太陽系是如何形成的？

以下內(nèi)容來自 約翰·E.梅菲爾德 的 《復雜的引擎》 一書。

我們的太陽系大部分也可以視為三個作用定律的產(chǎn)物，分別是能量守恒、動量守恒和引力。能量守恒定律說的是能量既不能創(chuàng)生也不能消滅，只能轉(zhuǎn)換形式。常見的例子包括化學能轉(zhuǎn)換成火的熱能，跳傘時勢能轉(zhuǎn)換成動能，發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換成電能。動量守恒說的是運動物體除非受到外力作用，否則會一直保持運動速度和方向。引力定律的經(jīng)典形式說的是兩個物體會互相吸引，吸引力正比于兩者質(zhì)量的乘積，反比于兩者距離的平方。引力定律的表達式類似于庫侖定律，只不過吸引的是質(zhì)量而不是電荷，并且質(zhì)量從不互相排斥。

如果不在意細節(jié)的話，太陽系的形成很容易理解。故事大致是這樣。在宇宙中不斷有恒星誕生。在太陽出現(xiàn)之前，空間中有氣體和塵埃組成的云。云中大部分是氫和氦，但也包含碳、氧、氮、鐵等在現(xiàn)在的太陽系中找得到的元素。氫和氦大部分在宇宙大爆炸最初的幾分鐘里形成，其他元素則在恒星中形成，恒星在超新星爆發(fā)后將其組成物質(zhì)拋散到空中變成塵埃微粒。這些超新星很重要，因為它們創(chuàng)造了重元素，并且爆炸產(chǎn)生的物質(zhì)流會導致附近的塵埃和氣體云運動，分布變得不均勻。

空間中不均勻的氣體云是不穩(wěn)定的。引力定律決定了所有原子、分子和塵埃會相互吸引。結(jié)果原子向原子運動，物質(zhì)塊向物質(zhì)塊運動。動量就是對這種物體相對運動的度量。

對于運動的粒子，如果最初沒有朝質(zhì)心運動，動量守恒會阻止它們直接相向運動。動量守恒和引力定律的交互作用會使得粒子圍繞高密度的中心旋轉(zhuǎn)。

能量也必須守恒。當粒子相互旋轉(zhuǎn)時，它們的速度會增加，因為引力勢能會轉(zhuǎn)換成動能。隨著相互吸引的氣體和塵埃粒子旋轉(zhuǎn)得越來越近，它們的速度也會越來越快，發(fā)生碰撞越來越頻繁。碰撞后會發(fā)生什么取決于粒子的化學性質(zhì)。一些碰撞是彈性的，粒子就好像臺球相互彈開。一些碰撞是無彈性的，粒子就好像橡皮泥一樣粘到一起。無論哪種碰撞都必須遵守能量守恒和動量守恒。

碰撞還會產(chǎn)生熱，以紅外輻射的形式放射。粒子碰撞、彈開和黏合到一起的結(jié)果是黏合的粒子越來越多，并且所有粒子的運動變得協(xié)同一致。所有粒子聚攏并降低速度，導致熱能損失。由于旋轉(zhuǎn)，氣體云會變成盤狀。大部分塵埃和氣體會在中心附近，少量在外圍。能量和動量守恒使得中心附近的粒子和氣體運動得最快，最外面的物質(zhì)則運動得最慢。隨著分子越來越接近旋轉(zhuǎn)中心，碰撞也越來越頻繁。碰撞越多釋放的熱量也越多，中心也變得更加熱和致密。最終云團中心變得如此熱和致密，以至于開始出現(xiàn)熱核反應。這又會產(chǎn)生更多熱和輻射。輻射將原子和分子外推，與向內(nèi)的引力相互抵消。

當輻射導致的外推與引力的向內(nèi)拉相互平衡，就會形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；我們稱之為恒星或太陽。這時外部的氣體和塵埃盤變得引力不穩(wěn)定，因為大塊環(huán)繞物質(zhì)的引力會改變附近物體的軌道。改變的軌道相交，導致的碰撞形成更大的物體，對附近的聚集體、氣體和塵埃的引力也越來越大。變大的物體相互吞噬，最后只留下少數(shù)大的聚合體（行星）。行星圍繞太陽形成稀疏有序的結(jié)構(gòu)，相互之間的距離遙遠，不會相互干擾。如果它們靠得太近，就會相互拉扯偏離軌道并最終相撞。

大致就是這樣。實際的細節(jié)極為復雜，但三個簡單規(guī)則的交互確保了，只要存在規(guī)模合適的、運動的和不均勻的氣體塵埃云，就會形成有序的太陽系結(jié)構(gòu)。