《大自然寻真》

第10章  太阳系里各大行星的年龄和寿命

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       在7.3中曾经说：“在同一档级辈份的星系中，旋涡状星系应属初生星系，椭圆状星系必定是年龄较大的星系”。可是，对太阳系里各行星的年龄进行比较就不同于星系的比较了。在此必须先明确一些概念：天体是非生命界，所以我们只说天体诞生和灭亡（毁灭），不说天体死亡；我们说天体的寿命，是指天体从核球获得能量被喷射出来之后，一直到能量被耗尽而回撞到核球的全过程，并非指有生命存在的星球，当那些生命完全消失时说该星球“死亡”了；我们只比较行星之间的年龄大小，即谁更早诞生，难以比较哪一个行星年轻，哪一个行星年老，因为同一个星系里各天体的寿命长短差异很大，年轻年老只能与自己的寿命相比较而言，难以相互比较。

10.1  太阳系里各大行星年龄的相互比较

    在太阳系里现有已知的八大行星中，木星的个子最大，质量也最大。木星的质量是地球质量的318倍左右，不少人习惯称它为行星中的老大。可是，这个“老大”并不能表示它就是太阳最先诞生出来的大哥、大姐，这正如人类的兄弟姐妹之间，个子最大的不一定是大哥大姐一样。那么，究竟如何才可能分清行星之间年龄的大小呢？有些情况虽然在前面已经有所提及，但为了分析和比较，我们在这里还是再做些综合,主要提出如下几点。

    ⑴ 行星对太阳的平均距离

    很明显，在地球上发射人造卫星的时候，没有更加强力的火箭就无法将卫星送入更加远的轨道。太阳在喷射出行星时道理也一样，只有当太阳最年轻、温度最高的时候，其最强烈的热核反应所产生的最强大的爆发力，才可能把所喷射出去的行星送得最远。据此可以大致地说，绕太阳公转的轨道半径越大的行星，诞生时间一般都越早，反之就比较迟。

    ⑵ 行星的密度

    我们从后面的12.6的详细分析将可知道，当初的太阳液态球喷射出行星时，由于气体从内向外排放的过程是挤开了内部液体，所以真正喷走的主要只是表层的物质。而且，更重要的是强烈的电磁输送通道会像大吸尘器一样，将太阳表层更加大量的轻浮物吸集到环流中心之后一起喷射出来，所以就使得诞生较早，离太阳较远（即R较大）的行星，其密度ρ多数都比较小。我们还可以计算得出各行星的R与ρ的相关系数等于-67.7%，可知行星的密度与行星距离太阳的远近之间确实存在着比较密切的相关关系。这与前面的⑴所讨论的情况比较吻合。也就是说，离太阳较远的行星一般就是太阳较早喷射出来的行星，而这些较远的行星同时也是密度较小的行星。

    ⑶ 行星的自转角速度

    地球的自转角速度在不断减慢，这已经是肯定的，考古的结果和天文界现时的精确观测都可作证。尽管地球公转的动能与自转动能之间可以互相转换，但自从地球进入了相对稳定的公转轨道之后，这种互相转换已经是一种循环过程。只有当地球从远日点向着近日点移动而使公转加速时，自转动能才能部分转换为公转动能，使自转减慢。反过来，当地球从近日点向着远日点移动而使公转减速时，公转动能又部分转换为自转动能令自转重新加快了。所以，只要地球的公转半径无明显变化，其公转线速度的平均值就无明显变化，从而对地球自转也就不会有明显影响。因此，地球自转速度的不断减慢趋势必然另有其因，这主要应该是由于海洋中的洋流和大气环流因碰撞和摩擦散热对整个地球系统能量的消耗，还有星际物质对地球的碰撞等，才使得地球自转有了减慢趋势。地球如此，其它行星乃至其它更高档级的天体都一样，也必然会因各自不同的能量消耗速率而不同程度地使自转速度处于逐渐减慢之中。

    虽然星际物质对地球的摩擦和碰撞作用，也必然会使地球的公转速度或绕太阳转动的半径发生微妙变化，但至今似乎尚未有相应的观测事实，这就说明地球公转半径的变化是更加缓慢和微弱的。有文献说，“大约在4亿年前，地球上每年有400多天”[12]，现在每年只有365天，这又明确地显示出地球自转速度的减慢比起公转速度的减慢明显了很多。这样一来，地球自转角速度ω与地球公转半径R的比值必然要随时间发生变化。时间越长，比值ω/R就越小，初生时期ω/R应该具有最大值。这种关系对于其它行星也都一样。据此，我们可以由表9.5-1从另一个角度对行星的年龄趋势进行比较。显然，除了水星和金星之外，其它各行星的一般情况是，离太阳越远，ω/R比值越小，也即说明行星的年龄越大。

    从上述对各行星年龄大小的相互比较分析中，我们可以发现，尽管⑴～⑶几种方法不一定都道理充分，但它们的讨论结果却比较一致，这就增大了可信度。也就是说，想要比较各行星年龄的大小，必须从多个方面进行综合考虑。

10.2  关于有些行星逆向自转的问题

    从9.2中可知，天体的自转由天体最初脱离母体后的整个自然减速飞行过程所逐渐形成。假如天体能在飞达最远点之后，又立即逐渐加速并不损失任何能量地重新飞回母体，那么，当天体再回到母体时，由于动能的逆转换，自转运动大概会正好重新停止。然而，实际的情况是，天体既不能马上再飞回母体，又因各种摩擦作用会在长年的公转运行过程中，先较快地消耗掉自转动能。由于天体各种能量可以相互转换（见5.5），所以天体能量中的势能这个最大项也必定会因自转动能的较快消耗而伴随着逐渐减小。势能为mgh，因此可知天体公转半径也会有缓慢缩小的趋势（尽管很难被观测出来），而这种趋势本身也一定会自动促使天体自转速度的逐渐减慢。但是，由于其它原因所造成的自转的实际减慢速率显然要比此大得多，这就必然使天体在远未被撞回母体之前就停止了自转。随后，当天体再度缩小公转半径时，由于公转动能和自转动能的相互转换就必然会使天体得到一个逆向自转的角速度了。金星逆向自转或许就是这样子造成的。其实，金星逆向自转的速度很慢，每243个地球日才自转一周，说明了它也是刚刚从正向自转变化过来还没多久。当然，也或许由于消耗掉自转动能的摩擦和碰撞等因素的同时存在，可能会使天体的逆向自转永远都达不到较快的速度。然而，天王星的所谓“逆向自转”又是另有原因的，在9.6已经讨论过了。其实，天王星那种转动角度也很难看成是“逆向”。

    诚然，由于各个行星表层的空气或其它流体性质各不相同，而且这些表层流体的环流，以及行星内部熔液的环流运动情况也各不一样，各个行星表面的隔热层情况又有差异，这就造成了各个行星的自转动能的消耗速率彼此各不相同。因此，也不能绝对地说，凡是逆向自转，或者顺向自转很慢的行星就一定是年龄较大的行星。

       在10.1的⑶中说到了离太阳越远的行星一般就ω/R比值越小，但为什么水星和金星离太阳最近，ω/R比值反而很小，甚至金星出现了负值呢？主要原因可能是由于水星和金星距离太阳太近，各种影响因素与远处的行星不同。例如，距离太阳近就造成潮汐力大，从而行星内、外流体的内摩擦能量消耗就大；距离太阳近就会遭遇到更多太阳粒子的碰撞而消耗掉自转能量……。当然，水星和金星含金属多，或者表面隔热层也很差就难以防止热能的快速流失是更重要原因。总之，各种复杂的影响因素，就是造成我们难于用ω/R比值作为比较水星、金星年龄大小的判据的原因。

10.3  对太阳系里各行星的寿命长短做些比较

    人类的寿命长短都基本一致，属同一个量级，知道了年龄就大致知道还能活多久。天体却不一样，同一星系的同一档级子天体，寿命长短的差异是非常大的。知道了天体的年龄只知道其诞生的早晚，要了解其未来还能存在多久，就还必须看其寿命情况。我们说过，当天体的能量被耗尽之后，就会被撞回核球而灭亡。所以，看一个天体究竟寿命还有多长，根本的就是看它的能量还可以维持多久。一个天体的能量主要包含天体绕核球的公转动能、天体相对于核球的势能、天体的自转动能、天体自身的热能等。由此可知，要比较一下各行星寿命的长短，实际上主要还是比较一下它们上述的各项能量谁最不容易被耗尽。

    很清楚，想将一颗人造地球卫星发射上高空将需要很大的能量，但假如只将这颗卫星加热升温就不需要太多能量，只令其自转动起来就需要更少能量。由此不难看出，在天体的几项主要能量中，天体相对于核球的势能（由公转半径所决定）应该是第一大量。公转动能或者应该排第二，但是，

           

公式表明，天体的公转动能仅与公转的线速度V有关（对某个固定天体而言m是恒量）， 而从表9.5-1或参考一下（8.1-4）式（V2＝GM/R，G为引力恒量；M为核球质量，都是恒量），又显见V与R关系非常密切，因此可以说公转动能也是由公转半径所决定的，与势能密切联系在一起，相互转换，是一个整体的两种表现，实际上可视为一个量。因此，以地球为例看来，在这些能量中，热能可能最容易流失，第二是自转动能，它通过转化为热能而缓慢降低自转速度。最后是势能（含公转动能，下同），这个最主要的能量是最不容易被消耗的能量。

    分析至此可以这样说，在太阳系中，各个行星除开已经有的年龄之外，衡量各自还能运行多久，主要是看它们势能的大小。因势能为mgh，所以主要是看它们的质量大小和公转轨道半径的长短。一般地说，质量大且公转半径长的，其能量就可以维持得更久一些。显然，天王星和海王星离太阳远，应该还有较长的寿命；木星和土星质量大，也会有较长寿命；水星和金星离太阳最近，质量又小，因此可能最容易被太阳吸回去。实际上，离太阳越近，公转的线速度就越大，因而它遭受到星际物质碰撞的机会也越多。尤其越靠近太阳时，太阳粒子的浓度就越来越大，因而行星能量的消耗速率也必然越来越大，这肯定就会灭亡得越来越快。

    由此我们可以一般地说，同一个星系中，公转轨道半径大和质量大的天体，一般都寿命较长。寿命较长的天体多数又是同一个核球较早诞生出来的子天体。

10.4  太阳系寿命年龄段的估计

    银河系还是旋涡星系，太阳也许还远未到达自己相应的椭圆轨道，其热能也都还很强烈，所以太阳相对于它本身的寿命来说，应该还算处在婴儿期。相应的，太阳系的行星们到达自己的椭圆形轨道也可能还不会太久，因此，各自已经有的年龄相对于自己整个寿命来说也都还是一个小量。这就是说，太阳系内各行星都还很年轻，也许都还未进入儿童期。

10.5  估计地球的寿命

    从表9.5-1可见，地球的公转轨道半径和质量都相对比较小，这决定了地球的寿命在八大行星之中是属于中等偏短的。可是，我们并不必为此悲观。相对地说是比较短，绝对地说还是相当长哩！这又该做何解释呢？

    地球的ω/R比值在八大行星中为最大，可见地球自转动能的消耗程度并不及其它行星严重，这或许是因地球比较迟诞生之故，也或许是地球的水可能对地球自转的减慢起到缓冲作用，可使系统效率提高，从而减慢了总能量的消耗（参见25.11），这值得研究。总之，虽然已经能够观测到地球自转速度减慢的趋势，但每隔一百年，一昼夜才加长零点零零一六四秒钟[13]。按这个速率进行计算，必须再过五十几亿年才能使地球的自转速度减为目前的一半，即每48小时自转一周，也即ω/R≈183。要使ω/R值减小到相当于海王星或水星的程度，还必须再过几百亿年（不必与拥有负值的金星相比较），何况热能和自转动能都仅仅是地球总能量很次要的部分。占地球总能量大部分的是势能（含公转动能）。考虑了地球全部能量的消耗情况，地球的剩余寿命还长着哩！总之，地球也与其它行星一样，可能都还未进入儿童期。