关于太阳系形成机制的理论思考

摘 要：太阳星云的形成机制可从两方面进行理论思考，一是依据太阳星云主要特征与太阳系形成过程推知致密星体的形成机制及其理论模型；二是主要从经典力学与量子力学两个角度，探讨相对论关于时空弯曲与超引力、虫洞旅行之间可能存在的联系。

关键词：太阳系；形成机制

1.太阳星云的坍缩过程分析

原恒星向主序星转变涉及两个主要过程：一是星云向内的坍缩过程，一是原恒星的慢收缩状态。

当褐矮星内部的氢耗尽，其气体壳和一些星际尘埃被抛出，形成一个直径近一光年的星云。如此小的星云若形成像太阳系这样的星系是远远不够的。但恒星（这里指较大的主序星）在形成白矮星、中子星这类致密星体时，其气态外层都会向周围宇宙空间抛出大量主要成分为氢（H2）的物质。被抛出的气体体积与质量往往都很大，与大量星际物质相互作用形成直径达几十光年甚至更大的星云，只有这样才可能形成像太阳系这么大的星系。因此可以认为，太阳星云是由一个红巨星或超巨星抛出的物质与宇宙尘埃相互作用而成。

明确这一假设，接下来将分析太阳系中太阳与各星体的形成过程。太阳系星云形成后的巨大质量，对周围空间星际物质的吸积越发剧烈，后来由于星云所吸积的物质质量与体积大到可打破星云外部与内部气体的力的平衡时，外部气体便在极强自引力下向星云内部坍缩，但这时星云内部密度并不随之瞬间增加。只有当坍缩进行到一定程度，外部密度较大物质才会在星云中央形成一密度非常大的、处于慢收缩阶段的天体，也就是原恒星。在这个星体形成后，周围星际物质被以更快速度吸进这个形体内部，从而使星体内部密度越来越大。当原恒星密度达到一定程度，由于恒星内部物质分子的剧烈运动与相互碰撞以及外部物质不断加入，恒星内部温度越来越高，使使星体发出的引力子路径开始因其他更多引力子作用向内弯折，最后又回到恒星，与恒星内部分子剧烈摩擦，产生大量热能。

原恒星与太阳的最大区别是前者内部不会进行“恒星核合成”。我们知道，太阳依靠内部热核反应维持自身运行，为此就应存在一临界值，当原恒星内部温度越来越快升高时会达到这一临界值，具体温度应在600～700万摄氏度间。因为在这个温度下，占原恒星内部大部分的氢分子彼此发生碰撞时才不会再弹开，而是开始聚集成更重的氦，也就是开启恒星的核融合，从而引发恒星内部核聚变。这一变化结果使原恒星正式转变为一个主序星。

2.太阳星云坍缩过程的分子与热平衡

太阳星云的质量应介于104～106个太阳质量，其直径应达到数十个秒差距，亦即一个小型的超新星遗迹。分子云有一些物质的集合区称为分子云核。当星云因自引力或者Jeans不稳定性而坍缩时，其体积会迅速缩小，导致外部物质向引力最强处快速挤压与收缩，这一引力中心则应是原星云物质最稠密部分（“稠密分子云核”）。星云坍缩过程如同较弱且相反的沃尔哲流体动力学模型（当然是比较近似的），即在坍缩最开始阶段，大量氢分子与其他分子剧烈摩擦，使星云温度骤然上升。当其自身热量的产生速度高于辐射速度时，恒星便会由辐射相进入绝热相。此时稠密云核内分子都具有较高能量，能对周围直线运动分子产生强大引力，使之因引力偏折沿一种螺旋状轨道撞上星核，并在周围形成一个吸积圆盘；在分子量再处于一个临界值时，星云又会发生一次坍缩。这时的星云坍缩向外界的热辐射呈几何级数增长，并远高于星云辐射水平；其内部温度更因外部分子不断加入而加速增长，致其辐射损失可被忽略；当这个稠密分子云核达到一定密度时，其分子开始互相制约，呈现一种较为稳定结构，并使热量不再迅速升高，与辐射量逐渐趋于稳定。于是太阳星云的坍缩停止，原恒星产生，星云开始新一轮活动周期。

3.太阳星云坍缩过程中力的平衡

爱因斯坦的广义相对论方程中预言宇宙有一起点，尽管他本人一直对这一结论持怀疑态度，不过后来实验结果还是表明宇宙一定有一开端，且有一非常热的早期。[1]现代物理学理论认为宇宙早期空间中充满均匀的中性原子气体云，处于一个几乎是零电荷的高度均匀空间中，但由于Jeans不稳定性，宇宙空间的物质密度开始出现差异，也就是“密度涨落”。这种情况下我个人认为巴莱多的理论更适切：那些密度较大区域的重要性远大于充盈整个空间的中性原子。密度涨落起初只有极小表现，Jeans不稳定性逐渐放大了这种差异。

宇宙空间引力作为一种长程力不会只对自己较近区域产生影响，而是凭长程力在宇宙中形成引力超强的“核”，此“核”的施瓦茨半径很可能比其实际直径还大，这也使其引力比黑洞还要强很多倍。其形成早期，还有可能在自己周围形成像太阳系这样的恒星系统。但用不了多久，这个区域便会坍缩成一个超级黑洞，这个引力超强区域会引起极强烈的时-空翘曲，不仅会使整个宇宙都黯淡无光，还会由于其高于极限的逃逸速度将宇宙一切吞噬：这个黑洞也许会使宇宙几乎陷入空无一物的境地，或是在弗德里曼宇宙模型中，成为宇宙的“终结者”――引发整个宇宙的坍缩，加快了大挤压的来临。由于引力恰到好处的作用范围，使得宇宙中可以同时存在多个高密度区域，形成多个自成一系的星体与星系。

正如前文谈到的，分子云因本身质量不断增加引力也随之增长。按爱因斯坦的质能方程，两者在以光速平方的速度（c2）增长。[2]我们可想象有这样一个极限，即星云引力如此之强，对时-空翘曲作用如此之大，使其本身向外界施加的引力一部分也被偏折回来，并作用于自身。这一过程用量子力学描述应是：引力子被从星云发出时总要消耗一定能量，可当引力场过于强大时，一部分引力子消耗全部能量，又被其余引力子带回星云，并作用于本身。这种引力可称为“自引力”。

星云于是会在自引力带动下坍缩。因其质量与体积都很大，坍缩也不止发生一次。分子被吸进星云内部时快速增长的密度与温度给位于稠密分子云核外部的气体提供了足够能量，使外部气体压力随之升高，并可达到能与自引力相抗衡的压力场，从而使其可以终止星云塌缩，最终重新建立起一个力学平衡，也就是原恒星。

4.经典力学与流体力学对原恒星球面成因的解释

在坍缩进程启动后，原来外形并不均匀的星云开始逐渐演变为类似恒星的球状。在星云开始坍缩之后，其体积不断缩小，但角动量并未改变。因此其自转速度会逐渐加快，由于稠密核心上的物质受力均匀，因此逐步形成了球状。这一形成原理与液体表面张力有几分相似，因为构成原恒星外部大气的虽多是气体，但其密度较高，可以具备比有些液体更大的分子力。我们知道，星云所处的是真空环境，外部几乎没有对其施加引力的物质，或只有施加很小引力并可忽略不计的物质。星云外部物质所受的最显著的力便是来自内部的自引力，因此无法保持较稳定的力学平衡状态，实际上这会使得星云有一种自动缩小的趋势。现在我们将星云外层假定为表面层，其密度较内部要稀疏许多；由于外部分子间的斥力仍然存在，因此分子的排列虽较稀疏却维持在一个互相牵引的范围内，于是使整个表面有收缩倾向，并形成同等质量下表面积最小的形状――球体的样子。

5.能量散失引起的原恒星慢收缩像

上面我们曾推断星云坍缩时周围会形成一吸积圆盘，这一圆盘也恰恰是恒星重力、引力、磁场等共同作用的结果。

原恒星在形成时体积比太阳大很多。原恒星自身的力学平衡是建立在由其内部分子提供能量的引力与附属于分子引力位能的压力的平衡之上的；而温度自内向外的逐步降低则一定会导致压力梯度的形成。正因为整个系统在热学上的不平衡性，使内部无时无刻不在向外界进行热传递，外部分子也不断向星际空间进行热辐射。而且原恒星的能量来源完全是内部分子相互之间以及与外来分子的碰撞产生，无法达到像恒星那样自给自足。只有当原恒星内部密度达到一定程度时才会产生热核反应，在此之前，恒星内部除向外散失能量并靠引力继续俘获星际物质支持自身外什么也不能做。随着能量向外部的传递与辐射，引力与压力的平衡逐渐被打破，但由于压力不是单独存在而是依赖内部分子运动产生的能量，因此星体不会被相对引力来说偏大的压力“压”得再次坍缩，相反压力倒会逐渐降低，使外部分子引力位能相对减少。这使恒星内部温度不会因能量快速流失而降低。这样整个原恒星便处于一种慢收缩相，其内部结构却一直很稳定，直到转化为恒星。

6.高维时空中的跳跃性与不稳定性

从引力与时空相互作用看，我们也许可做如下推断：引力对周围时空的弯曲可能不只限于四维时空，而是在翘曲时空的同时将其他维度舒展开来，使空间具有更强能量。当我们用黎曼几何对现实时空条件进行理论计算时也许会发现其结果显示宇宙空间的翘曲截面要远大于四维空间可容纳的时空范围，而这也可解释虫洞存在的可能性。这还可被解释成时空由于过度翘曲而引起的维数递增，这样当我们位于多于四维的空间时便有可能实现虫洞旅行。在同维参考系中我们只要遵循洛伦兹变换公式，就可以随意变换；而当我们将参考系维数由一维向四维逐渐增加时，参考系中每个事物的运动模式也会随之改变，而且其普遍规律都是比在原维数的运动更为快捷，且能达到在原维数中根本不可能达到的运动状态，这一现象可以用一段二维弦的运动来阐释：当空间只有二维时，弦运动只能限于一个平面且只限于这个平面，其运动速度极限（这一速度是无法达到的）就是对这个平面的逃逸速度；当这段弦落入三维空间时就可轻易达到原来在二维空间根本不可能达到的速度。同理，当我们从四维时空中到达高维空间时，光速将是一个很容易就能达到并超越的速度，从而我们也就具备了虫洞旅行条件。

经上述分析我们可推出：之所以十一维中的其他七维被卷曲的很小，是因为如果它们不被如此卷曲，这个稳定的空间（也就是所谓的四维空间）就不会存在，其他维也不会有卷曲机会。因为当这些维度像X，Y，Z三个空间维与T时间维一样被释放出来时，整个宇宙空间会处于一种高度无序化。只有当这些维度都以一定规律和顺序卷曲并排列时，宇宙空间才有可能形成，或说宇宙空间的形成依赖维度数量。空间的四维性质是十一维在大尺度结构中的不全面体现，正如五颜六色的光屏一旦旋转起来就剩下白色一样。

7.太阳系其他行星的形成

星云坍缩始于稠密云核，后者只是星云中许多密度涨落最强的一个，换言之还有很多分子云核同时吸取星云中的物质。这些分子云核有的在原恒星形成时落到其引力场中被俘获；还有一些随其周围吸积圆盘绕着原恒星自转。这一个个小的物质集合仍能维持自身并不被吸入原行星内应有两个主要原因，一是这些集合距离原恒星较远，所需引力位能较强；二是吸积圆盘所产生的离心力会进一步增大引力位能强度，由于这些集合位于吸积圆盘外部，其自转速度越靠外也就越快，因此产生的离心力也就越大。这种力的相互支撑在原恒星周围又形成一些原行星系统。经过多次坍缩后，太阳系终于形成今天的样子。

结论：太阳系由一个小型超新星遗迹坍缩而成，其中心形成了太阳的前身――原恒星；原恒星在几亿年时间里经过坍缩、热平衡、吸积等阶段最终形成太阳系现在的面貌。而且根据太阳系形成过程中与空间的相互作用，我们可推知高维空间存在的真实性和其与四维现实时空的联系，并在给定一由于引力将时空高度扭曲而得以存在的高维空间参考系后，超光速运动成为可能。

参考文献：

[1] Stephen Hawking.A Brief History of Time（时间简史）[M].湖南科学技术出版社，2009.p.67

[2] Albert Einstein.Relativity：the Special and the General Theory [M].Broadway Books press，1995.p.136-137.