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第四百四十九章

而且对太阳系的长期研究,分化出了这样几门学科:太阳系化学:空间化学的一个重要分科,研究太阳系诸天体的化学组成(包括物质来源、元素与同位素丰度)和物理-化学­性­质以及年代学和化学演化问题。太阳系化学与太阳系起源有密切关系。太阳系物理学:研究太阳系的行星、卫星、小行星、彗星、流星以及行星际物质的物理特­性­、化学组成和宇宙环境的学科。太阳系内的引力定律:太阳系内各天体之间引力相互作用所遵循的规律。以及太阳系稳定­性­问题:天体演化学和天体力学的基本问题之一。这里面太阳系内的引力定律很直得注意。

因为太阳系内各天体之间引力相互作用所遵循的规律。十七世纪六十年代,牛顿首先研究月球的运动,发现它基本上符合平方反比规律。但是,牛顿不知道如何计算有限体的引力,这就使他的研究拖延下来。就在牛顿进行这些研究的同时,哈雷﹑雷恩和胡克等好几位学者也都认识到:如果行星轨道是正圆,那么开普勒第三定律就包含了平方反比定律。但他们不知道当行星沿椭圆运动时,向心加速度该怎样计算,于是便向牛顿请教,在和距离平方成反比的引力作用下,行星的运动将符合经验的开普勒定律。接著牛顿又完成了他对月球运动的计算。[]

这样,经过二十多年的研究,牛顿提出了一个描述宇宙中物体之间相互作用的定量的物理定律。对于当时的观测技术来说,牛顿万有引力定律以惊人的­精­度解释了太阳系天体的运动,十九世纪中叶,英国J.C.亚当斯和法国勒威耶根据对天王星运动的研究,彼此独立地以1°的­精­度预报了海王星的位置,这是牛顿万有引力定律的一个辉煌成果。但是随著观测技术的发展,以牛顿万有引力定律为基础的大行星运动理论逐步暴露出一些不足之处,在实际观测值与理论计算值之间出现了系统的偏差,其中最突出的是水星近日点进动问题。这就不免引起人们对牛顿万有引力定律的怀疑,由此导致一系列的研究。

还有太阳系稳定­性­问题,天体力学定­性­理论和天体演化学的一个基本问题,也是一个天文学中的热门课题。主要研究由大行星和太阳组成的这个力学系统,在长时间内(至少几十亿年是否仍然保持稳定。也就是说,每个大行星的轨道是否永远大致保持为椭圆,而且其大小形状变化不大,不致发生某些大行星逃逸﹑堕入太阳或互相碰撞等现象。尽管人们都很关心这个问题,但它至今尚未得到彻底解决。

而早在十八世纪,拉普拉斯和拉格朗日就开始研究这个问题。他们从行星轨道要素的受摄运动方程出发,讨论行星轨道的半长径a和偏心率e是否有长期摄动,结果证明在以行星质量为标准的一阶摄动中,a没有长期摄动。1809年,蒂塞朗和泊松先后又证明,在二阶摄动中,a也没有长期摄动。二十世纪以来,已证明a有三阶长期摄动,而e是肯定有长期摄动的。但a或e有长期摄动并不意味著a或e就会无限增大或无限缩小,导致太阳系的不稳定。因为按各阶摄动不断研究下去,a﹑e将表示为时间t的幂级数,而幂级数也可能表示周期函数。因此,沿这条途径无法最终解决太阳系的稳定­性­问题。

然后在二十世纪六十年代,卡姆(KAM理论的创始人沿著另外一条途径进行探讨。他们用多体问题的卡姆理论证明,只要各大行星的无摄轨道的平均角速度不在共振带范围内,则在行星相互引力摄动下,它们的轨道可用时间的所谓拟周期函数来表示。因为拟周期函数可以表示为一致收敛的三角级数,因而能说明太阳系是稳定的。但这并不是绝对肯定,而只是在概率论的意义下的肯定,即不稳定的概率等于零,或者说太阳系“差不多”是稳定的。即使这种稳定说能够成立,太阳系的稳定­性­问题仍未彻底解决。因为行星轨道是否符合平均角速度不在共振带内的条件,还很难严格说明。另外,行星运动除受到牛顿万有引力作用外,还可能受其他摄动力的影响(如介质阻尼等。尽管有些摄动力看起来可以忽略,但在长时期(几十亿年内可能还是有很大作用的。

虽然学者同意另外还有其他和太阳系相似的天体系统,但直到1992年才发现别的行星系。至今已发现几百个行星系,但是详细材料还是很少。这些行星系的发现是依靠多普勒效应,通过观测恒星光谱的周期­性­变化,分析恒星运动速度的变化情况,并据此推断是否有行星存在,并且可以计算行星的质量和轨道。应用这项技术只能发现木星级的大行星,像地球大小的行星就找不到了。太阳系是银河系的一部分。银河系是一个螺旋形星系,直径十万光年,包括两千多亿颗恒星。太阳是银河系较典型的恒星,离星系中心大约两万五千到两万八千光年。太阳系移动速度约每秒220公里,两亿两千六百万年转一圈。

太阳系中的八大行星都位于差不多同一平面的近圆轨道上运行,朝同一方向绕太阳公转。除金星以外,其他行星的自转方向和公转方向相同。彗星的绕日公转方向大都相同,多数为椭圆形轨道,一般公转周期比较长。而且这里面还有一个关于太阳系中行星轨道的一个简单的几何学规则,叫做提丢斯—波得定则(Titius—Bodelaw),简称“波得定律”。它是在1766年德国的一位中学教师戴维·提丢斯(JohannDanielTitius,1729~1796)发现的。后来被柏林天文台的台长波得(JohannEle

tBode)归纳成了一个经验公式来表示。行星同太阳平均距离的经验定律。1766年,德国人提丢斯提出,取一数列0,3,6,12,24,48,96,192……,然后将每个数加上4,再除以10,就可以近似地得到以天文单位表示的各个行星同太阳的平均距离。1772年,德国天文学家波得进一步研究了这个问题,发表了这个定则,因而得名为提丢斯—波得定则,有时简称提丢斯定则或波得定则。这个定则可以表述为:从离太阳由近到远计算,对应于第n个行星(对水星而言,n不是取为1,而是-∞),其同太阳的距离a=0.4+0.3×2^(n-2(天文单位)。

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