行星的诞生
对我们这些生活在七大洲的人类（包括南极洲）而言，“坚实大地”几乎是稳定与持久的同义词。在我们看来，地球表面的各种熟悉的风土，不论是大陆还是海洋，高山还是河流，似乎都是开天辟地以来就一直存在的。但是，历史地质数据表明，地球的面貌一直在缓慢变化，大片的陆地可能被海水淹没，海底也可能浮出水面。我们也知道，古老的大山会慢慢被雨水冲平，新的山体也会在板块运动的影响下拔地而起，但所有这些变化仍然只是坚硬地壳的变化。
但不难想象，地球肯定有一段时期是没有固体地壳的，当时的地球就是一个发光的熔岩体。实际上，对地球内部的研究表明，至今地球的大部分仍处于熔融状态，而相对来说，我们随口说出的“坚实大地”只是漂浮在岩浆上的一层薄片。在地表以下，深度每增加1 000米，温度就会升高约30摄氏度（即深度每增加1 000英尺，温度升高16华氏度），这个事实可以很好地证明以上观点。正因如此，在全球最深的矿井（南非罗宾逊迪普的金矿），由于井壁太热，必须安装降温设备，否则矿工将被活活烤死。
照此速度，地球的温度在地下仅50千米的深度就会达到岩石的熔点（1 200～1 800摄氏度），此时还未走完地表到地心路程的1%。再往下，所有地球物质都处于彻底的熔融状态，而这些物质占地球全部质量的97%以上。
显然这种情况不会永远持续下去，眼下的地球只是处在其中一个冷却阶段。在遥远的过去，地球是一个彻底的熔融体，在遥远的未来，地球将从里到外彻底固化，寿终正寝。通过研究地球的冷却速率以及硬壳加厚的速率，我们能粗略估算出，冷却过程一定从数十亿年前就开始了。
通过估算地壳岩石的年龄，也得出了同样的数字。尽管乍一看，岩石似乎不会发生变化，所以才有“坚如磐石”的说法。但实际上，许多岩石内都包含某种天然时钟，经验丰富的地质学家可借此判断岩石从熔融状态凝固以来过去了多长时间。
这一暴露年龄的地质时钟就是岩石中微量的铀和钍，在从地表和地球不同深度采集到的各种岩石中，经常能发现它们的身影，正如第七章中所说，这些元素的原子会自发进行缓慢的放射性衰变，最终形成稳定的元素铅。
要确定含有这些放射性元素的岩石的年龄，我们只需测出因千百年的放射性衰变累积起来的铅的含量即可。
实际上，岩石处于熔融状态时，放射性衰变的产物会因熔融岩石中的扩散和对流效应，流失到别处。而一旦岩石凝固成形，铅就会在放射性元素旁不断累积，通过铅的数量，我们就能准确判断这一过程持续了多长时间。这就像一名间谍可通过两座太平洋小岛上的棕榈树下的空啤酒罐数量，判断敌人的海军舰队在每座岛上停留了多久一样。
最近的研究利用改进技术，精确测量了岩石中的铅同位素及其他不稳定的化学同位素（如铷87和钾40）衰变产物的积累量，据估算，已知最古老的岩石已形成了约45亿年。由此，我们判断地球的硬壳是在大约50亿年前形成的。
因此我们可以想象，50亿年前的地球是一个完全熔融的球体，周围环绕着浓密的大气层，其中有空气、水蒸气，可能也有其他易挥发物质。
那么，这一大团炽热的宇宙物体是如何形成的呢？又是谁为它提供了材料呢？这些关于地球及太阳系其他星球起源的问题是宇宙论（宇宙起源理论）研究的基本课题，千百年来，这些谜团也一直萦绕在天文学家的脑海。
1749年，著名的法国博物学家布丰（George Louis Leclerc，Comte de Buffon）在其44卷本的《自然史》中首次尝试用科学手段回答这些问题。布丰认为，太阳的行星系统起源于太阳与一颗来自宇宙深处的彗星的碰撞。他用想象力描绘了一幅生动图景：一颗“夺命彗星”拖着漂亮的长尾巴扫过当时孤零零的太阳，从其庞大的身躯上扯下了一些小碎块，它们在冲击力的作用下转入太空（图11-1a）。
几十年后，德国著名哲学家康德（Immanuel Kant）提出了一套完全不同的太阳系起源理论，他倾向于认为太阳系是由太阳独立创建的，完全不存在其他天体的干预。在康德的想象中，太阳早期是一个巨大的、相对凉爽的气体团，占据了当前整个行星系统所在的空间，并缓慢自转。这个球体通过向周围空间散发辐射而持续冷却，这必然导致其逐渐收缩，旋转速度也随之加快。由此带来的离心力的增加必然导致原始的太阳气团变形成扁平状，并导致一系列气态物质构成的环沿赤道的延伸平面甩出（图11-1b）。普拉多（Plateau）的经典实验构建了旋转物质形成此类圆环的过程，他让一大团油滴（不是太阳的气态）悬浮在另一种密度相等的液体中，然后用一种辅助机械装置使其进入高速旋转，当转速达到一定程度后，油滴周围便开始形成油环。康德认为太阳通过此种方式形成的环会在之后破裂，并凝结成各种在不同距离围绕太阳旋转的行星。
图11-1 宇宙论的两种学派
后来，法国著名数学家拉普拉斯（Pierre-Simon，Marquis de Laplace）采纳和发展了这些思路，并发表在了1796年出版的《宇宙系统论》一书中。拉普拉斯是一位伟大的数学家，但他并未尝试在这些思路之上套用数学手法，而仅仅给出了半通俗性的定性表述。
六十年后，英国物理学家克拉克·麦克斯韦（Clerk Maxwell）首次尝试用数学手法证明康德和拉普拉斯的宇宙假说，却遇到了难以解释的问题。他的计算表明，如果目前集中在太阳系各行星上的物质均匀地分布在整个星系的空间中，物质的分布将非常稀薄，万有引力完全不足以将它们聚成单独的行星。如此，太阳收缩时抛出的圆环将和土星环一样永远保持圆环的模样。我们知道，土星环由无数围绕土星外圆形轨道运转的小颗粒组成，它们并未显现出“凝聚”成一颗固体卫星的趋势。
摆脱这种困难的唯一办法是，假设太阳的原始包层包含的物质远比我们在现有行星中发现的更多（至少多100倍），而且其中大部分都落在了太阳上，只有约1%用于构建行星体。
然而，这种假设又会导致另一个同样严重的矛盾：如果有这么多物质（一开始的转速一定等于行星的转速）落在太阳上，必然使其获得一个比实际情况大5 000倍的角速度。这样一来，太阳就会每小时转7圈，而非大约4周才转一圈了。
这些考量似乎宣告了康德-拉普拉斯假说的“死刑”，而不言放弃的天文学家又将目光转向了别处，此时，在美国科学家钱伯伦（T.C. Chamberlin）、摩耳顿（F. R. Moulton）及著名的英国科学家金斯的努力下，布丰的碰撞假说又重获新生。当然，随着一些新知识的出现，他们对布丰的原始观点做了不少现代化改造。他们放弃了彗星撞击太阳的设想，因为那时人类已经知道，彗星的质量小到与月亮相比都可以忽略不计。他们相信，撞击太阳的更可能是另一颗与太阳大小和质量相当的恒星。
虽然在当时看来，这个再生的碰撞理论似乎是摆脱康德-拉普拉斯假说致命缺陷的唯一办法，但接着它自己也陷入了泥潭。人们想不通，为何由另一颗恒星猛烈撞出的太阳碎片会沿着行星这样的近于圆形的轨道运动，而不是沿着拉长的椭圆形轨道运动。
为挽救该理论，人们又不得不假设，在恒星撞击导致行星形成之际，太阳外面有一个旋转的由均匀气体形成的外壳，这层外壳会帮助原初椭圆形的行星轨道变成规则的圆形。而目前，人类并未在行星运行区域发现此类介质。为此，人们又不得不假设，这层均匀气体外壳后来逐渐消散到了星际空间，从太阳延伸至黄道面上的微弱的黄道光正是这层往日外壳的残余。可这样一幅将康德-拉普拉斯假说的原始气体外壳部分与布丰碰撞假说整合起来的图景仍不能令人满意。可老话说得好，两害相权取其轻，碰撞假说作为行星系统起源的正确理论被接纳了下来，并一直沿用至近期，包括被纳入了所有科学论文、教科书以及科普作品中。[1]
直到1943年秋天，年轻的德国物理学家魏茨泽克（C. Weizsäcker）才解开了这套行星理论的死结。他利用天体物理学收集到的新信息，证明了康德-拉普拉斯假说此前的所有矛盾之处都能轻易化解，我们可以构建出一套详细的行星起源理论，说清行星系统的许多重要特性，而其中很多特性都是旧理论未曾涉及的。
过去几十年，天体物理学家完全改变了自身对宇宙化学组成的看法，魏茨泽克的主要论点正是建立在这一基础之上。过去人们普遍认为，太阳和所有其他恒星的化学成分的百分比都和地球一样。地球化学分析显示，地球主要是由氧（各种氧化物的形式）、硅、铁和少量其他较重的元素组成。氢、氦等轻质气体（以及氖、氩等所谓的稀有气体）在地球上的存量都很小。[2]
由于缺乏更好的证据，天文学家也一直假设此类气体在太阳和其他恒星中的存量很少。但是，通过对星体结构更详细的理论研究，丹麦天体物理学家斯特伦格伦（B. Stromgren）认为这一假设大错特错，事实上，太阳中至少有35%的物质都是纯氢。后来，这一估值又提升到了50%以上，人们还发现太阳中包含很高比例的纯氦。对太阳内部的理论研究（最近在史瓦西（M. Schwartzschild）的重要工作中达到高潮），以及对太阳表面更精密的光谱分析，促使天体物理学家得出了一个惊人结论：地球中常见的化学元素仅占太阳元素构成的1%左右，其余几乎都是氢和氦，前者含量略高。显然，这一分析也适用于其他恒星。
此外，人们还了解到，星际空间并非完全的虚空，其中包含了由气体和微尘组成的混合物，平均密度约为每1 000 000立方英里1毫克，而这些无比稀薄的物质的化学成分显然与太阳和其他恒星相同。
虽然这种星际材料的密度极低，但我们很容易证明它们的存在，因为有一些距离很远的恒星，它们发出的光需要数十万年才能射入我们的望远镜，而星际材料会对此类光线产生可见的选择性吸收效应。通过这些“星际吸收光谱”，我们能很好地估算出星际材料的密度，并证明它几乎完全由氢（也可能有氦）构成。事实上，由各种“地球”材料构成的微尘（直径约0.001毫米）还不到其总质量的1%。
回到魏茨泽克理论的基本思路上来，我们可以说，这一有关宇宙化学成分的新知识为康德-拉普拉斯假说提供了直接依据。事实上，如果太阳的原始气体外壳由此类材料构成，其中只有一小部分较重的地球元素能用于构建地球和其他行星。其余不凝的氢气和氦气一定会以某种方式分离出去，要么落入太阳，要么扩散至周围的星际空间。前面说过，第一种可能会导致太阳自转速度过快，因此我们只能接受第二种可能，即“地球”物质形成行星后不久，多余的气态物质就扩散到太空中去了。
由此，我们可以将行星系统的形成过程描述如下：当太阳最初由星际物质凝结而成时（见下一节），它的很大一部分（大概是目前行星总质量的一百倍）仍留在外面，形成了一个巨大的旋转外层。（造成这一点的原因是，凝结成原始太阳的星际气体的各部分之间存在旋转状态的差异。）这一快速旋转的外层由不凝气体（氢气、氦气和少量其他气体）和各种地球物质的微尘（如氧化铁、硅化合物、水滴和冰晶）组成，后一类物质漂浮在前一类气体内，并随之旋转。大块“地球”物质（即我们所称的行星）的形成一定是微尘碰撞的结果，通过碰撞，它们逐渐聚合成越来越大的物体。图11-2描绘了此类相互碰撞的结果，当微尘的速度与陨石相当时，必然产生这样的结果。
图11-2
从逻辑上讲，两个质量相等的小物块以如此高的速度碰撞，必将双双粉碎（图11-2a），这个过程非但不会导致它们发展壮大，反而会毁掉较大的块体。但有另一种情况，当一颗小块体与一颗大小块体碰撞（图11-2b），很明显，前者会被后者收入囊中，构成一颗更大的新小块体。
显然，这两个过程会使小小块体逐渐消失，聚合成较大的块体。越到后期，这个过程的速度越快，因为在万有引力作用下，大块体会将周围掠过的小颗粒一一吸入。图11-2c描绘了这种块体增大后俘获能力增强的情况。
魏茨泽克证明，在大约一亿年的时间里，最初散布在当今的行星系统范围内的微尘一定聚合成了少数巨大块体，并最终形成了行星。
表11-1 太阳系八大行星、冥王星及小星行与太阳的距离
行星围绕太阳旋转的过程中会不断吸聚大大小小的宇宙物质，而在新的持续撞击下，行星会保持很高的温度。但很快，恒星尘埃、碎石和岩块的供应就会耗尽，行星也会停下壮大的脚步，此时这些新生成的天体会向星际空间辐射能量，这会导致其外层迅速冷却下来，形成硬壳。时至今日，这一缓慢的内部冷却过程仍在持续，行星的硬壳也在持续变厚。
接下来，行星起源理论试图解答另一个重要问题：掌控不同行星与太阳距离的法则（称为提丢斯-波得定则）是什么？表格11-1列出了太阳系八大行星、冥王星及小行星带与太阳的距离，小行星带显然是一个特例，它们未能成功聚合成单独的大行星。
最后一列数字特别有意思。尽管数值各不相同，但显然每个数都接近于2，由此，我们可以写下一条大致的规律：每颗行星的轨道半径大致都是前一颗行星轨道半径的两倍。
表11-2
有趣的是，类似的规律也适用于行星的卫星，从表11-2中土星的九颗卫星与土星的相对距离也可以看出这一点。
和行星本身的例子一样，这里也存在较大偏差（特别是对于土卫九！），但这个例子无疑再次证明，确实存在这样一种明确的趋势。
那么，我们该如何解释：为什么太阳周围原始尘埃云的聚合没能形成一颗单独的大行星？为什么现在这几颗行星会以这样的距离围绕太阳运转呢？
要回答这个问题，必须先对原始尘埃云的运动做一番更细致的研究。首先，我们要知道，根据牛顿万有引力定律，一切围绕太阳运转的物体，不论是微小的尘埃粒子、小陨石，还是巨大的行星，都会沿着椭圆轨道运转，而太阳位于这些椭圆的其中一个焦点之上。如果形成行星的材料最初都是些直径为（比如）0.000 1厘米的颗粒，[3]那么，当时一定有约1045个这样的颗粒沿着各种尺寸和形状的椭圆形轨道运转。显然，在如此拥挤的道路上，颗粒间必然会发生无数次碰撞，在这些碰撞的作用下，颗粒的运动一定会逐渐彰显出某种程度的秩序。我们不难理解，这种碰撞要么会让“违反交规者”粉身碎骨，要么会迫使他们“绕道而行”，去往不那么拥挤的“车道”。那么，掌控这种“秩序”（或至少“半秩序”）的到底是什么规律呢？
要解决这个问题，我们先来选择一组围绕太阳运转的微粒，且它们具有相同的旋转周期。其中一些沿相应半径的圆形轨道运转，另一些沿圆扁不一的椭圆形轨道（图11-3a）运转。现在，让我们尝试从一个绕着太阳中心转、周期与微粒公转周期相同的旋转坐标系（X，Y）的角度，来描述这些微粒的运动。
图11-3 上观察圆形和椭圆形运动
首先，很明显，从这个旋转坐标系看去，沿圆形轨道移动的微粒A似乎一直停在A'位置上。沿椭圆形轨道移动的微粒B距离太阳时远时近。其角速度在离太阳近时较大，离太阳远时较小。如此一来，它一会儿跑到匀速旋转的坐标系（X，Y）前面去，一会儿又落到它的后面。不难看出，从该坐标系看去，微粒B会走出一条封闭的豆子形轨迹，即图11-3b中的B'。还有另一个微粒C，它沿一个更扁的椭圆形轨道运转，从坐标系（X，Y）看去，它也会走出类似的豆子形轨迹C'，只是会更大一些。
显然，这么多微粒运转时要想避免相撞，它们在匀速旋转的坐标系（X，Y）中走出的豆子形轨迹必须不相交才行。
我们知道，围绕太阳旋转的周期相同的粒子，与太阳的平均距离也是相同的，因此，在坐标系（X，Y）中不相交的轨道模式一定像一串位于太阳周围的“豆子项链”。
上述分析对于读者可能有些艰深，但它涉及的其实是一个相当简单的流程，这里的目的是告诉大家与太阳平均距离相同因而旋转周期相同的微粒要想不相交，需要遵循什么样的交通规则。而我们可以想见，在围绕原始太阳旋转的原始尘埃云中，一定存在有着各种各样的平均距离，以及相应的各种各样的旋转周期的微粒，因此实际情况一定复杂得多，不会只有一条“豆子项链”，一定有很多很多条，它们以各种各样的速度绕着彼此旋转。魏茨泽克通过细致的分析证明，此类系统要想达到稳定状态，每条“项链”必须包含五个独立的旋涡系统，完整的图景会像图11-4 的样子。
这样的安排能保障每一条“项链”内部的“安全通行”，但由于这些“项链”的旋转周期各不相同，难免会有两条“项链”相撞，发生“交通事故”。分属相邻两条“项链”的微粒会在此类边界区域发生大量相互碰撞，一定是这一点导致了聚合过程的发生，进而导致在这些特定的距离下产生越来越大的块体。如此，每条“项链”内部的物质会越来越少，而边界区域的块体会越来越大，最终形成了行星。
上文对行星系统形成过程的描述，简单解释了掌控行星轨道半径的古老规律。实际上，只需简单的几何计算就能看出，在图11-4所示的模式中，“项链”之间的边界线的半径构成了简单的几何级数关系，每条边界的半径都是前一条半径的两倍。我们还能看出为什么这条规律不那么精确。实际上，掌控原始尘埃云粒子运动的并非什么严格的定律，而只是某种倾向，去除这种倾向后，尘埃云的运动将是不规则的。
图11-4 原始太阳外层的尘埃车道
相同的规律也适用于太阳系中不同行星的卫星系统，可见，卫星的形成也遵循大致相同的途径。当围绕太阳的原始尘埃云分成单独的微粒群，并形成各行星后，这个过程会在行星处重复，即大部分材料聚集于中心形成行星体，剩余材料围绕行星旋转，并逐渐聚合成一颗颗卫星。
我们只顾着讨论尘埃微粒的相互碰撞和聚合，而忘了说原始太阳外层中约占总质量99%的气体部分的去向。不过，这个问题相对比较容易回答。
当尘埃微粒相互碰撞并形成越来越大的块体时，无法参与该过程的气体逐渐消散到了星际空间。通过相对简单的计算就可以算出，这个消散过程大约需要1亿年，与行星生成的时间差不多。也就是说，在行星最终形成时，构成原始太阳外层的大部分氢和氦一定都逃离了太阳系，只留下一些难以察觉的微小痕迹，即上面提到的黄道光。
魏茨泽克理论的一个重要结论是：行星系统的形成并非孤立事件，而是在几乎所有恒星的形成过程中都会发生的事。这与碰撞理论的结论构成了鲜明反差，基于碰撞理论，行星的形成在宇宙的历史中是极其特殊的。事实上，根据计算，恒星相撞的情况极为罕见，银河系虽然有400亿颗恒星，但在其数十亿年的历史中，恒星相撞的次数屈指可数。
现在看来，每颗恒星都有一套行星系统，仅银河系中就一定有难以计数的行星，这些行星的物理条件几乎与地球一样。如果这么多“可栖居的”世界里都没有发展出生命，或者生命无法发展至最高阶段，那可真是咄咄怪事了。
实际上，如第九章所述，最简单的生命形式，比如各种各样的病毒，只是些主要由碳、氢、氧和氮原子组成的复杂分子而已。此类元素一定都大量存在于一切新形成的行星表面，因此我们不得不相信，一旦固体地壳形成，大量水蒸气通过降水形成水域，在必要原子和必要条件的偶然结合下，迟早会有几个这样的分子浮现出来。诚然，由于活分子非常复杂，意外形成的可能性小之又小，这就像我们拿起一盒拼图，随手晃一晃，就指望它自行拼好一样，概率非常之低。但也别忘了，有那么多原子在不断发生碰撞，又有那么长的时间供它们撞来撞去，总有一天会撞出需要的结果来。在我们的地球上，地壳形成后不久，生命就出现了，可见（虽然看似异想天开），复杂有机分子的偶然形成可能只需要几亿年的时间。一旦最简单的生命形式出现在新形成的行星表面上，生物的繁殖及缓慢的进化过程必然会导致越来越复杂的生物的形成。[4]我们并不清楚各种“可栖居的”行星上的进化过程是否会遵循与地球一样的过程。通过研究不同世界的生命，我们将能从根本上理解进化的过程。
在不远的将来，我们或许可以乘坐“核动力太空船”前往火星与金星（太阳系中最“可栖居”的行星），探索那里可能存在的生命形式。但对于数百或数千光年以外的其他恒星世界，生命是否存在或以何种形式存在，或许永远都会是科学上的不解之谜。