李四光:太陽系的起源


李四光:太陽系的起源


本文選自《天文·地質·古生物》

本書是李四光先生應毛主席之約而寫的科學讀本

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關於太陽系的起源問題,古代有各種各樣的說法,大都沒有根據。就是萊布尼茲、標峰這些人的論點,看來都是空想的。從所謂自然哲學的觀點討論這個問題,要算是從牛頓開始。1692年,牛頓寫了一封信給本特列。在這封信中,他說:“在我看來,如果太陽和行星以及宇宙中的一切物質,均勻地散佈在天空中各部分,而且每個質點,都有它自己對於其他物質的重力,如果散佈那些物質的全部空間是有限的,那麼,在這個空間以外的物質,因為它的重力又傾向於朝著在內部的物質集中,以至於在整個空間中部構成一個龐大的球形物體。但是,如若物質在無限的空中分佈,它就不可能結成一個物體,其中有些會結成這一個物體,有些結成那一個物體,於是形成無數的物體,彼此相距極遠,分散在無限的空間。這樣,就形成了太陽和許多恆星。這是在物質都有發亮的性質的假定下設想的。”故無論牛頓這個理論能不能成立,在他這一段的措詞中,顯然有自相矛盾之處:他既假定所有的物質全散佈在一定的宇宙空間,他又說在這個空間以外的物質,向這個物質分佈的有限空間中集中,至少他這一段話是根本沒意義的。

李四光:太陽系的起源

太陽表面各種爆發的形式

1 . 黑子類型的爆發,高出太陽表面約10.4萬千米,寬約16.8萬千米;

爆發出的物質,全部向太陽中墜落(1939年9月21日)。

2. 一次爆裂正在進行時的攝影,起初是一片連續的噴發物質逐步分化,顯示覆雜的結構,再進一步就有許多凝結的小塊成長串出現, 以高速度向太陽的色圈衝下,其中最長的離太陽邊達24萬千米(1939年9月7日)。

3 . 半爆發現象,在電離化的鈣光中攝影,這次爆發約高16.8萬千米,

寬24.8萬千米( 1939年8月24日) 。

4 . 與上面記錄的同一爆發,在次日的攝影。

5 . 1916年5月26日在克什米爾見到的太陽面上衝出的物質。

6 . 1919年5月29日日全蝕時在巴西索布拉爾見到的日冕升騰物質

和內冕, 從太陽表面噴出紅色火焰, 在7小時以內, 高達20.8萬-80萬千米。

在1755年,康德提出宇宙是從無限混沌的原始物質形成的,而設想重力是形成過程的主宰。他又設想那些原始的原子,由於重力的作用彼此吸引,彼此相撞(即彼此排斥)從而發熱,而且不僅發熱,還發生旋轉,這樣積累而成星雲。通過原子的撞擊就越來越熱,就旋轉得越來越快,直到最後從它的赤道上甩出物質,形成一個旋轉的環,圍繞著中間的星雲,就好像土星的環圍繞著土星那樣,那個環最後結集起來成為一個行星。這種情況,一次又一次重複地發生,於是太陽的行星家族就形成了。

李四光:太陽系的起源

太陽中巨大黑子及其周圍氫氣層的旋迴運動

圖中一對黑子看起來是同一黑子的兩端,黑子是垂直的深洞,它的運動與周圍的氫氣層的旋迴運動聯繫在一起。這張照片,是1924年8月30日威爾遜天文臺的攝影。

1795年,拉普拉斯提出了星雲假說。他的論點和康德的論點,在很大程度上相同。所以,後來人們把康德、拉普拉斯學說合在一起,稱為康德-拉普拉斯學說。實際上,拉普拉斯並不知道康德的論點。這兩個論點重要的區別是,康德從一團混沌的物質開始,由原子的吸引和撞擊逐漸產生了旋轉運動;而拉普拉斯是從已經在運動中的星雲物質,開始考慮他的問題。他認為,星雲由於不斷產生輻射作用,逐漸冷卻,逐漸收縮;他根據角動量守恆的原則,認為自轉的物體,如若不受外界的牽制,在它收縮的過程中,必然繞著它旋轉軸的轉動越轉越快;他根據力學的理論,認為無論是液體或氣體的球形旋轉物體,不可能保持它的球形,而形成為一個扁球。這就說明了,地球以及其他行星之所以成為扁球狀,正是因為它們自轉的結果。

假如地球的自轉速度增加了,它表層的物質都會從兩極向赤道方向挪動,以致它的扁度加大;但需要假定它的質量充分向中心集中,隨著自轉速度的增加,這個扁球就會變成一個兩面凸的透鏡狀的物體,如果自轉的速度更加快,在透鏡體邊緣的物質,就把失掉重力控制的物質甩到空間去了。不管自轉的速度增加到什麼程度,其結果都是重複上述的情況。

拉普拉斯認為,圍繞著太陽旋轉的行星的產生,都經過這樣一個過程,甩出的物質超過它自身重力的控制,一旦形成了獨立的星體以後,它們又各自從赤道上甩出物質,形成衛星。

現在看來,康德是側重在運用哲學的觀點來考慮他的問題。他既考慮到物質的存在,又考慮了物質的運動;既考慮了萬有引力的吸引作用,又考慮了原子的相互排斥作用。而拉普拉斯主要是從力學的觀點考慮他的問題,作了很多精密的數學計算。他們兩家各有所長,可以說是相輔相成的。這個康德-拉普拉斯學說,一直統治著19世紀人們的宇宙觀,到20世紀初期,新的論點才開始紛紛抬頭。基因斯最先公開反對拉普拉斯的學說,近幾十年來,捷弗列斯又發展了他的論點,可是捷弗列斯現在對他的潮汐分裂說,也斷然放棄了。

以上這些論說,以及彗星掠奪說,太陽火山爆發說,等等,都是認為行星是從太陽產生的。

與此相反,另有一些人認為,太陽的形成是一回事,太陽形成以後,行星和衛星的產生又是一回事。在太陽形成以後,它俘獲了星際物質,包括大量的微細粒子,逐漸結合成行星和衛星,摩爾登、張伯林的微小行星聚合說,就是一個最好的例子。根據他們的看法,構成行星的物質,不是從太陽中分出的,而是太陽俘獲宇宙空間的物質而形成的。施密特的地球起源論的主要論點,與摩爾登、張伯林的論點是大體相同的。其不同之點,在於摩爾登、張伯林的理論,涉及地球和地球上大陸與海洋成生過程的細節,而施密特的地球起源論,可以說僅僅講到地球的起源,他稱他的學說是獨創的,實際上並不是那樣。

施密特比張伯林更強調地指出,太陽的質最對行星質量的比與太陽的動量矩對行星動量矩的比的“重大分歧”,這是值得注意的,但是,這種分歧是一回事,符不符合動量矩守恆的定律另是一回事。不瞭解原始星體物質當初從太陽分出的過程,和分出以後,太陽和行星內部各自發展的過程以及它們可能受到的外界影響,怎麼就可以從這種分歧,立刻作出不符合動量矩守恆的定律的結論呢?施密特是以持有辯證唯物論的宇宙觀自詡的,他卻在試圖解決太陽系在原始階段存在的形式和運動的複雜問題上,把這條屬於牛頓力學範疇的“定律”,無限度地、無條件地加以絕對化,這不是機械唯物論的觀點,又是什麼?

當土星的第九顆衛星的存在被肯定了的時候,並且它圍繞著土星的旋轉方向和土星自轉的方向相反被證實了的時候,連最堅決的康德-拉普拉斯學說的支持者,也都動搖了。我們現在知道,不僅是土星外圍的衛星,還有木星、天王星、海王星外層的衛星,繞著它們各自的行星旋轉,其方向也是和它們各自的行星旋轉方向相反的。這樣一來,康德-拉普拉斯學說受到了更嚴峻的衝擊,反對派抓住這一點,更是振振有詞了。

我們得承認,這個現象的存在,對康德-拉普拉斯學說是一種打擊,但同時我們也不能絕對排除在一個主旋流的外圍引起一小股反向旋流的可能,就像河流中大旋渦的外圍,有時出現反向旋流的小旋渦那樣。運動中的物質,總難免存在著矛盾的兩方面,在一定條件下,它們之間的對立統一,是符合自然辯證法的。

微小行星聚合說,可以用地殼發展史來檢驗。在幾十億年地質時代中,從構成地殼的物質成分來看,沒有任何跡象顯示來自宇宙空間;相反,有大量確鑿的證據,是由地球自身的物質,反覆轉化而來的。例如在南非洲,大約25億—26億年以前就有冰川的堆磧。大家都認為是原始海洋的太平洋底,有大片面積只鋪著極薄的烏滓和紅泥,後者平均最厚不到300米,而那種紅泥中往往夾雜著大量地球自身噴出的火山灰和少量“宇宙微塵”。有人估計過,每1000年由宇宙空間落到地球上的物質平均不到1毫米厚。這個數量可算是微乎其微,然而實際還少得多。在這樣長的地質時代,既然地球沒有從宇宙空間捕獲像樣數量的物質而得到發展,怎麼會在此以前,忽然來了大量物質,圍繞著原始地球,供它捕獲?如果當時真有那樣的情況發生,那麼,就星體物質極為稠密,並趨向於向原始地球高度集中這一點來說,那就正好接近於康德-拉普拉斯學說的一個方面的要求。

對於各家的論點,在此很難作出正確的評價,但一個堅持辯證唯物論宇宙觀的人,不能否認人的思想在各個歷史時代裡的侷限性,而自然界層出不窮的變化及其發展規律,在人的認識範圍內,是有一定條件,一定限度的。因此我們應該牢牢地記著,自然界也總是不斷髮展的,永遠不會停止在一個水平上的偉大真理。這樣看來,宇宙中的萬事萬物是層出不窮向前發展的,這就不能不使我們提出這樣一個問題,自然科學上的某些規律,是不是也在客觀上不斷變化?我們對一切自然科學上的規律的適用範圍,是不是都應該問個究竟?因此,應該可以說,在自然科學領域中,被認為客觀存在的那些規律,既是絕對的又是相對的。例如,牛頓發現萬有引力這個規律的時候,當時從觀測天體、後來又根據實驗的結果,得到物體的質量、距離和引力之間關係的公式,這個公式中有一個萬有引力常數,另外也有一個地球引力常數,確定了物體互相吸引的關係的規律,現在已經發現了一些跡象,證明這些常數不是永恆不變的, 不過變得很慢,這就說明,關係的規律變化了。這樣,就不能不使我們著重地重複一遍,有些前人所認為金科玉律的自然科學上的規律,是不是隻能適用於一定的範圍,這個範圍可能很大,但是範圍還是存在的。又如一個質點,在靜止和以通常速度運動的時候,我們都知道它的質量是固定的,但是實驗證明,在高速度運動的條件下,粒子的質量起了變化,跟著與質量有關的定律也發生了變化。地球起源問題,很清楚是和太陽系起源問題分不開的。任何太陽系起源論,肯定不能不考慮太陽和行星運動的統一性以及具有不同密度的行星,環繞太陽分佈的特點,這一方面突出的事實是:

1)太陽的赤道平面和九個行星的軌道平面(黃道平面),基本上是一致的。其中八個行星黃道平面和太陽赤道平面最大的角差,僅僅在7°左右,只有接近太陽系邊緣的冥王星,角差達到17°。這種現象,不能看做是偶然的。

2)所有行星的運行方向是一致的。行星的衛星運動方向,除了幾個外層行星的外圍衛星以外,也是一致的。

3)內層行星的密度比外層行星的密度大得多。火星屬於內層行星外圍的成員,它的密度是3.94,它沒有核心,它比那些更接近太陽的行星(水星、金星、地球)密度小得多,而比外層行星的密度卻大得多。行星的密度對太陽的距離的這種關係,也不能看做是偶然的。

大約十幾億年以來,宇宙空間中繼續發展的現象,都擺在我們眼前。假定地球的年齡,包括它的幼年時代在40億—50億年左右,那麼,擺在我們眼前宇宙中那麼多的星體物質發展的各個階段中,難道就沒有一個階段與我們太陽系出現初期具有類似形式的星體物質體系存在嗎?像獵犬座、雙魚座(?)那樣的旋渦星雲,就是值得注意的例子。

上述三點仍然有力地支持著康德-拉普拉斯的學說。然而拉普拉斯的星雲說,在今天看來,很難原封不動地加以接受。在星雲學說的基礎上,根據近代天文物理方面的新發現,對那些現在我們還不理解的現象進行探索,可能是前進的正確方向。


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《天文•地質•古生物》

圖書簡介


本書為我國著名科學家、中華人民共和國首任地質部部長李四光先生應毛澤東主席之約而寫的科學讀本,著重從七個方面內容來反映天文、地質、古生物學中的一些重大問題:一、從地球看宇宙,二、啟蒙時代的地質論戰,三、地層工作的要點, 四、古生物及古人類,五、三大冰期,六、地殼的概念,七、地殼構造與地殼運動。全書在傳播科學知識的同時,更展示了科學發展的曲折歷程,解決問題的思路方法和科學原理等,倡導堅持真理、獨立思考、持續創新、實事求是的科學精神。

本書適合地質學、古生物學、天文學及其他相關專業科研人員、高校師生閱讀參考;也可供普通大眾閱讀學習,以提升科學素養。

圖書來源


1969年5月19日,李四光先生同毛澤東主席在人民大會堂談話,他們從天體起源談到生命起源。臨別時,毛主席說,他很想看李四光寫的書,同時還請李四光幫他收集一些國內外的科學資料。李四光問毛主席想看哪些方面的科學資料,毛主席用手畫了一個大圈說,就是你研究範圍裡的資料。李四光很受感動,認為這是毛主席對科學事業的關心。


李四光:太陽系的起源


李四光先生在辦公室研閱地質資料

《天文•地質•古生物》是李四光為毛主席閱讀而編寫的一本科學讀物, 全書約17萬字,並附有60多幅照片和插圖,於1970年3月完稿,呈送毛主席。1972年《天文•地質•古生物》由科學出版社出版發行。

2016年是李四光先生逝世45週年紀念。在自然資源部(原國土資源部)、中國地質調查局、地質力學研究所各級領導的支持下,地質出版社再版《天文•地質•古生物》一書,以激勵後來者繼承發揚李四光熱愛祖國、不斷進取、努力創 新,為發展科學事業奮鬥終身的精神。

圖書目錄

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從地球看宇宙

一、星序

二、星雲的類型

三、恆星的亮度、距離和運動

四、星系

五、太陽系的起源

啟蒙時代的地質論戰

一、火成學派與水成學派之爭

二、漸變論與災變論之爭

地層工作的要點

一、地質時代的劃分

二、地質構造運動的時期問題

三、地槽和地臺問題

四、沉積礦床

古生物及古人類

一、原始生命形態的遺蹟

二、動物界的 次大發展

三、植物界的 次大發展

四、古生物工作中涉及進化論的一些主要論點

五、人類的出現

三大冰期

一、第四紀大冰期

二、晚古生代的大冰期

三、震旦紀大冰期

四、關於冰川起源的一些論點

地殼的概念

一、地熱

二、酸性和基性巖類的分佈

三、地震波穿過地球各層的速度

四、均衡代償現象

地殼構造與地殼運動

一、大陸構造的主要特點

(一)巨型緯向構造體系

(二)經向構造體系

(三)新華夏構造體系

(四)華夏和華夏式構造體系

(五)扭動構造體系

二、大洋底部構造的主要特點

(一)大西洋方面

(二)印度洋方面

(三)太平洋方面

(四)北冰洋方面

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