第十八讲 太阳系

↓1.行星与卫星、行星的词源、恒星。

↓2.行星的运行。

↓3.行星的距离、每小时可以拉我们行驶10.8万千米的马车、几何学上最长的基底线。

↓4.波德定律。

↓5.行星的体积。

↓6.太阳对其行星群的主宰。

↓7.对太阳系的想象。

↓8.磨盘与芝麻、如何称量一颗带着卫星的行星、全部行星的质量之和与太阳的质量相比较。

↓9.行星的密度、漂浮在水上的行星物质。

↓10.行星上的年与日。

↓1.各种与我们地球相类似的星球，由于受到太阳巨大引力的作用，它们与地球一起，在各自的轨道上周而复始地转动。其中，有的体积大一些，有的体积小一些；有的离得近一些，有的离得远一些。所有这些星球都是不发光的，就像地球一样，它们是从太阳那里接收各自的光和热，我们将这些星球称为行星。当这些附属的星球依次绕着主宰它们的那颗星球转动时，而另外一些更不重要的星球则绕着附属星球中的一些星球转动，就像月球绕着地球转动那样，我们将这些不太重要的星球称为卫星。太阳和它的行星以及卫星就构成了我们所说的太阳系。

行星这个词的意思就是指移动的星体。实际上，星体之间的相对位置是保持不变的，就像它们是被牢固地镶嵌在天穹上一样，行星们由于它们是绕着太阳作环形运动的，所以它们在天空中的位置是游移不定的。从我们的观察点看来，它们每天都会经过星空中的不同区域。在今天，这颗星星可能位于这片星团，在明天，它就会被自身的运动带到另外一个星团。因此，只要看一下它在这些星星中间的位置是否有移动，我们就可以以辨认出来它是否为一颗行星。如果不移动的话，那么它就是一颗恒星。

卫星是指一颗星星绕着另一颗星星转动的附属运动。它的意思是守卫者或侍者，也就是说，卫星星球是它所围绕着转动的那颗星的侍者。卫星将太阳的光线反射给它所围绕着转动的星球，而这颗星球又将太阳光线反射给卫星。我们将地球称为行星，将月球称为卫星，因此我们就确定了行星与卫星的定义。

↓2.在今天，天文学家们所辨认出来的行星的数目已经超过90颗，下面就是它们的名称，我们是按照它们与太阳的距离由近到远排列出来的。

水星

金星

地球

火星

一些小行星

木星

土星

天王星

海王星

每颗行星都像地球一样，绕着主宰星划出各自的椭圆形轨道，这些椭圆都接近于圆。所有的椭圆形轨道都有一个共同的焦点，即太阳，但是每颗行星的另外一个焦点都不一样，就像它们各自椭圆形轨道的大小也各不相同一样。因此不同的行星轨道从来不会混淆，也不会相互交叉。此外，这些轨道是朝向各个方向的，我们并没有发现它们中的哪一些高，哪一些低，哪一些向左倾斜，哪一些向右倾斜。这是因为，它们几乎都处于同一个平面上，就仿佛在一张纸上画了很多同心圆一样。它们这个共同的平面几乎就是太阳赤道的延长面，行星绕着太阳转动的方向都是相同的。我在前文中已经跟你们讲过，一个位于太阳轴上的观察者，他的头向着太阳上面的一极，那么他会看到太阳从右向左转动，行星也是沿着这个方向绕着太阳转动的，而卫星也是沿着这个方向绕着各自的行星转动的。

↓3.关于行星，第一个要解决的问题就是它们之间的距离。在这里，出现了一个困难，它与我们在测量太阳与地球之间的遥远距离时遇到的困难一样。地球太小了，所以不能作为进行这样测量的必要基底线。天文学家们通过一种非常恰当的方式转换了这一困难。为了求得一个我们不可到达的距离，应该怎么去做呢？要有一个适当长度的基底线以及两个角。但是在地球上，我们找不到一根足够长度的基底线，即便两极之间的距离也是不够长的。正因为如此，我们就得用上这辆以每小时10.8万千米速度运行的马车，也就是得用地球的运行速度与路程来测量。在这个时刻，我们位于空间中的这个位置，过了一小时、两小时、三小时之后，我们就会被带到离此地有10.8万千米的一倍、两倍、三倍距离的位置处。这是一根最好的基底线，它增长的幅度是非常大的。我们不用离开我们的工作间就可以走过这样一段距离。在今天，天文学家从他在地球上的观测点上观测他所要研究的那颗行星，获得了第一个角；第二天，他在同样的时间再作一次观测，获得了第二个角。至于这个三角形的底，它的长度是10.8万千米的24倍，正是地球走过了这段距离，并且测量出了这段距离。尽管基底线的长度等于地球最大尺度的200倍，但这样长的一段距离可能还是不够的，如果这段距离不够的话，还需要再等上多少天呢？在等待了六个月之后，天文学家会来到地球绕日公转轨道直径的一个端点上再进行一次观测，而他的另一次观测是在另一个端点上进行的。因此，这根基底线的长度就是我们地球到太阳距离的两倍，即3.04亿千米。当几何学要测量天体时，就会以这段非常长的距离作为基底线来构造三角形。但对于这些行星而言，这样的长度并不是必须的。要使得地球走过的距离可以与地球和行星之间的距离相比，几天的时间间隔就足够了。

↓4.正是根据我刚刚向你们介绍的这种方法，尽管介绍得并不是很具体，但总体的框架已经介绍清楚了。天文学家测量出了不同的行星与地球到太阳之间的距离。我们不必花费力气努力去记忆这些所获得的数据，通过一种非常简单的记忆方法，我们就能记住行星距离的数字系列。在纸上写下0，然后再写下3，然后再写下3的2倍……即依次将每次所得的结果乘以2，我们得到如下的数列：

03612244896192384

然后我们再把该数列中的每一项数字都加上4，从而得到如下的数列：

4710162852100196

最后，按照上文所说的与太阳的距离由近到远的次序，我们将这些数字写在这些行星的后面：

水星4

金星7

地球10

火星16

一些小行星28

木星52

土星100

天王星196

海王星388

这张图表告诉我们，倘若地球与太阳之间的距离以10来表示的话，那么金星和太阳之间的距离则是7，火星和太阳之间的距离则是16，土星和太阳之间的距离则是100。如果我们想要把这些相对数字转化成以千米来表示的数字，那么我们只要想一想地球到太阳之间的距离是1.52亿千米，根据这一数值，比如说木星和太阳之间的距离就是1.52亿千米的十分之一的52倍，或者是521520万千米，即7.904亿千米。

这种记忆方法称为波德定律。定律这个词在这儿并不合适，因为它似乎指的是一种数字比例，通过它能够实际地计算出行星的距离，然而它只不过是一种为了减轻记忆的负担而发明的巧妙组合。在运用这一所谓的定律时，我们不要忘记，它给我们提供的仅仅是一些大约的数值，不过这些大约的数值对我们而言已经足够了。比如说，根据波德定律，木星到太阳的距离是7.904亿千米，而它的真正距离是7.948656亿千米。我们还需要记住，小行星群所对应的数值是28，这是一个平均数值，是小行星们到太阳距离的平均数，这个小行星群是由80多颗小行星组成的。最后，我们还应该知道，最后一项数字是错误的。假如地球与太阳之间的距离是10，海王星到太阳的距离则不是388，而只有300。

↓5.现在我们花费上一点时间来研究一番最后一个距离。海王星位于太阳系的边缘上，它是被太阳照射的距离最远的一颗行星。在它那广阔的轨道中，囊括了所有其他行星的轨道。要测量它的距离，我们需要地球与太阳之间的距离即1.52亿千米的30倍那么长的距离，难道这就是宇宙的最边界吗？不是。因为在这之外，宇宙的边界还会更远。像海王星的这么点距离，若与宇宙的边界距离相比，几乎不值一提。在宇宙中还存在着其他无数的、光芒四射的恒星团，还有其他无数个像太阳系那样的行星系统的中心，它们全都是恒星。海王星的轨道只不过占据着天空中的一个小小的角落、一个点而已。无论我们的想象力多么丰富，我们都不能够想象出这么一个巨大的空间来。古代一位著名的诗人赫西俄德，他想要赋予他所构想的宇宙一个高度的观念，他认为下面的这个想象是最好的了：假如有一个巨大的铁砧从天穹顶的高处落下来，那么需要十天的时间它才能落到地球上。与科学所揭示出来的天空相比，这个诗人的天空是多么狭小啊！我们可以自问，赫西俄德的铁砧要从海王星上掉到太阳上那得需要多长时间呢？通过计算我们就可以知道，这需要三十年。我们比较一下这两种坠落，不要忘了我们地球只偏安于广阔宇宙的一个小角上。

↓6.根据行星的距离和它们的视直径，运用我对你们讲过的方法，我们很容易就能推算出它们的体积。下面就是以地球的体积作为单位的各行星的体积：

你们可以看到，这些与地球一起绕着太阳转动的行星们，它们以地球为单位所得到的相对体积之间相差很大。这里面最小的行星，它小到需要两千个这样的行星才能抵得上一个地球的大小，这些就是小行星们。水星也很小。如果地球是中空的话，那么得17个水星才能把它填满。然后就是火星，它的体积是水星的两到三倍。再就是金星，它与地球差不多大。到现在我们说到的这些行星中，地球的体积是最大的。但接下来我们就讲到行星家族中那些大的成员了，尤其是其中的木星，它的体积是将1414个地球环抱在一起那么大。木星和地球的体积差距，就像一个小樱桃与一个大橘子之间的差距那么大。

可怜的地球在天王星、海王星、土星和木星这些巨大的星体面前，微小得似乎都看不到了。当我们想到这些时，不禁要自问，太阳只是这些星球轨道上一个焦点，它凭借着引力，如何控制着这些星球，使它们在不变的轨道上运转呢？难道将所有行星的力量加起来都不能超过太阳吗？难道凭借整个行星队列的力量都不能与太阳的能量相抗衡吗？通过一个简单的运算，我们就可以得到答案。我们将前表中的所有数字都加起来。即使再加上表中没有列举出来的卫星们，那么加起来的数字也不到2400，因此，我们以地球作为单位体积，所有的行星和卫星加起来的体积之和都不到2400，而太阳，你们一定还记得，它的体积是地球体积的140万倍。因此太阳一个的体积就比整个行星家族的体积之和大600倍左右。这个体积可以容纳太阳所有的行星和卫星队列，而且不止一个，它可以容纳600个。在这个星系里太阳就是主宰者，没有什么比这更确定无疑了。无论土星还是木星，从来都不能摆脱它的控制。

↓7.为了让我们更容易地构想出整个的太阳系、更好地了解星体之间的距离和体积关系，我们可以在想象中做如下一个实验。在一个非常平整的巨大平面中间，我们放置一个1.12米高的球。这个球几乎与一个磨盘那么大，我们用它来代表太阳。至于水星，我们就在离这个大球48米远处的平地上放一粒很小的芝麻来代表它。金星和地球，我们就用两个中等大小的樱桃来代表，我们将代表金星的樱桃放在距离大球84米的位置上，将代表地球的樱桃放在离大球120米距离远处。然后，用一粒小豌豆来代表战争之神——火星就足够了，我们将它放在中央球的192米距离处。小行星群用一小撮细细的沙子来代表，我们将它们撒在平均半径为336米的圆圈的周围。体积庞大的木星用一个大橘子来代表，我们把它放在离大球624米远的地方。土星用一只普通大小的橘子来代表，放在离大球1200米远的地方。天王星用一个杏来代表，放在离大球2352米远的地方。海王星放在离大球3600米远的地方，用一颗大桃来表示。在地球、火星、木星、土星、天王星以及海王星的旁边，放上一个或几个铅粒来代表这些行星的卫星。接下来请你们想象一下，在不等的时间内，所有的这些行星都围绕着中间这个巨大的球

转动而形成了一个个圆圈。通过以上的想象，你们就会对太阳系有一个直观的了解。现在，不用我再多说，你们就会明白，在主宰所有行星的太阳面前，这些桃子、橘子、樱桃、芝麻是多么渺小了。

↓8.我们在前文中曾用过一种方法来测量太阳的重量，现在我们也用它来测量那些由卫星绕着转动的行星的重量。根据卫星的运动，我们可以计算出它在一秒钟内向着所在行星下落的距离，就像我们在讲到月球的下落时所说的那样。然后我们将所获得的结果与地球上的物体普通下落作一比较。如果在相等的距离内，行星落向它的卫星的速度，比受地球吸引的物体落向地球的速度快两倍、三倍，那么，这就说明，行星的质量比地球的质量大两倍、三倍。即使没有卫星，我们也可以测量出行星的重量。但这一操作非常困难。因此，在这里我们没办法对之进行研究。下面的数据就是以地球作为单位质量所计算出来的行星的质量。

至于位于火星与木星之间的那些小行星，尽管我们还不知道它们的确切数目，但我们知道它们的质量是非常小的。

太阳不仅在体积上超过了所有的行星与卫星，而且在质量上也大大地超过它们。如果我们实际地将上面的数字累加起来，所得到的总质量不会超过500，即使将卫星也考虑进去的话。但在另一方面，我们在前文中已经知道，太阳的质量相当于354936个地球的质量那么大。因此，如果我们可以将它们放在天平秤的秤盘中来称量的话，那么为了使得天平秤的两端平衡，我们就必须在另一个秤盘中放入所有行星质量的700倍质量。

↓9.将行星们的体积与它们的质量作一比较，则会得出一些奇怪的结果。比如木星，它的体积比地球大1414倍，但它的质量却只比地球重338倍；水星的体积是地球的17分之一，但是质量却是地球的13分之一。因此，构成木星的物质要比地球上同样体积大小的物质来得轻；而构成水星的物质要比地球上同样体积大小的物质来得重。我们通过下面的方法就很容易知道为什么会有这样的不同。就像我们在第三讲中对地球所做的实验一样，我们假设，构成每一个星球的物质都是完全混合在一起的。然后我们取一升的这种混合物，来测量一下它的质量——假设其为同质的一升物质的质量——由此我们得到下面这组数据。

火星、地球与金星的密度几乎相同，而水星的密度要大一些，其他的行星密度则小一些。土星和天王星的密度都不如水的密度大，因此它们的物质就会像松木球一样可以漂浮在水面上。

↓10.每个行星要完成绕太阳一周的运行，所需要花费的时间是不一样的。行星与太阳的距离越远，那么它的周期就会越长，这个周期就是行星上的一年。以我们地球上的日与年作为基准来比较，由此我们获得了不同行星的年的时间长度，如下表所示：

为了简便起见，我们将这些数字都化成整数来表示，而没有标出它们的确切时间。这些数字向我们说明了：每颗行星要绕太阳一周，所花费的时间也就是它们的一年时间，是多么的不同。水星绕太阳一周，需要88天，这使得它每个季度的时间只有22天，比地球上一个月的时间还要短。位于太阳系边缘处的海王星，它需要165年的时间才能绕它的轨道运行一周，因此，它的一年就相当于我们地球上165年的时间，它的一个春季或一个冬季就有41年。

行星们还会绕轴转动，这种转动就像地球的自转一样，会产生日夜交替的现象。对于水星、金星和火星，它们绕轴自转需要将近24个小时，因此，在这些行星上，它们的白天和黑夜的更替与我们地球上白天和黑夜的更替非常相似。而木星，尽管它体积庞大，但它转动得却更快，在十个小时的时间里，它就能使它的各个面都依次受到太阳光线的照射。因此，木星的每个半球被照亮的时间是五个小时，五个小时之后，该半球就会进入黑暗之中。土星与木星的转动速度相接近，它绕轴自转一圈需要十个半小时。天王星和海王星的自转周期到目前为止我们还不知道，因为这两颗行星距离我们太遥远了。