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太阳系角动量分布问题

任何学说最终都必须接受实践的检验,可检验性是构建科学理论的重要原则。在长期的观测实践基础上,人们所了解的太阳系,其结构和运动具有如下特征:

(1)以太阳为核心,各行星携卫星都运行在以太阳为中心的椭圆形轨道上。

(2)所有行星都有公转和自转,且大多数行星自转方向与公转方向一致。

(3)大行星轨道具有同向性和共面性,且轨道平面接近于垂直太阳自转轴的平面。

(4)行星的分布,其轨道半径符合提丢斯——波得定则。

(5)太阳质量占太阳系总质量99.8%,而太阳角动量只占太阳系总角动量的0.6%。

(6)根据放射性元素测定,太阳系的年龄在50亿年左右。

除此之外,太阳系中还有卫星、小行星和彗星等多种次级天体的运动。太阳系的这种结构和特征,要求任何一个关于太阳系起源和演化的学说,对此都必须做出合理解释。

现代星云说虽然能很自然地说明行星轨道的共面性、同向性和近圆性特征,及行星轨道面与太阳赤道面相重合现象;但是,它却忽略了行星的椭圆形轨道问题,而这一轨道特征恰恰是解决太阳系角动量分布的关键。

早在十七世纪,科学家们就注意到了行星的椭圆性轨道问题。素有“天空立法者”盛誉的德国天文学家开普勒,于1609年发表了两条关于行星运动的定律,其中第一条定律说:每一行星都沿着椭圆轨道绕太阳运行,太阳位于椭圆轨道的一个焦点上。那么,行星的运动轨道为什么是椭圆形,而不是标准的圆形呢?这一问题在万有引力定律问世之前,曾困扰了许多科学家。1684年,当时著名的科学家惠更斯、胡克和哈雷等人,虽然他们都认为天体间的引力作用存在着“与距离的平方成反比”的关系,但是,却都苦于难以解释行星的椭圆形轨道问题。据说,当哈雷登门拜访牛顿时,才知道这个问题牛顿早己在两年前解决了。

牛顿是怎样解决这一问题的呢?牛顿根据运动三定律和万有引力定律证明,行星是沿着椭圆形轨道运行的,太阳位于椭圆形轨道的一个焦点上。根据物体的初始速度和位置,他证明在万有引力的作用下,物体的运动轨迹有三种:椭圆轨道、抛物线轨道和双曲线轨道。如果行星的初始速度很大或离太阳很远,就会形成抛物线轨道或双曲线轨道,它们都属于非闭合轨道。在抛物线与双曲线的轨道上,行星只能在太阳附近出现一次,以后就消失了。而太阳系诸行星之所以能够在椭圆形轨道上运行,就是因为行星最初离太阳不是很远,或者运动的初始速度不是特别大。

问题似乎顺理成章地解决了,然而一经分析就会发现,牛顿在解决行星椭圆形轨道问题时,运用的是太阳系起源的俘获说。行星椭圆形轨道的形成是有前提的,即在太阳系的演化过程中,行星必须是具有一定初始速度和位置的外来客体,这是俘获说的观点。而现代太阳系起源学说则认为,行星是在原始的星云盘中诞生的,星云盘在绕星云核的旋转过程中形成星云环,然后再由星云环演化为行星。行星和太阳是由同一原始星云演化而来,这样诞生的行星只能运行在标准的圆形轨道上。行星与太阳的同源性,使牛顿对行星椭圆形轨道的解释失去了理论前提。

如果说行星的椭圆形轨道不是按牛顿的俘获说观点形成的,那么,在星云说中,行星的椭圆形轨道又是如何形成的呢?答案是太阳旋转质量场的作用结果。

行星绕太阳公转,太阳的质量场将产生两种作用效应,一是径向方向的万有引力,它为行星的圆周运动提供了向心力;二是在行星运动轨道切线方向上产生涡旋力,它将使行星圆周运动的线速度不断增大。根据经典力学,做圆周运动的物体,在向心力不变的情况下,其轨道半径与线速度的平方成正比;所以当行星线速度增大时,其轨道半径将同时增大。因此,在太阳两种力的作用下,行星发生了非匀速圆周运动,由初始的圆形轨道进入了椭圆形运动轨道。行星的这一轨道演变过程,与银河系恒星的轨道演变过程完全相同。

其实,我们在这里讨论行星的椭圆形轨道问题,并不是目的,而是以此引起人们对太阳旋转质量场作用的注意。在传统观念中,人们只注意到质量场随物体的平行移动,对于旋转物体,却忽略了质量场的运动行为,没有意识到质量场应该是随物体一同旋转的。在银河系,旋转质量场的作用,曾把人们带入“暗物质”的误区;在太阳系,旋转质量场的动力学效应,不仅仅在于它改变了行星的运动轨道,更主要的是它完成了太阳系角动量的转移。

在太阳系演化初期,原始星云中的大部分物质都被吸引到原始太阳上,它的自转角动量占原始星云角动量的99%以上,新诞生的行星公转角动量不足1%。行星形成之初,其公转速度比现在慢得多,轨道半径也比现在小得多;但是,随着时间的推移,太阳自转角动量逐渐由旋转质量场传输给了行星,结果行星的匀速圆周运动变成了加速圆周运动——椭圆运动,公转速度逐渐加快,轨道半径逐渐增大,公转周期逐渐增长。这样,太阳系在几十亿年的演化过程中,逐渐实现了角动量由太阳向行星的转移。

当诸行星从太阳处不断获取角动量后,太阳系的半径随之增大,整个太阳系处在一种轨道膨胀状态之中。这一点可以从水星的自转周期与公转周期的关系予以证明。

按照水星相对太阳的运动关系,水星的自转周期应该严格地与公转周期相等,就如同月球相对于地球一样。但是,如果水星处在一种变速运动状态,公转速度加快,轨道半径增大,那么,公转周期就将增大,即公转周期大于自转周期。反过来说,若水星的公转周期大于自转周期,那么就意味着水星的轨道半径就处在增长之中。而事实正是如此,水星的公转周期为88天,而自转周期只有58.6天。如若把这一结论扩大到太阳系,所有的行星都遵循相同的规律,那么就可以得出这样的结论,整个太阳系处在轨道膨胀之中。

通过分析行星的运动还可以发现,太阳旋转的质量场不仅改变了行星的圆周运动状态,而且还产生一种次级运动效应,那就是行星在近日点的进动。很明显,在周期性的公转运动过程中,行星每运动到近日点一次,在太阳旋转质量场的作用下,近日点的位置都要向前发生一次位移,椭圆轨道的短轴半径与上一周期的短轴半径不能重合,在质量场的旋转方向上形成了一个夹角,它就是行星在近日点的进动夹角。这一规律对太阳系内所有行星都适用,只是水星的进动表现得更为明显而已。

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