《太陽系簡史》約翰?錢伯斯-pdf,txt,mobi,kindle,epub電子版書免費下載

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內容簡介

這是一本寫給文科生的太陽系科普讀物。它將回答你關于太陽系誕生、演化、發展、未來的所有疑問。太陽系從何而來?它是如何形成的?它在宇宙中有什么特殊之處?八大行星如何排布?誰擁有最壯麗的行星環?如何從外觀分辨八大行星?冥王星為何被大行星家族除名?未來人類可能到哪里另建家園?太陽系的壽命還有多久?宇宙到底有多大?……所有這些關于太陽系的“小白”問題,你都將在這里找到答案。

作者簡介

約翰?錢伯斯

曼徹斯特大學天文學博士,卡內基科學研究所地磁學系行星科學家,2002年與南森?開布提出“行星五”理論。

杰奎琳?米頓

作家,編輯,天文學媒體顧問,著有《揭秘泰坦星:環繞土星的神秘衛星》。

目錄

第 1章 宇宙考古學
時光魅影
平淡無奇的太陽系
第一次親密接觸
昔日重現
拼湊太陽系的巨幅拼圖
第 2章 太陽系探索之旅
太陽系有多大?
從眾神漫步到幾何模型
異軍突起的日心說
秩序的建立
引力定律
失蹤的行星
小行星登場
天外飛石
不守規矩的天王星
查缺補漏
第 3章 不斷演化的太陽系
瞬息萬變的世界
星云假說初形成
星云假說陷囹圄
偶然碰撞說
星云說卷土重來
第 4章 時間之謎
讀懂宇宙的時鐘
艱難曲折的前期探索
開爾文的失敗
改變一切的放射性
關于宇宙年齡的猜想
放射性同位素計年法
隕石是制勝關鍵
太陽年齡之謎
宇宙年齡再談
第 5章 隕石
隕石震撼登場
隕石的故鄉
鐵隕石和石隕石
驗明來源
月球隕石和火星隕石
珍稀的資源
隕石指路
第 6章 宇宙化學
失蹤的 43號元素
豐富多彩的元素
最初的元素
恒星熔爐里的試煉
重元素的誕生
超新星
第 7章 恒星的誕生
銀河之子
恒星的第一階段
太陽系形成的條件
關鍵元素
第 8章 行星的搖籃
紅外的超量
兩種恒星盤
第 9章 巖質金屬行星
揭秘太陽星云
塵埃聚集
氣體的作用
微星的形成
原行星盤的消亡
同胞姐妹,非雙胞胎
星子時期
地球
胚胎行星接管
4個幸存者
水星
金星
火星
第 10章 月球的由來
今天的月球
月球的成分
月球的軌道
分裂說
俘獲說
同源說
大碰撞說
邂逅忒伊亞
地球、月球和潮汐力
晚期重轟擊時期
第 11章 生命的搖籃——地球
冥古宙時的地球
生命之樹
組成生命的基本材料
氧氣的形成
宜人的氣候
雪球地球
地球未來的生存環境
第 12章 氣態行星和冰凍行星
太陽系的巨行星
核吸積塑造巨行星
盤不穩定性模型
自轉和自轉軸傾斜
擁有眾多衛星的巨行星
規則衛星的形成
不規則衛星的形成
行星環
第 13章 小行星帶發生了什么?
今日的小行星帶
碰撞粉碎說
引力清空說?
小行星族
地幔消失之謎
小行星的真實面目
第 14章 太陽系的盡頭
彗星身世之謎
半人馬型小行星
探索海王星軌道以外
柯伊伯帶
塞德娜
海外天體的本質
類冥天體去哪兒了?
尼斯模型
第 15章 關于未來的預測
從一個堅果殼開始
未解之謎
從太陽系尋找答案
系外行星
太陽系何去何從
術語匯總

序言

每個人都喜歡追本溯源。大家都有過這樣的疑問:人從哪里來?過去的生命是什么樣的?人類又是如何融入宏大的宇宙格局的?無論是營火會上口耳相傳的神話故事,還是宗教哲學文獻里的細節描繪,每一代人都試圖用自己的方式給出答案。近幾個世紀以來,科學手段的出現給這些古老的問題賦予了新的思考方向,讓我們首次看到了真相到來的曙光。

太陽系由太陽和圍繞它運行的眾多行星、衛星、彗星和小行星組成。了解它的起源、演化和本質,對于揭示人類的起源有著極其重要的作用。太陽系的多個要素,包括太陽的壽命與穩定性,還有水、碳、氮和生命賴以維持的其他重要物質的存在,以及地球的大小和運行軌道,為生命的繁衍生息提供了適宜的氣候,且這種氣候得以維持數十億年不變,所以,這些要素都對維持當今的生命發揮著舉足輕重的作用。事實上,其他行星或許也在生命起源的過程中起到了一定作用,它們為早期的地球提供了生命必需的原始物質,并防止危險物體撞擊地球。近年來,天文學家發現在太陽系以外的宇宙里還存在著數百個行星系,這可以說是迄今為止最偉大的發現之一。但是,太空中是否普遍存在真正的類地行星,以及我們賴以安身立命的這個世界是否源于太陽系形成過程中一系列獨一無二的事件,仍然有待考證。

探尋太陽系的過去和太陽系在生命形成中有何作用是寫作本書的兩大目的。本書旨在向讀者介紹古往今來的科學家對太陽系起源的解讀,以及太陽系歷史上發生過的一系列重大事件。同時,本書還探討了科學家是如何透過驚人的細節來觀察太陽系的,他們如何逐步還原出它的形成過程和形成時間,以及在這一研究過程中用到了哪些工具。

為了考證太陽系的起源,我們追溯到宇宙誕生之初,那時,今日宇宙的許多成分都已形成。我們還通過關于恒星的蛛絲馬跡還原了太陽系最初的圖景。本書介紹了太陽星云(這種圍繞著初生太陽的氣體和塵埃云,是太陽系內各行星的原始物質),探討了太陽系中各行星和其他成員的起源,并深刻闡釋了它們如此迥異的原因。

科學發展日新月異,尤其是在過去20年間,各種新發現與突破層出不窮。誠然,我們的知識還存在著缺口,今日流行的科學理念有朝一日也可能面臨淘汰。然而,科學仍舊是我們前進路上的指明燈。一切新發現無一不是踩在前人的肩膀上取得的,它們是對前人成果的錦上添花,而非推翻重來。即便有驚天動地的變革發生,它也離不開前人打下的基礎。當前,科學探索的步子越邁越大,到了我們審時度勢的時候了。在未來,或許本書中的某些細節會有所變化,但我們仍有充足的理由相信,即使時過境遷,本書的許多重要觀念都將顛撲不破。

本書主要面向已對科學具有初步了解的普通讀者,但讀者無須掌握太陽系及其起源方面的專業知識。編寫過程中,我們已盡可能繞開行話和專業術語,一些較為生僻的詞語和概念也在書末的術語匯總中做了解釋,以方便讀者查詢。此外,我們謹記這樣一個道理,像這種書每增加一個方程式,都會嚇跑更多的讀者。

本書的調研和撰寫離不開很多人的鼎力相助與配合。在此,特別感謝科內爾·亞歷山大(Conel Alexander)、埃里克·阿斯普豪格(Erik Asphaug)、林賽·錢伯斯(Lindsey Chambers)、邁克·埃德蒙茲(Mike Edmunds)、戴維·朱伊特(David Jewitt)、斯特拉·卡夫卡(Stella Kafka)、李·麥克唐納(Lee Macdonald)、西蒙·米頓(Simon Mitton)、德里克·沃德-湯普森(Derek Ward-Thompson)以及伊萬·威廉斯(Iwan Williams)為本書做出的寶貴貢獻,也衷心感謝普林斯頓大學出版社的英格麗德·格涅利奇(Ingrid Gnerlich)在本書出版過程中所給予的全力支持與耐心鼓舞。

第1章

我們從哪里來?

時光魅影

坐落在尼羅河東岸的卡納克神廟是古埃及帝國遺留的最壯觀的建筑之一。這座宏偉的廟宇群始建于3 000多年前,在接下來1 000多年的時間里,先后又經歷了30多位埃及法老的改良和擴建。神廟內到處布滿了石墻和石柱,上面鐫刻著歷史文獻、祈禱文和詳細的宗教禮儀。今天,到此觀光的游客可以從導游的解說中了解到這些符號的含義,以及這座神廟的非凡意義。但你可知道,在長達1 500多年的時間里,無人了解這些文字的含義,古埃及文明也因此蒙上了一層神秘的面紗?

卡納克神廟的銘文使用的是古埃及象形文字,古埃及象形文字是世界上最古老的文字符號之一。這種圖形文字被廣泛應用于正式文件和宗教性文本中,但公元前30年埃及成為羅馬帝國的行省后,它的使用逐漸減少。到公元4世紀,隨著基督教的傳入,象形文字逐漸失傳。接下來的幾個世紀里,學者們一直嘗試將它們破譯,但始終沒有成功。

1799年,拿破侖軍隊里的一名法國士兵無意間在一個堡壘的舊址中發現了一塊灰色的石碑,該堡壘位于埃及一個叫作拉希德(又名羅塞塔)的城鎮附近。石碑上刻著以古希臘文、古埃及象形文字和埃及草書(埃及草書比古埃及象形文字更接近近代埃及文字)三種文字書寫的宗教宣言。學者們很快翻譯出了古希臘文和埃及草書的內容,發現三種文字傳達的意思毫無二致。遺憾的是,石碑的頂部缺了一角,象形文字只剩下14行,但事實證明這已經足夠了。經過仔細的語言比對和一系列靈感迸發的查證工作后,學者們終于首次破譯了象形文字。而就是這塊在羅塞塔發現的石碑,成了打開古埃及和古埃及人民珍貴信息寶庫的鑰匙。

深入研究歷史長河中遺留下來的罕見的人工制品有助于考古學家拼湊出人類的發展歷史,羅塞塔石碑的故事就是一個很好的例子。過去的證據有時就和卡納克神廟的石碑一樣近在眼前,只待被人們鑒定出來。而更多時候,它們和充滿傳奇色彩的特洛伊城(位于今日的土耳其)一樣,塵封幾百年而不見天日。歷史的真相往往隱藏在最令人意想不到的地方,就如同遺傳密碼里記錄著人類歷史一樣。

想要從林林總總的來源里篩選出有用的信息是一項非常龐大的工程。今天科學家們用到的工具和技術無一不是人類幾個世紀以來艱難摸索的成果,運用這些工具,人們可以解讀過去留下來的線索,從而解釋人類的發展歷史。考古學和其他科學領域想取得進展,往往有賴于偶然的考古發現(如羅塞塔石碑)、新技術的發明,或者某個天馬行空的先覺。盡管困難重重,但科學家們仍然孜孜不倦地探索著一個讓所有人都著迷的問題:我們從哪里來?

科學家對太陽系歷史的刨根問底猶如考古學家對埃及沙子的錙銖必較。雖然他們的工作方法和工具各有千秋,但都是為了盡可能多地搜集珍貴的歷史遺物,再將新發現與現有信息結合在一起。雖然他們所涉及的空間距離和時間范圍不同,但他們討論的基本問題是一樣的:人類從哪里來,是怎樣出現在地球上的?過去的世界是怎樣的?這些都是他們共同關心的問題。探索太陽系的演化史本身就是一場浩大的考古活動——人類社會出現的前提條件是,我們首先得進化成為人類;要想進化出人類,宇宙中必定得存在一顆圍繞長生命周期恒星運動的宜居行星,這樣才能出現生命。而這一切能夠實現的前提是:太陽系已經在混沌的星際空間中脫穎而出。這一轉變是如何發生的,以及科學家是如何將這些前因后果串聯起來的,正是本書的主題。

平淡無奇的太陽系

我們先來認識一下今天的太陽系。太陽位于太陽系的中心,它的質量是太陽系總質量的99.8%。它的直徑約等于1 400 000千米,相當于地球直徑的109倍,遠遠大于任何一顆行星。太陽只是銀河系中一顆普通的恒星,但“普通”和“平均”的含義可不一樣——無論從亮度還是質量上來說,它都大大超過銀河系中90%的恒星。太陽的壽命約等于100億年,至今已經過去快一半,它目前正處于穩定而旺盛的中年期。太陽還有幾個比較顯著的特點。有些恒星具有多變性、特殊的成分和強大的磁場,這些特性太陽統統都沒有,這對于地球上的生命來說是一件好事:恒星的穩定性和可預測性可以為生命的繁衍生息提供良好的環境。

太陽的平均密度接近于水,但是它的絕大部分成分是比水還要輕的氫和氦,氫和氦由于太陽引力而緊緊挨在一起。這兩種化學元素占太陽成分的98%,其余的2%為其他物質,這樣的配比廣泛存在于大多數恒星中,也是恒星的重要特征之一。太陽與其他恒星一樣由等離子體組成,等離子體是太陽內部一種溫度高達數百萬攝氏度的帶電氣體。太陽核心的核反應釋放出源源不斷的能量,使太陽持續發光,而太陽光是地球以及太陽系其他行星的一個重要熱源。

太陽占據太陽系的絕大部分質量,它的強大引力主宰著太陽系其他天體的一舉一動。太陽所處的位置接近太陽系的正中心,其他天體都繞著它公轉。奇怪的是,太陽的質量如此之大,但它的角動量,也就是轉動的慣性卻只占了太陽系的2%。太陽的自轉速度極慢,自轉一圈大概需要一個月。它的組成物質是流動的,不同圈層的自轉速度各不相同。推動整個太陽系自轉的大部分能量來自繞太陽運行的行星,這一點曾困擾了科學家很長一段時間,而且對太陽系形成學說也產生了深遠的影響,這個問題我們會在第3章中討論。

圍繞太陽公轉的大行星一共有8個。從太陽的北極點俯瞰,八大行星均按照橢圓軌道逆時針方向繞日公轉。它們的公轉軌道幾乎(但不完全)位于同一個平面上,看上去就像放在同一張桌面上的幾個同心圓環一樣(見圖1-1)。除水星和火星以外,其他6顆大行星的軌道都非常接近圓形,水星和火星的軌道相對比較狹長,用數學術語來說就是軌道偏心率較大。火星軌道的偏心率是幫助早期天文學家了解各行星運動的一個重要線索,這點會在第2章中展開。

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