《世界本源》第三章天体演化

第三章天体演化在论述了运动的背景和相互作用问题之后，我们对于天体的运动和天体的平衡已经不再存在着任何疑问了，整个世界在我们眼前都是一幅清晰的图画。然而，这只是问题的一方面，问题的另外一个方面是，这些天体的过去是什么样子？未来又将如何变化？这些表面上非常不同的天体在演化的过程中有没有共同的地方？恒星在激烈地燃烧，时刻都放射出大量的光和热；行星和卫星是一个平静的固体，各种各样的元素构成了丰富多彩的世界；慧星、陨石、尘埃，展示着千姿百态，在宇宙中毫无忌惮地穿行，偶而也来袭击我们；还有那红巨星、白矮星、脉冲星、黑洞、超新星……，该有的都出现了，不该有的也都出现了。天文学是一门古老的学科，各种发现日新月异，各种假说层出不穷，然而，美中不足的是，宇宙似乎太复杂了一点，各种天体千奇百怪，彼此之间似乎毫无联系。是否每个天体都有着自己独特的起源，都有着不同的归宿？二十世纪以来，随着科学技术的发展，我们用射电望远镜接受了大量的来自空间的脉冲波和X射线，由此产生了原子被压碎的中子星，产生了爆炸得无踪无影的超新星，宇宙在膨胀，黑洞在吞吃着大量的物质……可怕极了！这些难道是真的吗？本章的目的就是试图找出星球演化的共同规律。一演化的基本途径（一）星球是怎样诞生的？我们知道，空中的蒸汽是一个动态平衡系统。已有的水珠不断地在被蒸发，不断崩溃，而新的水珠又不断地在收缩，不断地在形成。整个宇宙也是这样，也是处于这样的一个动态平衡元中，各个星球就是宇宙中的“水珠”，老的星球不断地在崩溃，而新的星球却不断地在诞生。水珠的形成是由于分子之间的作用力，同样，星球的形成是由于连续物质的粘性，当空中某局部区域的介质密度过大时，它的粘性就足以使邻近的质元趋向于更加靠扰而产生收缩，这样，在一个较大的体积内，尘埃、氢原子、连续物质都在这种粘性的作用下向着中心集中。这个过程不断地继续下去，体积不断地减小，密度不断地增大，直至最后形成一个非常密致的恒星。当然，这个过程并不是简单的收缩过程，在收缩中还会发生一系列的内部变化。总的来说，原始星球内部的压力将逐渐变大，温度将逐渐升高，物质的聚集状态也会发生相应的变化。每一处的物质都有收缩的趋势，这种收缩压缩着比它更深处的物质，同时，它们也受到其他物质的压缩，这样，作用的力量就已经相当可观了，物质进一步靠拢使得密度迅速上升，压力变大，温度升高。尤其在原始星球的内部，物质无从逃逸，而且受到四面八方的压力，它的变化更大。在这种情况下，氢原子就开始不断地从连续物质中产生，到一定的时候，氢原子又被挤压在一起而融合为氦原子，这样，核反应被引发了，原始星云成为一个燃烧的火球。进一步地，当氦的浓度足够大时，氦聚合为第二周期的元素，继而，随着进一步的收缩。压力更大，温度更高，第二周期的元素便开始合成Fe以及其他各种重元素。这便是宇宙中元素的来源。另外，星球不只是在收缩，而且在收缩的同时，在原始星球的表层上还存在着巨大的扩散，原始星球的绝大部分物质都将最终逃离个星球。这是因为，原始星球由于内部的粘性而不断收缩，这种收缩导致密度变大，这样在原始球的表层和周围的空间存在着一个巨大的密度差，在这个密度差的驱动下，大量的物质不断地逃逸。就是这样，一方面，星球内部的物质无从逃逸，它们在迅速地收缩，另一方面，表层的物质在飞快地扩散。同时，由于核反应产生大量的光和热，这些光和热的放射，也在一定程度上减少了星球的质量。这就是星球演化的第一阶段——燃烧阶段，也即恒星时期。在这个时期，体积不断变小，密度不断地增大，质量不断地减少，同时，合成了各种各类的元素。（二）恒星燃烧之后，将变成什么？在某种意义上来说，原始星球之所以能够收缩，完全是借助于核反应的发生。由于核反应，连续物质凝结为氢原了，氢原子又聚合为重元素原子，这使得物质的密度发生突变，使得虽然星球已经是非常密致的了，但它仍然相对稳定。如果没有核反应的发生，如果没有生存各种稳定的原子，这么悬殊的密度差是不可能存在的。星球的收缩引发了核反应，同时，核反应又使得收缩能够继续进行。因此，要使得星球的收缩不断地持续下去，核反应的层次就必致不断地升级。但是，核反应却越来越困难了，凝结为氢只需要很低的压力和温度，融合为氦就需要较高的压力和温度，合成第二周期的元素和重元素需要更高更苛刻的条件，那么，下一层次的核反应呢？它所需要的条件将难以达到。另一方面，星球的质量不断地减少，进入恒星时期后，绝大部分的物质都扩散光了，星球收缩的力量也迅速地下降，它所能达到的温度和压力是有限的。这样，终于有一天，星球收缩的力量再也不能使核反应的层次升级了，星球开始走下坡路了。不再剧烈地燃烧，温度也逐渐降低。在这个时候，那些高温高压下形成的重元素和固体分子，由于熔点较高，火球边缘的温度不足以使其保持融熔状态，因此，在表面冷却而成为一个固体的外壳。地壳形成后，地核反应还在不断地进行，在地底下积蓄了大量的热，能量积蓄到一定的程度，就足以冲破地壳而喷射而出，这便是火山爆发。同时，星球还在不断地收缩，虽然速度已经很小了，但是缩小的趋势却从未停止过。只不过这种收缩不再主要是因为密度变大的缘故，而是因为地底由于核反应，放出了大量的热和大量的物质，地壳内部成为一个不充满的状态，这样，在收缩力量的压缩下，导致地壳象一个皱缩的苹果一样，不断地发生造山运动和地震。这个过程要一直进行到地下的核反应完全停止，地球完全冷却的时候为止。同时，在地壳上的这些元素、这些分子都是在高温高压下形成的，当它们暴露在地面上，它们便变得非常不稳定。岩石开始风化，大分子不断地进行分解，重元素不断地进行蜕变，而这些小分子以及轻元素又成为气体而挥发，这便是大气层的成因。这便是星球演化的第二阶段——凝固阶段，也即行星时期。在这个时期，星球的体积继续缩小，质量继续减少，物质开始分解，元素开始蜕变。（三）行星演化的结局将是什么？由于核反应，大量的物质都被消耗，都被抛射开去，因此质量减少，核反应逐渐停止，星球也就由盛到衰、直至死亡了。地壳是由高温高压下形成的物质凝固成的，这些物质将逐渐分解和蜕变，到一定的时候，整个地球已经是千孔百疮了，已经接近于一盘散沙了。在另一方面，物质之所以能够收缩，之所以能够形成星球，之所以能够达到这么高的密度，关键在于原始星球的质量特别大，这种大质量正是导致星球收缩和物质团结的决定性力量。但是，在星球的整个演化过程中，质量都在不断地减少，相互作用不断地变弱，到一定的时候，“引力”就不足以维持星球的粘接，这时不仅单个的岩石或者分子、原子不稳定，甚至整个星球都失去了相互结合的能力，终于有一天，星球完全崩溃，成为成千上万的碎片。这些碎片便是我们通常所说的小行星。当然，这些小行星更不稳定，物质的挥发更为快速，碎片的解体更为彻底。如果一个正在挥发的小行星进入我们的视野，由于运动，它挥发出的大量分子便会形成一个尾巴，在太阳光的映照下，它就成为一个拖着尾巴的星，这就是慧量。如果一个小行星解体了，那么它就变成无数的小碎屑，这些小碎屑一旦落入地球的势场后，在高速的穿越当中，就会熔化与燃烧，大部分化为尘埃和粉末落在地面上，而小部分则成为陨石而被我们所收集。这些碎片并不是最终的结果。这些大量的尘埃还将进一步地退化，它必须分解为单个的分子，分解为单个的原子，而后这些原子也都蜕变为氢原子，氢原子又在宇宙中崩溃，重新又回到原来的形态——连续物质。这样，一个星球就完全消失了，无影无踪了，它的肉体已完全不存在了，但它的灵魂却永存——一个新的星球正在其他地方开始形成。这便是星球演化的最后阶段——崩溃阶段。在这个阶段，星球逐渐解体，原子和分子不断地退化，逐渐变回到原来的连续物质状态。一个星球彻底消失了。（四）就这样，一个星球从生到死，从盛到衰，走完了自己漫长而光辉的一生。在这一生中，大致可以分为三个阶段：收缩或燃烧阶段、凝固阶段以及崩溃阶段。第一阶段相当于恒星时期，第二阶段相当于于行星时期，第三阶段相当于小行星和陨石时期。每一个星球都经历恒星、行星、卫星以及陨星各个过程，而从生到死进行一个循环。在每一个循环或者每一个周期中，物质世界没有发生任何本质性的改变，无论是从宏观上，还是从微观上，虽然它在演化的过程中展示了丰富多彩的神态，展示了一个活生生的世界，然而，宇宙本身还是原来的样子，物质的形态也逐渐地回复了。（1）在宏观上，一个星球从无到有，又从有到无；从原始星云凝结为星球，又从星球还原为原始星云；从物质逐渐密集又变为逐渐分散……；从尘埃到燃烧的恒星，有生命的行星，到小行星、慧星，又重新成为尘埃。我们的太阳，我们的地球，我们的月亮却只是这个轮回中的某一个阶段。（2）在微观方面，物质从连续状态变为粒子状态，又从粒子状态恢复为原始状态；原子和分子形成了，然后又逐渐退化……。在这个过程中，氢原子、氧原子、碳原子，以及我们周围的所有物质，所有材料，也包括我们的身体都是某个时期的产物。在整个历史长河中，这两个方面的变化在无限地重复。我们的整个宇宙便是处于这样的一个不断的动态平衡之中，当一个星球处于衰退和灭亡之时，另一个星球却正在朝气蓬勃地形成。（五）在每一个周期中，星球的演化都有下面几个规律：（1）体积缩小这是星球演化的主要力量，在粘性的作用下，在整个演化过程中，体积都是缩小的。（2）密度增大这是体积缩小的结果。星球的诞生便是一个从宇宙中非常稀薄的空间最后凝结为一个非常密致的球体的过程。在凝固之前，密度增大得很快。（3）质量减少扩散和收缩是一个问题的两个方面，是同时进行的。在恒星收缩的过程中，绝大部分的质量都已经扩散光了，在形成固体之后，物质仍然在不断地逃逸，直至整个星球全部崩溃。另外，核反应所放出的光和热也在一定程度中消耗了星球的质量。二太阳系的起源（一）很显然，我们的太阳正处于演化的第一阶段，地球处于第二阶段，而月亮却已进入第三阶段。之所以能够下这样的论断，原因是多方面的：1、质量、体积、密度的差别太阳的质量占整个太阳系的99%，而其他所有的行星和卫星只占0.1%强。太阳的体积非常巨大，相比起来，行星和卫星都微不足道。然而，在密度方面，所有的行星和所有的卫星都是非常密致的，都是由固体组成的，而太阳的密度却例外地小，几乎都是气体。2、火山运动太阳还是一个活动的火球，物质在其中翻滚和上升；地球已经形成地壳，不断地发生火山爆发，而月亮呢？这个时期早已过去许多亿年了，核反应已经停止，月核已经冷凝，昔日在月球上发生的火山不计其数，给我们留下的便是星罗密布的环形山！3、地壳构成太阳还未形成硬壳，地球的表面则由各种岩石所构成，而在月球表面的却是大量已经风化了的岩石及土壤。阿波罗号飞船的宇航员由月面带回了不少岩石样品，其中有：角砾岩、玄武岩、玻璃及其它，这正是地球上岩石风化后产物。在地球上，土壤的厚度还非常小，在大部分地方还有外露的岩石，而在月球上，风化得却特别彻底，几乎都是砂和尘埃的世界。4、元素的差别太阳主要由氢和氦所组成，地球上已经有许多元素，并且某些不稳定元素已经蜕变，残留下大量的铅。（二）从这些事实便可以推断，地球比太阳要年老，而月亮存在的时间却比地球更大。这不仅是从事实出发所总结的规律，而更主要的是逻辑和理智的需要。因为我们面对着无数的星球，特别是与我们密切相关的太阳和地球，我们不禁要问：太阳继续燃烧下去，进一步的演化将得到什么？地球是怎样变化来的，为何有现在这样的重元素？如果我们不认为是星球是演化的，那么就必须分别给各个星球一个答案，无数个星球便有无数个答案了。假如我们认为星球是演化的，那么我们唯一的假设和出路便是肯定地相信，所有的星球都经过同一演化途径，不然的话，我们就必须给太阳一个演化途径，给地球另外一个演化途径，再给月亮第三个途径。这当然是不可能的了，只有认为太阳、地球、月亮以及其它各种天体都是处于同一演化系列的不同阶段。太阳正处于原始阶段，氢与氦较多，很少有其他周期的元素，而地球却正处于年老的阶段，广泛存在重元素；太阳没有固体外壳，地球的地壳平均厚度为70公里，而月亮固体则厚达几千公里。假如不经过恒星阶段，我们很难设想构成地球和月亮的物质从何而来；假如不经过地球阶段，我们很难解释月亮的岩石怎样形成；假如不认为月