太阳系的形成与演进及宇宙的膨胀

钟萃相

（江西师范大学，江西 南昌 330022）

0 引言

关于太阳系的形成和演进，人们已提出多种假说[1-2]。这些假说大致可以分为两类：一类是星云说，另一类是灾变说。但两类假说都有严重的问题。其中最为广泛接受的假说是星云说，这种假说认为太阳系是由46亿以前的一个横跨数光年的巨大分子云经引力坍缩而成。由于该分子云的大部分质量集中于太阳系中心，从而形成了太阳；剩余的质量则形成了扁平的原行星盘，从这个盘中形成了太阳系的各大行星、卫星及其他天体。但随着20世纪50年代太空时代曙光的出现及90年代太阳系外行星的发现，这种假说不得不为适应新的发现而被修改。但即使是修改后的假说仍然无法解释许多事实。通常只由一个星球产生并围绕该星球展开的星云怎么能横跨数光年呢？为什么行星能围绕太阳旋转？为什么离太阳系中心较近的水星和金星本来有较多的物质来形成其卫星，却没有一颗卫星？还有许多无法解释的事实。所有这些事实都使现有的假说难以置信。于是，作者通过研究月球的起源，发现了卫星、行星和恒星的形成和演进机制，从而揭示了太阳系及其他宇宙星系的形成和演进规律。

1 月球的形成和演进

对于月球的形成，人们也提出了多种假说[3]，包括分裂说、同源说、俘获说和碰撞说[4]，但它们都有一些问题，令人难以置信[5]。于是，作者再次研究了月球的起源，发现了月球形成与演进的基本机制：

（1）大约在45亿年以前，也即在地球形成之初，地球便开始出现了频繁的火山喷发，因为那时地球离太阳很近，地球绕太阳运行的速度也快得多，地球内部积蓄了大量的热量，因而导致了频繁而猛烈的火山喷发。在一些猛烈的火山喷发过程中，有些诸如火山灰、火山弹和浮石之类的碎屑在巨大的岩浆喷射力的推动下可获得第一宇宙速度以上的飞行速度，从而进入绕地球运行的轨道，形成一层一层的环球“星云”。在这些进入绕地轨道的碎屑中有一块体积较大的碎片就是后来形成月球的雏形。另外，当火山喷射的方向与地球自转的方向一致时，射出的岩石碎片容易获得第一宇宙速度（7.9km/s）以上的飞行速度，所以在环绕地球的同一轨道中顺行碎片比逆行碎片多。因此，顺行星子可以吸收合并更多的顺行碎屑，碰撞更少的逆行碎屑，因而更容易成长为月球。这就是为什么月球是顺行卫星的原因。

月球雏形最初进入的绕地轨道相距地球较近，地球周围有大量的火山喷射物质，如火山灰、水蒸气、SO2形成的气溶胶等，形成环绕地球的“星云”。后来月球雏形不断地吸收轨道附近的这些物质而变得越来越大，并渐渐地远离地球，成为今天庞大的月球。

（2）月球远离地球的原因之一是顺行星子的撞击能使月球绕地球的公转速度增加，离心力增大，从而使月球远离地球[6]。

（3）月球远离地球的另一个原因是随着地球大气层和水圈的增长，地球的自转速度逐渐加快。美国国家标准技术研究所在1999年的观察结果也表明地球的自转正在逐渐加速。由于地球的潮汐活动、内部流体活动、火山活动、地震活动等，地轴经常偏离空间里的南北轴线，每天围绕南北轴线旋转一次，在地球的自转过程中地球质心的轨迹形成环绕南北轴线的一个圆圈。例如，2011年3月日本东北部海岸发生的9.0级大地震，使地轴偏移了25厘米，并使地球自转速度加快[7-8]。因此，当地球自转加速时，在地球万有引力的拖曳下，月球绕地球的公转速度也会加快，从而使月球绕地球公转的离心力增大，最终使月球远离地球。这就是为什么人们观察到月球正在渐渐地远离地球的原因。

由于同样的原因，一批又一批地球火山喷射物或星子被驱离地球并传送至月球，使月球在40亿年中成为一个覆盖火山灰的大卫星。

（4）月球远离地球的第三个原因是月球上的一些火山喷发也能驱动月球远离地球。即当月球上有火山口朝着与月球公转切线方向相反的方向连续不断地喷出大量的高速气体及其他火山物质时，可使月球获得巨大的动量，提高公转切向速度，从而使月球绕地球公转的离心力增大，最终使月球远离地球。

2 太阳的形成和演进

由于太阳绕银河系中心旋转，因此可以推断它原来是由银河系中心某个母星产生的一个卫星，正如月球是由地球产生的那样。

当该卫星成长为地球大小的行星时，它便能从宇宙空间中吸收大量的水气来形成自己的大气层，甚至形成大的冰体或水体。当它的母星变成发光发热的恒星时，由于它绕其母星按反时针方向旋转，该行星上靠近母星的那一面受到来自母星阳光的照射，使该面的温度高于背面的温度，从而使该面蒸发起更多的水气,甚至形成撞击高山的巨云或横扫大地的风暴。因此，在该行星绕母星旋转的过程中，该行星上靠近母星的那一面比另一面受到更大的空气阻力，从而使该行星从西向东自转。这也是一般行星从西向东自转的原因。

由于行星自转离心力的作用使行星成长为赤道隆起、两极稍扁的球体。行星赤道半径大于两极及其他位置的半径，而万有引力和距离的平方成反比,所以越靠近赤道物体受到的万有引力越小，所以在赤道附近射出的物质容易获得足够的速度，进入绕行星旋转的轨道。另外，如果行星上有水，则在万有引力的作用下，会使得两极及其他地区的水流向赤道区域，也会使赤道隆起、两极扁平。因此，赤道附近比其他地区受到水的侵蚀更早和更严重，这就使得赤道附近更容易发生火山喷发，而且喷发得更早、更频繁和更猛烈。在一些猛烈的火山喷发过程中，一些火山灰和碎屑可以获得足够的速度，进入绕行星旋转的轨道。特别是，当火山的喷射方向与行星的自转方向一致时，喷出的物质容易获得足够的速度，进入绕行星旋转的轨道；当火山的喷射方向与行星的自转方向相反时，喷出的物质难以获得足够的速度来进入绕行星旋转的轨道。所以，在环绕行星的同一轨道中顺行物质多于逆行物质。因此，顺行星子可以积聚更多的顺行物质，碰撞更少的逆行物质，因而容易形成卫星。当该行星长大成恒星时，它的一些卫星就成长为行星。这就是为什么环绕太阳的八大行星都是顺行的行星。另外，由于赤道附近喷出的物质容易获得足够的速度，进入绕行星旋转的轨道，然后凝聚成卫星。这就是为什么八大行星的轨道几乎位于同一个平面，而且该平面与赤道面的夹角很小。

太阳的成长经历了多个阶段。开始太阳是一个体积和质量都很小的卫星。后来该卫星不断地吸积轨道附近的“星云”物质而变得越来越大，并在星子撞击或自转逐渐加速的母星的万有引力的拖曳或火山驱动下渐渐地远离银河中心，演进成地球大小的行星。后来它又遇到了一些通过变轨从后面追赶上来的行星的撞击，使它成长为比木星更大的气体巨星，而且更加远离银河中心。当太阳变成接近现在大小的原恒星时，该原恒星内部氢的压力和密度大得足以启动热核反应。当该原恒星上发生猛烈火山喷发或与轨道附近的天体发生碰撞时，便启动了其上的热核反应。仅当太阳大得足以吸收轨道附近的气体和尘埃来维持其热核反应时，它才能成为主序星，即一个永恒地发光和发热的星球。

由于太阳的质量约占太阳系全部质量的99.86%，因此在它环绕银河中心运行的过程中，它能够从轨道附近空间中吸收足够的气体和尘埃来维持其热核反应，因而它成为了一个不断地地发光和发热的恒星。事实上，在太阳的热核反应过程中，氢聚变成氦，氦又聚变成碳、氧和其他重元素。在不完全燃烧过程中，碳未被完全氧化，便生成一氧化碳。氧的燃烧又产生水蒸气。当这些气体逃逸到太空之后便形成环绕某些星球上的云团。当云团碰撞产生雷电时，一氧化碳与水在高温下发生反应，产生二氧化碳和氢气 (CO+H2O→CO2+H2)。同时，水的电离也能产生氧气和氢气。因此，太空能源源不断地为太阳的热核反应提供氢气。于是，太阳成为了一个永恒地发光和发热的星球，除非太阳被某个巨星撞破使其质量小得不能吸收足够的气体和尘埃来维持其热核反应。

3 行星的形成与演进

正如前面所述，太阳系的八大行星起源于后来形成太阳的行星的卫星。在八大行星的成长过程中，它们不断地吸积轨道附近的“星云”物质而变得越来越大，并在星子撞击或自转逐渐加速的母星的万有引力的拖曳或火山驱动下渐渐地远离母星。

3.1 水星的形成与演进

现在水星是离太阳最近的行星，白天表面温度可达到430℃，夜间可能降至-170℃。所以其上没有大气层或水。但“信使号”太空飞船发现水星上存在过去火山活动的证据。这意味着水星是在太阳还处于未发光的原恒星状态时形成的卫星。水星的早期轨道比现在的轨道离太阳近得多，因此它以比现在快得多的速度绕原恒星旋转。水星的高速旋转使得其内部积聚了大量的热量，从而使其内部物质发生了熔融和分异，形成了包括壳、幔、核在内的不同层次。由于水星受到水的侵蚀较小，因此它具有较高的金属含量。

另一方面，由于水星的早期轨道离原恒星非常近，因此它从原恒星的大气层中吸收了大量的水气，形成了其上的巨大水体或冰体。在水的长期侵蚀下，水星上发生了一系列火山喷发。猛烈的火山喷发能够改变水星绕原恒星的轨道。特别地，在自转逐渐加速的原恒星的万有引力的拖曳下水星更是不断地远离母星。当水星被驱离原恒星到当前轨道附近时，原恒星就变成了主序星。来自太阳的巨大热量使得水星上的水气全部被蒸发掉了，留下干燥的水星。所以，它无法产生足够的火山喷发来形成自己的卫星。

由于水星的大气层非常稀薄，水星白天和晚上的温度差对于水星的大气密度几乎没有什么影响，加上水星离太阳很近，因此水星被太阳引力紧紧锁定，使水星自转和公转的周期相同，除了公转几乎没有自转。

3．2 金星的形成与演进

金星是离太阳第二近的行星，但它是太阳系中最热的行星，因为其大气层中含有很厚的温室气体，能够捕获和保留大量的太阳热能。因为如此灼烧的热量会使任何东西蒸发了，所以其上没有大气层或水，使金星表面非常干燥。但太空飞船在火星上发现了许多过去火山活动的证据。所以，正如水星那样，金星也是在太阳还处于原恒星状态时形成的卫星。金星的早期轨道比现在的轨道离太阳近得多，因此它从原恒星的大气层中吸收了大量的水气，形成了其上的巨大冰水体。许多猛烈的火山喷发能够改变金星绕原恒星的轨道，将金星渐渐地驱离原恒星。另外，小行星不时的撞击，也能把金星驱离原恒星。特别地，在自转逐渐加速的原恒星的万有引力的拖曳下金星更是不断地远离母星。但在原恒星变成了主序星后，来自太阳的巨大热量使得金星上的水气全部被蒸发掉了，留下干燥的金星。所以，它无法产生足够的火山喷发来形成自己的卫星。

另外，金星的自转是个例外。因为金星表面温度非常高，其上的水蒸气早已被蒸发殆尽，这使得太阳的照射无法影响金星大气的密度，因此金星上靠近太阳那一面的大气密度与另一面的大气密度几乎相等。但是由于大气层上的温度差，金星上靠近太阳那一面的大气密度略低于另一面的大气密度，从而使得金星自东向西自转。

3．3 地球的形成与演进及全球气候变化

正如水星和金星，地球也是在太阳还处于原恒星状态时形成的卫星，但它比水星和金星形成得更早。由于地球的早期轨道比现在的轨道离原恒星近得多，因此它以比现在快得多的速度绕原恒星旋转。地球的高速旋转使得其内部积聚了大量的热量，从而使其内部物质发生了熔融和分异，形成了包括壳、幔、核在内的不同层次。

另一方面，地球的早期轨道比现在的轨道离原恒星近得多，因此它从原恒星的大气层中吸收了大量的水气，形成了其上的冰水体。由于水的长期侵蚀，地球上发生了一系列火山喷发，月亮就是由地球火山喷射物质形成的。猛烈的火山喷发能够改变地球绕原恒星的轨道。另外，小行星不时的撞击，也能把地球驱离原恒星。特别地，在自转逐渐加速的原恒星的万有引力的拖曳下地球更是不断地远离母星。直到地球转移到当前轨道附近时，原恒星变成了主序星，地球也成长为具有一个很大的水圈和大气层的巨星。当它绕太阳按反时针方向旋转时，该地球上靠近太阳的那一面受到来自阳光的照射，使该面的温度高于背面的温度，从而使该面蒸发起更多的水气。因此，在地球绕太阳旋转的过程中，地球上靠近太阳的那一面比另一面受到更大的空气阻力，从而使该行星从西向东自转。这就是一般行星从西向东自转的原因。

因为地球轨道的微小变化就能改变阳光在地球表面上的季节性分布和地理性分布，所以地球轨道的变化对气候的变化影响较大，而且与冰期和间冰期显著相关。比如，发生在傍晚前后的火山喷发，能为地球的公转产生正向推力，提高地球的公转速度，因而使地球的轨道扩大；发生在凌晨的火山喷发，能为地球的公转产生逆向推力，降低地球的公转速度，因而使地球的轨道缩小。因此，火山喷发引起地球轨道变化是导致全球气候变化及冰期与间冰期交替的关键因素。

3．4 火星的形成与演进

正如地球，火星也是在太阳还处于原恒星状态时形成的卫星，但它比水星、金星和地球形成得更早。火星也经历了如地球那样的形成和演进过程，形成了包括壳、幔、核在内的不同层次。正是在星子撞击或自转逐渐加速的母星的万有引力的拖曳或火山驱动下渐渐地远离原恒星。由于火星的质量比地球小得多，因此能更容易地将火星驱离原恒星，且火星从空间中吸收的水气也比地球少得多，这使得火星成为了一个沙漠星球。但随着火星质量的累积，它会吸收越来越多的水气而成为冰水星球，甚至成为木星大小的巨星。

由于火星像地球那样，具有很多的冰或水，因此在阳光的照射下，火星能够从西向东自转。

3．5 木星、土星、天王星和海王星的形成与演进

正如火星那样，木星、土星、天王星和海王星也是在太阳还处于原恒星状态时形成的卫星，但它比水星、金星、地球和火星形成得更早。它们也经历了如火星那样的形成和演进过程，形成了不同的层次。正是在星子撞击或自转逐渐加速的母星的万有引力的拖曳或火山驱动下渐渐地远离原恒星，而且比火星离得更远。

当木星被驱动到当前轨道附近时，它就变成了一个质量比太阳系内其他行星都大的行星，所以其轨道变化比行星慢得多。当一个内部轨道的较轻行星赶上木星时，就会发生猛烈的碰撞。这种碰撞会使较轻行星的部分碎片因公转速度降低而缩回到更小的内部轨道，成为小行星带中的星子，而较轻行星的大部分碎片会被木星吸收，增加木星的质量和公转轨道速度，从而使木星的轨道扩大。木星可能吸收了多个行星而成为一个巨大的行星。另外，木星是一个液态星球，具有很厚和很密的大气层，阳光对木星的大气层具有很大的影响。因此，木星不仅自西向东自转而且转得比较快。

由于土星赤道区域具有较大的半径，因此具有较小的重力加速度和物质密度，因而在赤道区域容易发生火山喷发，喷出的物质容易获得足够的宇宙速度进入环绕土星的轨道，形成环绕赤道的光环。这种光环多由冰颗粒、岩石碎屑和尘土组成。由于阳光对土星大气层的影响，土星也是自西向东自转。

由于天王星表面的温度从 49k（-224.15℃)到 57k（-216.15℃)，太阳无法从天王星的冰面上蒸发起水气来，因此阳光无法影响天王星对流层的大气密度。于是，天王星不像地球、火星和木星那样受到阳光照射的影响，它不是自西向东自转。相反，阳光只能使同温层和增温层的大气密度变低，因而使天王星自东向西自转。另外，由于天王星在当前轨道的公转速度较慢，天王星与前面提到的其他行星相比较，其通过火山喷发产生逆行星子的难度较小，因此可以喷出较多的逆行星子，这就是为什么天王星除了具有一些顺行卫星之外，还具有几颗逆行卫星的原因。

由于海王星在当前轨道的公转速度最慢，因此海王星通过火山喷发产生逆行星子的难度更小，这就是为什么海王星也具有一颗逆行卫星。

由于这些类木行星比火星喷出了更多的壳幔层物质来形成自己的卫星，因此它们只剩下一个较小的岩石或金属核。但由于它们的总质量比火星要大得多，因此它们吸收了更多的气体来形成气体巨星。

3．6 小行星带的形成与演进

在小行星带[9]形成之前，可能有些像火星大小的行星运行在火星和木星之间的轨道上。在它们的变轨过程中，有些行星的轨道与另外的行星的轨道相交，导致巨大的碰撞。碰撞产生的部分碎屑因公转轨道速度降低而进入到木星与火星之间的轨道上。这些碎屑慢慢地凝聚成一些小行星，便形成了小行星带。

4 彗星的形成与演进

彗星是小行星带外行星碰撞的结果，属于太阳系内的小天体。当一个彗星从后面撞上前面的一个带外行星时，该彗星的一部分因轨道速度大减而进入到近日点距离大大缩小的内部轨道，甚至进入到太阳系内部。该彗星残余部分与太阳的接近使其冰表面融化和电离，形成慧发：由气体和灰尘形成一条长长的尾巴，是人的肉眼可见的。当一个彗星经过地球傍边时，由于地球巨大的质量，能从彗星上吸收许多水气，这就是所谓的彗尾扫过地球。

5 宇宙星系的结构

根据上面所描述的太阳系的形成规律：一个原恒星能够产生多个绕其旋转的行星，而有些行星又能产生一些绕其运行的卫星。一个恒星可能有其母星；当一个卫星成长为行星时，它又能产生下一代卫星。因此，我们可以断言，一个星系的基本结构是由多代星球构成的层次结构，如一个树形结构。整个宇宙包含许多这样的星系，犹如一个无边的森林。

6 宇宙的膨胀

1929年美国天文学家哈勃首次发现星体间距离不断变大的现象并提出了宇宙膨胀理论。这一发现直接导致了“宇宙大爆炸理论”的诞生，该理论认为宇宙曾经是一个致密炽热的奇点,137亿年以前发生了一次宇宙大爆炸，从此宇宙就在不断地膨胀和冷却。显然该理论并未给出宇宙爆炸的充足理由和合理结果。从此天文学界就认为宇宙以一种恒定的速度膨胀，直到1998年Saul Permutter,Brian P.Schmit和Adam G.Riees通过对几十个遥远超新星的观察发现宇宙正以加速度膨胀，他们于是获得了2011年的物理学诺贝尔奖[10]。但人们仍然无法完全解释宇宙加速膨胀的原因。

如果用作者提出的星系形成理论来解释宇宙加速膨胀这一现象，则可以容易地证明“宇宙加速膨胀”这一结论的正确性。由于宇宙中的任何星系都是由多代星球组成的层次结构，其中任何一代星球都是作为母星的卫星生成的，这些卫星不断地吸积轨道附近的“星云”物质而变得越来越大，并在星子撞击或自转逐渐加速的母星的万有引力的拖曳或火山驱动下渐渐地远离母星，而且由于来自祖先恒星的阳光的减少，它们变得越来越冷。在作者提出本理论之前，人们认为宇宙膨胀的加速是某种黑能量驱动的，但这种黑能量是什么仍然是个谜——上述三位诺贝尔奖获得者也不清楚。而根据作者的理论，对于同一个星球，即使它运行在环绕同一母星的不同轨道上，该星球上两次规模相同的火山喷发都会导致相同的轨道速度的增量；但在不同的轨道上，相同的轨道速度增量将产生不同的轨道变迁，即该星球离母星越远，轨道变迁越大。另外，在母星万有引力的拖曳下，相同大小的“母星自转速度的增量”将使得处于不同轨道的同一子星的公转速度发生不同的改变，即子星离母星越远其公转速度变化越大，因而引起的变轨距离也越大。这就是宇宙加速膨胀的原因。

7 结论

由于现有的关于太阳系形成与演进的假说有许多问题，因此作者重新研究了太阳系及所有其他星系的形成与演进规律。由于作者发现了卫星和行星的变轨机制，从而首次揭示了月球的形成和演进规律。然后又根据月球的形成和演进规律，进一步揭示了太阳系的形成和演进规律，并且科学地解释了为什么环绕太阳的八大行星都是顺行的行星，为什么八大行星的轨道几乎位于同一个平面，而且该平面与赤道面的夹角很小,为什么多数行星绕自身轴由西向东自转。该理论还可以用来解释其他宇宙星系的结构、宇宙的膨胀和全球气候变化的原因。 因此，它是一种更科学更自然的理论。

［1］M Woolfson．The origin and evolution of the solar system [J].Astronomy&Geophysics，2000，41(1):1，12.

［2］Michael Zellik.Astronomy:The Evolving Universe (9th ed.)[M].Cambridge University Press.2002：240.

［3］Wieczorek,M.et al.The constitution and structure of the lunar interior[J].Reviews in Mineralogy and Geochemistry,2006，60(1):221－364.

［4］Canup,R.；Asphaug,E.Origin of the Moon in a giant impact near the end of the Earth’s formation[J].Nature,2001,412(6848):708-712.

［5］http://www.astrobio.net/pressrelease/4673/titanium-paternity-test-says-earthis-the-moons-only-parent.Titanium Paternity Test Says Earth is the Moon’s Only Parent(University of Chicago)[OL].

［6］Cui-xiang Zhong.Origin and Evolution of the Moon[C]//Proceedings IAU Symposium.2014,298:257.

［7］Chang,Kenneth.Quake Moves Japan Closer to U.S.and Alters Earth's Spin[J].The New York Times,2011-3-13.

［8］Chai,Carmen.Japan’s quake shifts earth's axis by 25 centimetres[J].Montreal Gazette(Postmedia News).2011,3,11.

［9］Vasilyev,M.V.；Yagudina,E.I.Hidden Mass in the Asteroid Belt[J].Icarus 2002,7,158(1):98-105.

［10］Nobel physics prize honours accelerating Universe find[J].BBC News.2011,10,4.