教科书背后的故事

于鹏翔

我们今天的话题从一个简单的问题开始：地球是静止的还是运动的？如果你喜欢地理或者天文学，相信你一定会脱口而出：地球必然是运动的呀，地球有自转，还有公转。你可能还会说：地球自转的中心是地轴，公转的中心是太阳;地球自转一周是一天，公转一周就是一年。甚至你可能还会说：不只地球会自转，其他行星甚至太阳都会自转;不仅如此，公转的轨道也不是一个完美的圆圈，而是一个椭圆。没错，地球的自转和公转是我们认识这个世界的基础，自转造成了昼夜的更替，公转造成了四季的循环。这两种旋转那么重要，但你有没有想过这些天体为什么会自转和公转呢？

天体的这两种运动可不是一件简单的事情，它们的形成与整个太阳系的形成都有关系。

旋转源自太阳系起源

故事要从遥远的46亿年前讲起。那时在一片宇宙空间中，没有地球，没有太阳，也没有太阳系，有的只是一大团球状云气。当然，这团云可不是天空中那种水汽凝结而成的云彩。这团云气主要是由宇宙大爆炸产生的氢和氦组成的，而剩下的部分则由死去的恒星抛射在宇宙中的重元素组成，比如铁、硅等。我们姑且称这种云气为太阳星云吧。

也许是由于太阳星云本身密度不均匀，又或者因为遥远的地方传来的一阵超新星爆发所引起的引力波，在46亿年前的某一时刻，太阳星云中不再平静，它开始自己运动起来。就像是平静的水面原本稳定的状态被打破，突然泛起涟漪。在引力的作用下，云气中的物质开始相互碰撞、汇聚。它们有的沿着一条线路横冲直撞，有的则围绕某一个中心旋转，更多的则是一边旋转一边横冲直撞。

如果星际物质的大小质量相等，运动方向相反，那么碰撞时它们的能量就会抵消，物体会从运动变为静止状态。但是在如此庞大的一团太阳星云中，几乎不存在所有物质聚在一起然后能量完全抵消的可能性。总会有一些“淘气”的物质要么多了一些质量，要么多了一些速度。这多出来的一点点就会打破原本的平衡，使得这团云气开始向某一个方向旋转。如果你觉得难以理解，可以想象台球比赛的情景：一只白球击中了一堆彩球，于是满桌的球开始运动起来，产生了各种方向上的运动，并继续碰撞着。只不过桌子给球的摩擦力最终会使球停下来，而在茫茫宇宙中，几乎没有摩擦力，运动一旦开始就不会停止。这时如果从这团云气的上方观察，你就会看到整个太阳星云都在围绕一个中心旋转，而这个旋转平面的上下部分物质还会彼此靠近合并。它们自身运动所携带的能量也会在碰撞中相互抵消，那些抵消不掉的能量就转化为整个星云旋转的力量。

在旋转中，太阳星云变得越来越扁，就像厨师旋转一张比萨饼的面皮那样越转越平。旋转的太阳星云越来越像我们现在见到的太阳系的形状。与此同时，它的直径也在物质的合并中变得越来越小，直径减小带来的直接后果就是太阳星云旋转的速度越来越快。合并使旋转加速，而加速又让更多的物质有机会合并。就这样过了亿万年，这片星云旋转中心的位置聚集的物质越来越多，密度越来越大。最终它的核心因为巨大的压力和极高的温度产生了核聚变反应。霎时间，代表了巨大能量的光从中激发而出，太阳就诞生了。

在这片星云的不同轨道上，同样的事情也在不断发生，只是因为太阳星云中绝大部分的物质已经被太阳占有，所以这些轨道中能形成的其他星体就要小得多，无法发生核聚变反应。但是它们也在努力地合并着周围的物质，就像大鱼吃小鱼，它们周围的轨道被“吞”得越来越干净，最终形成了太阳系中的行星、卫星、小行星、彗星等。而这当中就包括我们的地球。

发生了这一切，但太阳星云最初的那个旋转的力量并没有消失，而是被保留在了太阳和行星中，形成了行星围绕太阳的公转以及行星的自转。行星不仅继承了旋转的力量，也继承了旋转的方向。所以我们可以见到现在的太阳系中，所有行星都是沿着一个方向公转的，而且几乎所有行星的自转方向也一致。

频发的宇宙“交通事故”

不过这个关于旋转的故事讲到现在还没有结束。如果太阳系一直在平静地旋转，那么照理说所有行星不但自转方向一致，而且自转的角度也应该一样，就像旋轉木马，每一匹木马都有一个与旋转中心平行的轴。但是真实的太阳系并不是如此统一的。在太阳系形成的早期，时不时就会有一些不安分的“小家伙”闯入大行星的轨道，于是一场场宇宙间的“交通事故”就不可避免地发生了。

拿地球来说，在它刚形成不久时，一颗名叫忒伊亚的小行星就闯入了地球轨道，并与地球发生了一次“亲密接触”。这次碰撞的力量极为惊人，已经不能用天崩地裂来形容了，刚刚形成的地球甚至因为这次撞击差点儿“粉身碎骨”。这次撞击的一个直接后果就是地球被撞歪了，使地球的自转面与公转面形成了23.5°的夹角。

地球如此，其他行星自然也无法避免类似的撞击：天王星被撞得躺倒，它的自转方向与公转方向大约呈90°。而金星更是被撞得翻了个跟头，它的自转方向和公转方向几乎相反。再加上其他天体自身和相互的复杂作用，比如天体之间的潮汐作用、星体自身的自转轴进动等，天体们便形成了各自不同的自转和公转形态。

不简单的旋转

这个跨越46亿年有关旋转的故事到这里就要结束了。但是你可能已经想到一个关键问题：人类并没有能力穿越到46亿年前去观察太阳系的形成，那我们凭什么说地球的自转和公转都是继承于太阳系形成时产生的能量呢？

其实，地球旋转的原因远比我讲的复杂得多。这个看似属于地理学或天文学的问题中充满了物理学、化学等知识。比如说我们提到的太阳星云的成分就属于化学知识，而旋转的力量属于物理知识，证明地球与月球的起源还需要地质学知识，而通过观察而研究太阳系的形成又需要天文观测的知识。甚至关于太阳系的形成、地球遭受撞击等问题，科学家们还有很多不同的解释。我们讲的这些知识只是目前科学界认可最广泛的科学解释，而非确凿定论。

科学就是这样，总是从假说走向真理，但在追寻真理的过程中，我们还要不断去推翻、重建。希望大家也能带着这个问题不断地思考、探索，在未来的某一天给出自己的答案。