学家)根据假说提出,星系的红移量与星系间距离成正比的哈勃定律,并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。

1946年,乔治·伽莫夫(George Gamow,1904~1968,物理学家)与他的两个学生(拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼)将相对论引入宇宙学,提出热大爆炸宇宙学模型。认为宇宙最初开始于高温高密的原始物质,温度超过几十亿度。随着宇宙膨胀,温度逐渐下降,形成星系等天体。并预言宇宙微波背景辐射的存在。1948年提出新的化学元素起源理论,认为各种元素是在中子连续俘获过程产生的。

1964年,无线电工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊偶然中发现宇宙微波背景辐射,证实了预言。

根据大爆炸宇宙论,早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体,温度极高,密度极大,且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度,是当时宇宙状态的重要标志,因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低,使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。爆炸之初,物质只能以电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。爆炸之后,宇宙不断膨胀导致温度和密度很快下降。随着温度降低,逐步形成原子、原子核、分子,并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云,星云进一步形成各种各样的恒星和星系,最终形成我们如今所看到的宇宙。[5]


图5 大爆炸宇宙论示意图

二.星云说的疑问点

2.1 万有引力、电磁力与核力

无论是康德的原始星云物质微粒,还是拉普拉斯的炽热球状气体,乃至现代星云说的原始分子氢云,只要星云的温度高于周围开放空间,分子间的热运动就足以抵消万有引力的吸引作用。因为万有引力是非常弱的力,而原子间的作用力是很强的电磁力。即使在绝对零度附近,氦原子最多呈超流体,而非凝聚成块,更何况是氢分子。凝聚成固态尚且困难,更何况仅靠自身重力进一步压缩,突破核力阈值,产生核聚变反应。

万有引力1,电磁力10^35,核力10^37,如此悬殊的数量级差异,不是质量大就能跨越的。就像地球表面的物质并未因重力而坍缩,也不会因万有引力而聚合。那如何证明地核是由星云物质经万有引力聚合而成且处于高温状态呢?行星不能,恒星又怎么能仅靠万有引力聚合形成?康德与拉普拉斯时代局限于对万有引力、电磁力、核力强弱关系的无知,提出星云假说只为挑战神创论。然而,三百年后的我们理应跳出这种误区。据估计太阳内部温度1500万度,而氘氚核聚变需要上亿度高温,更无论氢核聚变。太阳向外辐射的能量果真来自氢核聚变吗?

2.2 旋转与角动量

拉普拉斯假设原始星云有自转,那就说明有个自转轴,就有向心力和离心力。那么,相对均匀的分子氢云哪里会成为旋转中心呢?就算有偶然的绕动产生了这个中心,巨大的角动量从哪里来?就算最开始就有此角动量分布于整个星云,据角动量守恒定律,聚集成恒星后,绝大多数角动量随同质量汇集于恒星自转上。即太阳系角动量分布应与质量分布相匹配。而实际观测是太阳质量占比99.8%,角动量占比不足1%,而周围天体质量占比0.2%,角动量占比99%。如果考虑柯伊伯带、离散盘、伴星、奥尔特云,角动量与质量分布的反差更是悬殊。[6]

现代星云说认为是太阳风带走了多余的角动量,奇怪的是并没把多余的质量带走,显然是矛盾的。海外天体的成因也无法用星云说解释,更无论尚未观测到,但很可能存在的伴星。另外,已观测的双恒星系统在银河系中占50%,那些更遥远的如比邻星暗淡的伴星就不必说了。很可能绝大多数恒星都存在伴星,只是质量偏小且暗淡,人类目前还无法观测到。星云说也难以解释这些双星系、多星系。


图6 太阳系观测现状示意图


图7 太阳系尺度示意图

2.3 熵增与熵减

熵增原理来自热力学第二定律,用熵度量系统的无序性。孤立系统只会从有序态变成无序态。没有外力做功的情况下,物质只会从高能态变成低能态。那么相对于恒星,原始星云的弥散物质是处于高能态,还是低能态呢?是更有序,还是更无序呢?无论从温度还是密度,再到能流密度,恒星的能态都远高于星云物质。仅凭微弱的万有引力做功果真可以违背熵增原理而逆转演化过程吗?人类能否在太空重现此过程?把空气压缩成液态都要额外做很多功,仅凭万有引力尚且做不到。很难想象在开放的真空环境中“分子氢云”可以在万有引力作用下聚合在一起形成恒星及行星、卫星。显然,星云说的演化方向反了。

2.4 演化的谐同性

按“大爆炸宇宙论”的观点,宇宙是由小到大,由密到疏,由高能态到低能态演化而来的。那么,如何逆向由低能态的原始星云聚合成众多高能态、高密度的恒星、双星、三星、中子星呢?演化方向不谐同。“20世纪80年代初,天文学家发现离我们100亿光年外存在的原始星系云,基本处于电离氢状态,其体积与银河系接近,有可能是初始宇宙大爆炸后遗留下来的原始星云物质。”[7]试问,1光年内的暗伴星且观测不到,怎能“看到”100亿光年外的“电离氢云”?星云只是前人的误解,因为遥远星系模糊看不清,似云。

三.太阳系演化生育说

老子的宇宙观是生长说。“道生一,一生二,二生三,三生万物。万物负阴而抱阳,中气以为和。”万物由内而外生发出来,内阳外阴,中间由炁场耦合。“大曰筮,筮曰远,远曰反。”宇宙不断变大,彼此远离,极限反转。“玄之有玄,众眇之门。”演化是旋中有旋的。按此思想理解太阳系演化更合适,也符合熵增原理,且与大爆炸宇宙论同向。

星核生育说:宇宙中原生星系团、星系、恒星系、行星系、卫星逐级由核心向外谐同生长。生长规律符合对数螺线。哈勃星系分类代表不同的星系生长阶段。

太阳系并非由星云物质聚合形成,而是由致密星核向外生发而成。行星从恒星内部生出,轨道呈螺线向外生长。太阳双星相互的引潮力使各自行星远离中心天体,在柯伊伯带形成平衡区。行星轨道分布如同太阳系演化的年轮。海外天体轨道半径分布、偏心率和倾角失去规则性说明其成因与海内行星有别,很可能是太阳伴星的行星被抢夺的产物。

太阳内部结构可能是:中子星核/辐射区/对流层/光球层/色球层/日冕。能量来源更可能是中子星核衰变出的反物质湮灭释放出的γ射线二次冲击太阳外层物质产生的光热和粒子流。对流层、光球层、色球层中的物质是中子团衰变后动态产生的各种元素原子,也包括各种同位素。由中子团直接衰变成重元素原子核显然比由氢原子逐级聚变成重元素难度更小,更合理。中子衰变成质子和电子,多个质子与剩余中子通过核力直接结合成原子核,放出的电子绕核运动形成各种元素原子。根本不必经过氢核聚变反应逐级合成。部分中子碎裂成正电子和电子,此两种反物质相遇湮灭放出远大于氘氚核聚变产生的能量。(每公斤物质,核裂变产生8×10^13焦耳,核聚变产生3×10^14焦耳,反物质湮灭产生9×10^16焦耳)

赫罗图上主序星的演化也可以理解为中子星核不断衰变,质量不断减少的过程。质量更大的中子星早期会分裂为双星或多星。演化到后期质量衰减到引力不足以约束核反应的膨胀力时,就会变成红巨星,最后剥离外层变成质量更小的中子星或白矮星。又经过红矮星,褐矮星,黑矮星,最后成为“暗物质”。


图8 赫罗图-恒星亮度与表面温度散布图

行星内核很可能也是中子核,因出生时间不同,质量不同导致外层包裹物元素丰度不同。

总结:星云说将人类带出神创论的误区,却很可能又将人类带入相反的认知方向。我们只有不断反思,吸取人类历史上最有智慧的思想,才有可能回归正道。“人法地,地法天,天法道,道法自然。”人类文明的存续与发展需要正确认识和遵循天道演变。本纪人类文明能否跃过“大过滤器”升级为星际文明,取决于人类全体的认知力和控制力。

如同“日心说”取代“地心说”,“星云说”取代“神创说”,“进化论”取代“神造论”,每一个转变都需要漫长的过渡期。走出星云说的误区,三百年够吗?

林间,几只“懒蚂蚁”离开大队伍,朝不同的方向探索,发现新食源,通知蚁群。起初,没几个蚂蚁跟随,直到有更多的蚂蚁“求证”后再次通知蚁群。不久,整个蚁群渐渐转变路线,朝向新的食源。群体决策的改变需要时间,蚁群算快的。

“反也者,道之动也;

弱也者,道之用也。

天下之物生于有,有生于无。

道生一,一生二,二生三,三生万物;

万物负阴而抱阳,中气以为和。”

“有物昆成,先天地生。

繡呵!缪呵!

独立而不垓,可以为天地母。

吾未知其名,字之曰:道。

吾强为之名曰:大。

大曰筮,筮曰远,远曰反。

道大,天大,地大,王亦大;

国中有四大,而王居一焉。

人法地,地法天,天法道,道法自然。”(《帛书老子》)

参考源

[1]寒萧.从地心说到日新说.知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/427322286

[2]各人名.百度百科 https://baike.baidu.com/

[3]康德-拉普拉斯星云说.百度百科

[4]戴文赛,胡中为.论太阳系的起源.中国科学, 1980,第3期:254–266

[5]大爆炸宇宙论.百度百科

[6]仓荣琴等.太阳系的角动量[J].天文与天体物理, 2016, 4(2), 33-40

[7]黄定华.普通地质学.高等教育出版社.2014年10月

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