自然与人-10.12   行星公转椭圆轨道的长年变化及内在机理

李开乐

    摘要：在太阳系诞生初期相互碰撞的最初结果，各行星公转的椭圆轨道偏心率都比现在大得多。天体在椭圆轨道上运动实际上就像钟摆一样的阻尼简谐振动，结果就逐渐缩小了椭圆偏心率而逐渐趋近于正圆形的目标轨道。

    行星诞生初期，它们的公转椭圆轨道与现在有哪些不同呢？根据“自然与人-10.1～10.3”可知，行星诞生初期各自进入稳定轨道之后，各公转轨道都是偏心率很大的椭圆形。分析一下可知，在太阳系诞生初期，如果第i颗行星的长半径大于或等于第i+1颗行星的短半径（如图10.12-1，OA＞OB），则两轨道相交，两颗星就总有相撞之时，最终势必合二为一。相反，如果公转轨道偏心率都像现在这么小，轨道之间间隔又像目前那样相距很远，则中间完全可以再多保留一两颗行星也不会相撞在一起，而太阳在诞生初期肯定有力量多喷射出一些物质去填补那些空隙。

    综上所述可知，在太阳系诞生初期，当各行星已经能各自稳定地绕太阳公转之后，第i颗行星的长半径，肯定要比第i+1颗行星的短半径小一些，但又不会小得太多，其间隔不可能多容留另一颗行星的存在（如图10.12-2，OA＜OB）。这就是说，在太阳系诞生初期，经过了彼此的相互碰撞之后的最初结果，各个行星的公转椭圆轨道偏心率都要比现在大得多。显然，现在的行星公转轨道，是经过后续的长期演变之后才形成的，已经各自逐渐趋向于圆形轨道，所以相邻轨道之间的间隔才相距那么远。

    为什么行星公转的椭圆轨道偏心率会变得越来越小呢？在“自然与人-10.1～10.3”中已经较详细分析了天体（地球）在其椭圆轨道不同位置上的不同受力情况，可知行星公转的椭圆运动实际上也是像钟摆一样的运动，是一种简谐振动。钟摆运动的具体情况是，钟摆不动时就处在平衡位置上。当钟摆摆动起来之后，每到达平衡位置时总因速度过大停不下来又摆过了头。所以，虽然平衡位置是行动的目标，却永远达不到这个目标而只能围绕着目标左右摇摆，摆个不停。与此相类似，行星在椭圆轨道上公转，它的行动目标实际上是想要做圆周运动，但它的速度和运动方向也总是与理想的正圆形轨道配合不上，总是不断地在调整着自己去逼近目标轨道，但也总是矫枉过正，永远达不到目的。不过，两者所不同的是，钟摆有着法条等形式的能量补充，使其摆动很稳定，振幅无变化。行星的公转却没能得到任何能量的补充，却要经常与宇宙间的小颗粒相碰撞和辐射掉热量等而不断失去能量。这样一来，行星的椭圆轨道运动也就变成一种阻尼振动了，结果必然逐渐地缩小了椭圆偏心率，逐渐接近于正圆形的目标轨道。因此，也就造成了目前的情况是：第i颗行星的轨道长半径相比于第i+1颗行星的轨道短半径还小很多，而且各行星的椭圆轨道偏心率也都变得越来越小了。

图10.12-1：第i颗行星的长半径大于第i+1颗行星的短半径

图10.12-2：第i颗行星的长半径小于第i+1颗行星的短半径