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标  题: 第十章 太阳家族
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年07月16日20:46:35 星期二), 站内信件


　　

　　宛如阵阵星雨，茫茫太空中诸天体，在急驰旋转的狂飘中诞生；那众多的太
阳，地球，卫星，彗星，流星，人类，摇篮，坟墓，无尽的原子，绵延不绝的新
生一代，将永远改变着人类和万物。

　　卡尔米·弗拉马利昂（Camille Flammarion）

　　《大众天文学》，J.E．戈尔（Core）译（纽约， D·阿普尔顿公司，1894
年）　　


　　设想地球之外有一位外星观察者在非常仔细并极有耐心地观看着地球，他便
会看到：约在四十六亿年前，这颗行星终于完成了从星际气体和尘埃中凝聚的过
程，最后一批落向地球的许多微小行星，使地球产生了巨大的陨石冲击坑；由于
引力势能的增长和放射性元素的衰变，该行星从内部热起来，将液态铁核同硅质
地幔和地壳相分离；富含氢的气体和可凝结的水从该行星内部释放而达到地表；
一种相当简单的宇宙有机化学过程产生了复杂的分子，这些分子又导致极为简单
的自我复制的分子系统——地球上第一批有机体；后来，行星际砾石雨减弱了，
随着时间的推移，流水、造山运动以及其他地质过程，掩盖掉了地球起源的痕迹；
庞大的全球规模的对流活动的开始，使得海洋底部的地幔物质不断地向上升，随
后又将这些物质沉积到大陆边缘，运动中的板块之间的碰撞隆起成条条折皱的山
脉，形成了陆地与海洋的总布局，寒带和热带地区的划分也在随之不断地变化着。
同时，自然选择从广泛的范围内选择出最能适应于多变环境的多种多样的自我复
制分子系统；后来进化出能利用可见光将水分解为氢和氧的植物，而氢气逃逸到
太空，改变了大气的化学成分，使之从还原性介质变成氧化性介质，相当复杂而
又具有中等智能的机体终于应运而生。

　　然而，我们想象中的这位观察者，对地球在整个四十六亿年时间里的孤立状
态感到震惊。虽然日光和宇宙射线——这两者对生物都甚为重要———以及偶尔
有些陨星碎块到达地球表面，但是，在这数十亿漫长的岁月里，从未有任何其他
的东西脱离开地球。后来，这颗行星突然开始向整个太阳系内部发射小小的飞行
器，这些飞行器首先进入环绕地球的轨道，随后飞向这颗行星的无生命的天然卫
星——月球。六个比较大些的小飞行器在月球上着陆，每个飞行器内都可见到纤
小的两足动物，他们对周围的环境进行了短暂的勘察后，又匆匆返回了地球。这
样，他们已经试着涉足于宇宙的海洋。十一艘小宇宙飞船进入了金星的大气，其
中六艘在那个地狱般炽热的世界的表面，仅仅生存了几十分钟就被烧毁。另有八
艘宇宙飞船被送往火星。三艘成功地进入火星的轨道飞行已有多年；一艘飞越金
星，沿着一个显然有意选择的、多次经过太阳系最里面的这颗行星的轨道去与水
星会合。其它四艘成功地穿过了小行星带，飞临木星附近，并在那里被这颗最大
行星的重力加速而飞入恒星际空间。显然，一些有趣的事情，最近正在地球这颗
行星上发生。

　　假使我们将四十六亿年的地球历史压缩为一年的话，那么这一阵子宇宙空间
探索的热潮就只占了最后的十分之一秒时间，而导致这项了不起的探索热潮的态
度与知识上的根本改变，充其量只不过为最后的几秒钟。直至十七世纪，简单的
透镜和反光镜才被首次广泛应用于天文观察中。伽利略运用最早的一架天文望远
镜，惊喜地观测到象一弯新月的金星，以及月球上的山脉和陨石坑。约翰尼斯·
开普勒（Johannes Kepler）认为那些陨石坑是居住在那个世界上的智慧生物建
造的。但是，十七世纪的荷兰物理学家克里斯蒂安纳斯·惠更斯（Christianus
Huygens）对此持有异议。他推测说，建造月球上那些陨石坑的工程要大得不合
情理，而且他认为，他能够找出用来解释这些圆形凹地形成的原因。

　　惠更斯是一位把不断进步的技术、实验技巧与理智，倔强、敢于怀疑、乐于
接受新思想的头脑结合起来的表率。他最先提出，我们所看到的金星表面，是它
的大气层和云层；他首先认识到，土星光环的某些真正性质（伽利略曾认为，光
环是包围该行星的两只“耳朵”）；首先给制了火星表面可辨识标记（大流沙）
的标志图；并且继罗伯特·胡克（Robert Hooke）之后，第二个描绘出木星大红
斑。最后这两项观测至今仍具有科学上的现实意义，因为它们确立了至少长达三
个世纪之久的对行星表面明显特征的连续观测。惠更斯当然不是一位完全的现代
天文学家。他还不能完全摆脱他那个时代流行的信念。例如，他经过奇怪的论证
竟得出木星上有大麻的结论，他的论证过程是这样的：伽利略观察到了四个环绕
木星运行的卫星。惠更斯便提出了一个现代行星天文学家鲜有提出的问题：为什
么木星会有四个卫星？他认为，要想了解这个问题，不妨先了解为什么地球只有
一个月亮。据惠更斯的推论，地球月亮的功能，除了在夜晚提供一点光亮和引起
潮汐以外，还能给海员在航海上提供帮助。如果木星有四个卫星，那么该行星上
必定有许多的海员。而有海员就要有船，有船要有帆，有帆要有绳索；绳索便意
味着有大麻无疑。我在想，三个世纪之后，在我们当今享有高度信誉的科学论证
之中，不知道会有多少同样令人贻笑大方的见解。

　　我们对于一个行星认识的有用指标，是表征我们了解其表面所必不可少的信
息的比特①数。我们可以把它视为报纸有线传真照片中的黑点和白点的数目，虽
然照片的大小不过一臂之长，但却包罗万象。回溯到惠更斯时代，通过望远镜短
暂的一瞥，总共获得的信息大约有10个比特，这个数目表示人们当时对火星表面
的全部认识。1877年，当火星最接近地球时，上述数目或许增长到了几千比特，
这并不包括大量错误的信息，例如对“运河”的描绘，现在已知那完全是一种错
觉。这类信息量的增长，在尔后进一步的目视观测和地面天文摄影技术的发展中
是十分缓慢的，直到宇宙探索飞行器的出现，这种增长曲线才发生了一种戏剧性
的突变。

　　“水手4号”于1965年掠过火星的飞行，拍摄了包含五百万比特信息量的二
十张照片，这个数量大致相当于以往所有通过摄影观测获得的有关火星的知识，
虽然它还只是涉及该行星的一个小范围。1969年“水手6号”和“水手7号”相继
飞临火星，将总比特数目增加了100倍，而1971年和1972年“水手9号”轨道飞行
器把这个数目又增加了100倍。至此，“水手9号”拍摄火星的照片成果，约等于
以往整个人类历史上所汇集的火星照相观测知识总和的10，000倍。通过“水手9
号”所获得的红外分光和紫外分光光谱数据，比较以前最好的地面观察数据来，
有了长足的改进。

　　在信息数量增长的同时，它的质量方面也有惊人的进展。“水手4号”发射
之前，火星表面可以有把握地探测的最小部分是几百公里。“水手9号”之后，
火星上百分之几的表面，已被观测到的有效分辨率为100米，分辨率在最近的十
年提高到原数字的千分之一，比起惠更斯时代则提高到万分之一。“海盗号”更
进了一步，正是由于分辨率的提高，使我们得知火星上数量众多的火山、片状的
极地结构、曲折蜿蜒的河床、巨大的断裂峡谷、沙丘原野、与环形山伴生的尘埃
纹脉，以及其他许多奇妙而具启发性的特征。

　　为了了解一个新近被探测的行星，分辨率的提高和覆盖区域的扩大都是必要
的。例如，由于水手4号、6号和7号的探测区域发生了不幸的巧合，以致它们所
观测的都是火星的古老的、布满陨石坑并相对而言不大令人感兴趣的地带，虽然
这三艘宇宙飞船具备出色的细貌分辨技术。这样，就没有提供后来为“水手9号”
所揭示的火星上占三分之一地区年轻的、活跃的地质活动的任何线索。

　　除非达到100米分辨率的摄影观察能力，否则靠轨道摄影方法完全不可能从
地外观测到地球上生命的存在。只有具备这样的分辨率，才能十分清晰地看出我
们这个技术文明世界都市和农田的几何图形来。这就是说，假若火星上曾有过规
模及水平都相当发达的文明，在“水手9号”和“海盗号”执行使命之前也是无
法通过摄影检测出来的。根据“水手9号”和“海盗号”的探测，看来没有理由
预期在我们太阳系的近邻行星上有这样的文明，但是，前后之间的对比强有力地
表明，我们对近邻世界的真正侦测已经开始了。

　　无需赘言，随着摄影技术中分辨率和覆盖区的极大改进，以及分光观测和其
它方法的进展，令人惊奇欣喜的消息正在等待着我们。

　　世界上行星科学家们的最大专业组织为美国天文学协会行星科学分会。这门
新兴科学的活力，在协会的会议上尤能给人以深刻印象。在1975年的年会上，提
出了有关下列发现的报告：水星大气中的水蒸气、土星上的乙烷、小行星灶神星
上可能有碳氢化合物，土星的卫星提坦的大气压接近地球气压；土星的十米波段
射电爆发；利用雷达探测了木星的木卫三，并仔细测定了木星的另一卫星——
Callisto的射电发射波谱，更不用说“水手10号”和“先驱者11号”所展现的木
星和水星（以及它们的磁层）的壮观景象了。在此之后的会议上，又通报了这方
面所作的科学新发现。

　　对于这许多令人振奋的新近发现，尽管还未形成关于诸行星起源和演变的较
一致的看法，然而有关这一领域的发人深思的暗示和巧妙的推测已日益丰富。人
们越来越清楚地认识到，对于任何行星的研究，都有助于我们了解其它行星；如
果我们要彻底理解地球，我们必须对其它许多行星有一个全面的认识。例如，现
在有一种很时兴的说法，是我在1960年首先提出来的，其内容是：金星表面的高
温度起因于逃逸的“温室效应”②，即金星大气中的水和二氧化碳阻碍了表面上
的热辐射散发到太空。表面温度不断上升到射在表面的可见光与离开表面的红外
线二者之间的平衡点；于是，较高的表面温度导致了包含温室气体、二氧化碳、
水等等在内的较高的蒸气压力，并且这个过程一直持续到全部二氧化碳和水蒸气
都变成蒸气状态为止，从而形成了一个具有高大气压和高表面温度的行星。

　　现在看来，金星的大气如此，而地球的大气却不是这样，似乎是由于地球上
接受的阳光相对少一些的缘故。假使太阳变得更亮一点，或者地球的表面和云层
变得更暗一些的话，地球会不会也变成另一个金星式的地狱呢？对于有能力深刻
改变地球环境的我们的技术文明世界来说，金星演变的故事，可能是一个警告。

　　同几乎所有行星科学家的预料相反，现已证实，火星表面布满了成千条弯曲
而多支流的河床，其形成时间可能已有数十亿年了。在现存的火星大气层的条件
下，无论是流水还是流动的二氧化碳的冲刷，都不能造成这种河床；要形成这些
运河，不仅需要高得多的压力，而且需要两极地区具有较高的温度。所以，运河
的存在以及火星两极的层状地带表明，在火星上，过去至少有一个或许多气候温
和的时期，这意味着火星历史上曾经发生过重大的气候变迁。我们还不知道，这
种变化是由于内部原因还是由于外部原因造成的。如果原因来自火星本身，那么
搞清楚地球是否也会由于人类的活动而经历一个类似火星的气候变迁——这种变
迁至少大大超过地球近期所经历的变迁——将是极有意义的。如果火星气候变化
是外部原因造成的结果——例如，太阳光度的变化——那么，对于火星和地球之
间的古气候学关系的研究将是大有可为的了。

　　“水手9号”是在一次巨大的环球尘暴期间到达火星的，它所获得的数据使
我们得以确定：这样的尘暴是使火星表面加热还是致冷。任何一个想要预测地球
大气中增加了的烟雾将对气候造成什么后果的理论，最好能对火星的尘暴提供正
确答案。凭借我们的“水手9号”的经验，国家航空和宇宙航行局艾姆斯研究中
心的詹姆斯·波拉克（James Pollack）、康奈尔大学的布赖恩·图恩（Brian
Toon）和我共同计算了一次和多次火山爆发对地球气候的影响，并且在实验误差
允许范围内，得以再现实际的重大的火山爆发以后所观测到的气候效应。行星天
文学使我们能够从整体上去观察一个行星，这对于研究地球似乎是一个极好的启
示。另一个从行星研究中获得探索地球的启示的例子是，在哈佛大学以M·B·麦
克尔罗伊（M．B．McElroy）为首的小组，专门研究从烟雾剂容器中把由推进剂
喷射出来的卤化烃对地球臭氧层所造成的影响，为此，该小组在从事金星超高层
大气物理学的研究中独占鳌头。

　　根据宇宙飞船所取得的观测资料，我们现在对水星、月球、火星及其卫星上
面由撞击形成的大小不一的坑的密度，多少有了一些认识；而雷达探测正在开始
提供有关金星的这类资料。尽管地球表面被流水和地层构造活动严重地改变了面
貌，我们还是获得了关于地球表面的这些坑的一些资料。如果产生这种撞击的物
体对所有这些行星都相同的话，那么，就有可能计算出成坑表面的绝对年代和相
对年代。然而，我们现在还不知道，造成碰撞的冲击物是否都来自一个共同的源
地——比如，小行星带，还是各有各的局部来源，例如在行星聚积的最后阶段所
吹卷起来的碎片环带。

　　成坑严重的月球高地告诉我们，在太阳系演化史的早期阶段，成坑事件比现
在要频繁得多；仅以目前存在的行星际碎片的数目，无法解释月球高地上星罗棋
布的陷坑。另一方面，月海部分却呈现出小得多的陷坑密度，这种情况可以用现
有的星际碎石来说明，这些碎石大部分来自小行星带，也可能是毁灭了的彗星。
对于没有如此严重成坑的行星表面而言，我们有可能测定出一些它的绝对年代，
大量的是相对年代，有时甚至还能确定产生陷坑物体大致的分布情况。例如，我
们发现，在火星上的巨大火山的侧面，几乎没有冲击而成的陷坑，这意味着它们
比较年轻；尚不足以积累起很多的碰撞痕迹。这就是有关火星的火山活动发生于
比较晚近时期论点的依据。

　　比较行星学的最终目标，我认为有点象是一个巨大的计算机程序。在这个程
序中，我们输入一些参数——也许是原始行星的组成部分、角动量和来自邻近的
冲击物密度——尔后就能推导出该行星的时间演化进程。我们目前距离深刻理解
行星演化的境地还很遥远，但是，比起几十年前只能预想情况来却要近得多了。

　　每一批新发现都要引出一大堆我们以前连问都没有问过的问题。譬如，现在
已经有可能将小行星的成分与地球上陨石的成分进行比较（见第十五章）。小行
星的成分似乎可以分为富含硅酸盐和富含有机物的物体。随之得出的结论就是，
小行星中的谷神星显然是尚未分化的，而较小的灶神星则是已经分化的。但是，
据我们现在认识，行星分化过程只发生于一定的临界物质。灶神星是否为现已从
太阳系中消失了的一个硕大母体星的残余呢？用雷达对金星陨石坑进行的首次观
测表明，这些陨石坑都是极浅的。那里没有液态水腐蚀金星表面，而低层的大气
运动得如此缓慢，以致它所形成的风微弱到吹不起尘上去填满陨石坑。所以，金
星陨石坑的填塞，会不会是略微溶化的表面象糖浆似地缓慢塌陷下去造成的呢？

　　产生行星磁场的最流行的解释说，在导电的行星内核中，因旋转驱动而引起
的对流电流。水星每59天自转一周，根据以上说法，是无法测出它的磁场的，而
那里明明有磁场。看来，认真地重新评估行星磁力理论应提到议事日程上来。只
有土星和天王星有光环。为什么呢？火星上的沙丘紧靠着一个经过腐蚀的巨坑的
内壁，奇妙地纵向排列着。在靠近科罗拉多州阿拉摩萨的大沙丘遗址上，也有一
些类似的沙丘，紧靠着桑格里德克里斯托山脉的一个孤形地带。火星沙丘和地球
沙丘具有相同的范围、相同的沙丘间距和高度。可是，火星大气压力只及地球的
二百分之一，导致沙粒移动所需的风力必须大于地球上风力的十倍；再者，这两
个行星上的沙粒大小的分布也可能各不相同。那末，由风吹沙粒形成的沙丘地带
怎么会如此相似呢？固定在火星表面的十米长的无线电发射波，在范围不超过
100公里的区域，时断时续地向宇宙发射，这种电波发射的来源是什么呢？

　　“水手9号”获得的观测资料，暗示火星上的风速至少有时会超过当地声速
的一半。风是否比过去大了呢？超声速气象学的实质是什么？火星上有一些底边
长约三公里、高约一公里的金字塔，它们不象是火星上法老们建造的。因为在较
为稀薄的火星大气中吹动沙粒需要较大的风速，火星上风吹起沙粒而造成的沙暴
的比率，至少比地球上的比率大10，000倍。火星金字塔的各个平面是否为数百
万年间被这种来自各个方向的沙暴所侵蚀形成的呢？

　　位于太阳系外围的那些月亮，几乎可以肯定，不会与我们这颗阴郁暗淡的月
亮一样。其中许多月亮的密度非常之低，从而可以断定它们大部分是由甲烷、氨
或水所结成的冰组成的。如果靠近观察，它们的表面该是什么样子呢？在冰晶的
表面，冲击而成的陷坑是怎么被侵蚀的呢？固态氨的火山和液态氨的熔岩，会不
会在火山边缘往下淌呢？为什么靠木星最近的一个大卫星一被包围在一个气态钠
云层之中？木卫一，如何帮助调节来自位于其中的木星辐射带的同步发射呢？为
什么土星的卫星艾皮特斯（lapetus）的一边比另一边亮六倍呢？是由于颗粒大
小的差别吗？是由于化学成分的不同吗？这些差异是怎样形成的呢？为什么这样
一种对称的格局出现在艾皮特斯上而不是太阳系的其它地方呢？

　　由于太阳系中最大的卫星提坦的重力如此之小，而上层大气的温度又高，致
使氢气以我们所说的喷气方式极其高速地逃逸到太空中去。可是，用分光镜观测
的资料表明，提坦上仍有大量的氢气。提坦的大气层实在是一个谜。假如我们的
探测超越土星系，那将面对一个太阳系中我们几乎一无所知的区域。我们现有的
效用有限的望远镜，甚至还不能可靠地确定出天王星、海王星和冥王星的自转周
期，更不必说它们云层和大气的特征以及它们的卫星系统的性质了。康奈尔大学
的诗人黛安·阿克曼（Diane Ackerman）写道：“象雾中一匹通体斑纹的马，海
王星隐隐绰绰，令人难以捉摸。似果汁状，还是用带系上？是蒸气充溢，抑或受
寒潮侵袭？我们所知的，不过九牛一毛。”

　　我们刚刚开始认真地从事探索的、也是最令人感兴趣的课题之一，就是太阳
系其余地方有没有有机化合物和生物的问题。火星上的环境并非恶劣到排斥生命
的地步，但我们对生命的起源和进化的知识还不足以保证确知生命一定在那里或
别的地方出现。火星上是否有大大小小的有机体，还完全是一个悬而未决的问题，
即使在“海盗号”完成了探索使命之后依然如此。

　　有意义的是，在诸如水星、土星、天王星和提坦上含有丰富的氢。这些地方
的大气，在一些重要方面类似于刚出现生命时期的地球大气。根据实验室的模拟
实验，我们得知，有机分子在这种条件下以很高的效率合成。在木星和土星的大
气中，这种分子因对流传热而达到被热分解的程度。即便如此，有机分子的稳定
集聚仍在继续。在所有的模拟实验中。应用到这种大气中的能量会产生一种淡褐
色高聚合物质，它在许多方面类似于木星和土星云层中的淡褐色物质。提坦可能
完全被一种淡褐色有机物所覆盖。很有可能，我们将在今后几年内看到在这门新
生的外空生物学中重大而又意料不到的新发现。

　　在今后的十年或二十年内，用以继续探索太阳系的主要工具，肯定将是不载
人的行星际空间飞行器。进行科研的宇宙飞行器，现已成功地飞向自古以来就知
道的行星。还有一系列经过仔细研究而正等待批准的探索任务。如果正在拟议中
的这些计划大部分得以实现，那么，目前行星探索的黄金时代就将会继续下去。
但是，能否将这些壮丽的探索航行真正继续进行下去，人们仍没有把握，至少在
美国是如此。在过去的七年中，只批准了飞往木星考察的“伽利略工程”这样一
项重大的行星计划——尽管这项计划目下处境不妙，陷于进退维谷之中。

　　然而，对远至冥王星的整个太阳系的初步勘查，以及对邻近的几颗行星更详
尽的探测，例如利用横越火星表面或进入木星大气的飞行器所进行的探索，也还
不能解决太阳系起源这个根本问题。我们所需要的是发现其它太阳系的信息。置
于地面的和空间运载的仪器在今后二十年的发展，有可能使我们探测到数十个单
个恒星周围的行星系。基特峰国立天文台的赫尔穆特·艾布特（Helmut Abt）和
索尔·利维（Saul Levy）对多重恒星系统所作的新近观测研究表明，在所有恒
星中，约有三分之一的恒星具有它的行星伴侣。我们不知道，其它的这类行星系
统是否象我们这样，抑或是建立在非常不同的原理上的。

　　我们已经几乎毫无察觉地进入了自文艺复兴以来无可比拟的一个探索和发现
的时代。在我看来，比较行星学将会给地球上的各门科学带来实际利益；通过对
其他世界的探索而将冒险精神传授给几乎已失掉冒险机会的社会；探索宇宙前景
的哲学意义——这些将长期成为我们这个时代的标志。许多世纪之后，现在非常
现实的政治和社会的种种问题，都将成为年代久远的往事，恰如奥匈帝国分裂战
争中那些非常现实的问题，对于今日的我们已是那样的疏远一样。我们这个时代
将是地球上的居民与他们周围的宇宙第一次接触的时代，或许主要正是这一点，
将使后人永志不忘。

________ ①二进位制信息单位。一译者注②珐璃暖房能使室内深持较高的温度，
行星大气中二氧化碳和水汽等也具有类似暖房玻璃的作用。天文学家把这种作用
形象地称之为“温室效应”。——译者注






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