太陽系中的行星為什么都處于同一軌道面而環(huán)繞太陽公轉(zhuǎn)呢？為什么它們公轉(zhuǎn)的方向也都相同呢？

當(dāng)我們想象太陽系的時(shí)候，我們往往就會(huì)想到這樣的一幅畫面：一個(gè)圓盤上有許多圓環(huán)，這些圓環(huán)就是行星運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道?？紤]到從孩兒時(shí)我們就被這樣灌輸，我們自然就會(huì)認(rèn)為所有的行星都是在同一軌道平面上。實(shí)際情況還不止這些，這些行星還都以同樣的方向環(huán)繞著太陽公轉(zhuǎn)。

你是否思考過為什么會(huì)是這樣呢？這么大的一個(gè)巧合？或是有什么外力造就了如此的狀況？如果存在這樣的進(jìn)程，我們是否在某處能找到證據(jù)？

正如你可能猜到的那樣，這不可能是一個(gè)巨大的巧合！說明一下：我們觀察到的行星沿著同一軌道面環(huán)繞著太陽公轉(zhuǎn)，這些行星的衛(wèi)星也是如此環(huán)繞著這些行星在同一軌道面上公轉(zhuǎn)。所有的氣態(tài)巨星都有常規(guī)衛(wèi)星，這些衛(wèi)星也沿著其行星軌道面環(huán)繞公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)的方向也都相同。

土星環(huán)也是位于與土星衛(wèi)星公轉(zhuǎn)的軌道面上，以順時(shí)針方式優(yōu)雅時(shí)尚地環(huán)繞著土星公轉(zhuǎn)。既然我們可以看到大量的這種情況，那這一切是如何發(fā)生的 ？

咱們還是先回到數(shù)十億年前吧！那時(shí)太陽系還未形成。(1:20) 在HII星云或恒星孕育孕育室的核心深處，氣體與塵埃懸浮在其中；每一個(gè)粒子都具有內(nèi)部排斥力，都阻礙著被其他粒子的引力 吸引。直到有一天，如同超新星的沖擊波那樣的外部能量對(duì)其作用，從而喚醒了位于星云孕育室中的氣體與塵埃，打亂了向內(nèi)的壓力，引起粒子相互碰撞并聚集在一起。

很快，這些聚集在一起的粒子堆與其他粒子堆相互吸附，它們的質(zhì)量與引力隨著一顆顆粒子的不斷附著而增大。在隨后的幾千年中，陷落到此的物質(zhì)造成其獲得更多的能量，引起中心處的物質(zhì)變熱。隨著來自星云孕育室的更多物質(zhì)的質(zhì)量與引力的增加，它們更多地被吸附，形成了現(xiàn)在所謂的原恒星、也稱作少年恒星，此時(shí)它們的核心還未開始進(jìn)行核巨變。

首先，原恒星周邊的陷落物質(zhì)會(huì)從任何方向被吸引過來，引起原恒星周邊環(huán)境的極度混亂。 粒子之間定期發(fā)生碰撞，通過碰撞，粒子的角動(dòng)量就會(huì)抵消。然而，由于塌陷的星云具有總動(dòng)量，這些陷落粒子的接近方式并不相同；于是，結(jié)果就成為：從各個(gè)方向過來的粒子接近星云時(shí)，粒子大部分動(dòng)量被反向而來的粒子動(dòng)量相抵消，最后留下的就是大部分粒子運(yùn)轉(zhuǎn)的方向。

這是Dan Burns所制作的一段出色圖文。他用一張萊卡布代表時(shí)空；在萊卡布中央放置一個(gè)球體，其重量很大足以造成時(shí)空的彎曲；它還產(chǎn)生引 力，這一引力與宇宙中三維空間的引力起到相同的作用。Dan將手中的許多小球球向環(huán)繞中心球體的兩個(gè)方向扔出；小球環(huán)繞著中心球體運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)它們與運(yùn)動(dòng)方向相反的小球相碰撞時(shí)，動(dòng)量抵消；最后只剩下沒有發(fā)生任何碰撞并一直沿著相同方向繞轉(zhuǎn)的小球。

其實(shí)，萊卡布上的摩擦力在太空中并不存在，所以可以想象粒子會(huì)繼續(xù)沿著軌道環(huán)繞公轉(zhuǎn)，這與演示中在萊卡布上的小球會(huì)逐漸減速所不同。當(dāng)然，這是一種以二維演示代表位于四維宇宙中的三維平面上的運(yùn)動(dòng)，所以需要將這些粒子想象成也沿著另一個(gè)軸環(huán)繞。這些粒子在原恒星周邊并不僅僅是從兩個(gè)方向過來，它們來自從四面八方，相互碰撞的就抵消，最后只留下明顯的繞轉(zhuǎn)方向，產(chǎn)生了 “原行星盤”。

陷落物質(zhì)落入原恒星的同時(shí)，沖擊的角度造成原恒星開始以與星盤旋轉(zhuǎn)相同的方向旋轉(zhuǎn)。

隨著落入原恒星的陷落物質(zhì)越來越少，取而代之的是它們會(huì)停留在環(huán)繞的軌道上，于是這些物質(zhì)就開始再次聚集。如果物質(zhì)聚集能成為一體，這樣就會(huì)形成另一個(gè)恒星，可能是雙體，或多星體系。否則，這些聚集逐漸就合并成為行星。

這些行星的周圍，類似的星盤即原行星也形成了，并引起行星也以與星盤旋轉(zhuǎn)相同的方向環(huán)繞，星盤中的物質(zhì)逐漸形成衛(wèi)星。

這些物質(zhì)的聚集今天仍然可以觀察到。如：擁有其特有的巨大星盤的土星。人造土星探測器卡西尼在執(zhí)行任務(wù)中，能看到小衛(wèi)星在土星環(huán)上的形成，就像物質(zhì)從不同的引力作用下聚集在一起；這些衛(wèi)星中有些會(huì)很快崩潰(分離) ，我肯定在太陽系早期的時(shí)候也發(fā)生過類似現(xiàn)象；有些小衛(wèi)星可以一直延續(xù)到卡西尼任務(wù)的結(jié)束，或許它們會(huì)逐漸形成非常小的衛(wèi)星，正如有些牧羊犬衛(wèi)星那樣，在環(huán)繞環(huán)上開辟自己的軌跡。

其實(shí)，太陽系的環(huán)繞軌道平面并不是一個(gè)絕對(duì)的平面，有些行星與這個(gè)平面保持幾度的傾斜，但這仍然是同一種方式。自然幾乎是絕對(duì)完美：如此混亂的情形竟然逐漸形成了平和、有秩序的世界！

由于太陽系的物質(zhì)，如小行星與彗星不斷地在通過沖擊行星尋找自己的家園，碰撞越來越少。通過測量像衛(wèi)星之上暴露天體的環(huán)形山壽命，我們發(fā)現(xiàn)碰撞次數(shù)已大幅度減少。

從這些觀測中，我們能看到行星在混亂的初期階段，曾經(jīng)受到小行星與微星的猛烈碰撞，隨著更多物質(zhì)進(jìn)入有序狀態(tài)，碰撞的次數(shù)逐漸減少，直到形成了我們今天看到的太陽系。這是一種典型的自然現(xiàn)象，通過自組織而形成所謂的新興結(jié)構(gòu)。

自然界中還有其他的自組織新興結(jié)構(gòu)與此過程極為相似，比如：颶風(fēng)的形成過程。新興結(jié)構(gòu)基本發(fā)生于這樣的環(huán)境：其無序性可以提升復(fù)雜性與強(qiáng)吸引性，并能有序形成結(jié)構(gòu)。我們看到太空軌道面中的自組織可以發(fā)生在行星系、太陽系、甚至可以在銀河系。順便提一下，我們在恒星級(jí)行星形成過程中也能看到自組織， 如：宇宙大爆炸。鑒于這些證據(jù)，我們就會(huì)假定這一類似的過程也造就了其他恒星系統(tǒng)；還好，我們剛好具備觀察其他的巨大行星在類似的軌道面上環(huán)繞其恒星公轉(zhuǎn)。

好了，我們有了答案！為什么所有的行星都在同一軌道面上！

BY: 周洪波 (hongbo_0309)

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