第33章 舰队
舰队
太阳系是一个完美的宇宙生命保障系统
整齐的队列
如果把地球比作一艘宇宙飞船，太阳系就是一个庞大的舰队，舰队里有八大行星，依次是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。地球之外的七大行星就像地球飞船的护卫舰，航行在地球飞船的内外两侧，小心翼翼地护卫着承载生命的地球飞船。
八大行星的阵形非常规范，总结起来有三个特点：
共面性：行星都近似位于同一个平面；
同向性：行星围绕太阳公转的方向都相同；
近圆性：行星的轨道都很接近圆形。
八大行星到太阳的距离也暗含某种深刻的法则，如果取一列数：
0，3，6，12，24，48，96，192……
将每个数加上4，再除以10，就得到一个新数列：
0.4，0.7，1.0，1.6，（2.8），5.2，10.0，19.6……
这个数列就是行星到太阳的距离之比，称为提丢斯-波得定则，其中的2.8处为小行星带。
太阳系天体数量众多，除了八大行星外，还有若干矮行星，数十万颗小行星，上千亿颗彗星。太阳占据了绝对的支配地位，它占了太阳系总质量的99.86％，八大行星和所有其他天体加起来，质量总和还不到太阳系的0.2％。这样，太阳的引力就起到了绝对支配地位，它牢牢地控制着众多天体，使它们老老实实运行在自己的轨道上，形成了一个和谐有序的庞大阵列。
太阳系是目前所知的唯一的生命系统，借助这个样本，我们可以更好地理解外星生命可能具备的条件。
一般来说，适合生命的行星到恒星的距离应当恰到好处，也就是落在恒星的“生命带”里。然而，恒星的生命带会有多宽？行星距离恒星太近或者太远可能会导致什么样的结果？太阳系这个样本会给我们带来很多启示。
类地行星
八大行星中，有四颗位于温暖的太阳系内部，称为内行星，它们是：水星、金星、地球和火星。水星、金星、火星和地球类似，主要由岩石构成，体积和质量都较小，平均密度较大，表面温度较高，它们与地球一起又称为类地行星。
水星
水星是一个相对较小的行星，直径4800公里，距离太阳平均6000万公里。这样，水星的第一个特点是很热。当水星运行到近日点附近的时候，天空中的太阳看上去就相当壮观，大小相当于地球天空太阳的10倍。在强烈的太阳光照射下，水星地表温度最高可达摄氏400多度，铅和锡在这里也会熔化。而在星球的另一面，黑夜则是漫长而寒冷的，温度低到摄氏零下200多度，这是因为水星的大气极其稀薄，无法把热量散播开来。
假如一颗行星距离其恒星很近，它的最大特点会是很热。
其次，因为来自恒星的辐射太强烈，它表面的空气分子很容易被剥离，因此行星上不会有浓厚的大气，也就不可能有液态水，这样的行星难以支持生命。
距离恒星近的行星还有一种特殊的情况，就是自转很慢，其自转周期和公转周期或者相同，或者是某种比例的共振。月亮离地球很近，它的自转周期和公转周期就相同，这导致它永远以相同的一面对着地球。水星则形成了奇特的3：2共振比例，也就是自转三周的时间里恰好公转两周：自转一周需要59个地球日，公转周期是88个地球日。水星自转三周才会出现一次昼夜变化，它的一天等于地球上的176天。
水星这漫长的一天显得非常奇特：太阳从东方升起，极其缓慢地朝天顶移动，变得越来越大；然后，太阳会停顿下来，继而向东退回去，退一小段距离后再次停住，然后再继续向西方运行，同时渐渐缩小。由于水星上没有空气，即使在白天，水星的天空也是黑暗的，太阳的外层大气日冕可以显露出来，而星星则会和太阳一同出现在天空，虽然明亮，却不会闪烁。
金星
金星和地球很像是一对姊妹行星：它们有很多相似的地方，金星只是在个头上稍小一点，重量上稍轻一点，距离上稍近一些，看起来就像是大自然为生命备份了两颗行星，但现在的金星环境却相当极端。
金星甚至比水星还热，它全球表面的温度高达480度。这是因为金星有着极为浓密的大气，表面大气压相当于地球海洋一公里深处的水压，大气中97％是二氧化碳，其中漂浮着硫酸的云层。二氧化碳强大的温室效应，导致了金星表面的高温，猛烈的风又把热量布散到金星各处，使得金星上没有凉爽的夜间，也不存在寒冷的两极地区。与地球自转轴的23度半倾角相比，金星的自转轴倾角只有2度多，几乎和公转轨道面垂直，这使得金星也没有季节变化。
金星的大气活动极为猛烈，常常会出现大规模的闪电和雷鸣。前苏联1978年发射的“金星12号”探测器降落金星表面过程中，记录到1000次闪电，最大的一次持续15分钟。金星表面遍布火山，直到现在它们还在不停地喷发，滚滚岩浆到处流淌，外表美丽的维纳斯其实是一个实实在在的炼狱。
地球和金星这对姊妹行星，到太阳的距离仅仅相差了4200万公里，环境相差就如天壤之别。由于这两颗行星是由同一片星云物质形成的，最初它们的条件应该非常接近，现在为什么差异如此巨大呢？一个很可能的原因是，地球正好落在了太阳的“生命带”内—距离太阳不远也不近，而金星则没有，距离的这一点变化引起的连锁反应，最终导致了金星环境发展到了另一个极端。这样，太阳或者其他恒星的“生命带”很可能并不像一部分乐观天文学家估计的那样宽广。
前苏联“金星13号”1981 年登陆金星表面，工作了127 分钟就毁坏了。
火星
地球轨道外面的火星，被看做地球的“孪生兄弟”，因为两行星有很多相似之处：火星的自转周期是24小时37分，这样它的昼夜变化就与地球非常类似；火星自转轴的倾角是25度，接近地球的23度半，这样它的四季变化就与地球非常类似，只不过火星的一年要长些，是687天；火星的两极有白色的极冠，使人想到地球白雪皑皑的两极地区。直到20世纪初，很多人都还相信火星上生活着高度智慧的火星人。
2015年9月，美国宇航局发现火星表面有间歇性的液态水体出现。“好奇号”火星探测车甚至在火星上发现了一个早已干涸的远古淡水湖，并且找到了碳、氢、氧、硫、氮等关键的生命元素，由此推测，在遥远的过去，火星很可能拥有充沛的水。天空里飘浮着朵朵白云的火星给人以无限遐想，有人甚至异想天开地提出，也许地球人就来自火星。
地球这个“孪生兄弟”现在的情况不是太妙。火星的大气极其稀薄，大气压不足地球的1％，其中95％是二氧化碳。远离太阳，大气又稀薄，导致它极为寒冷，表面平均温度比地球低了约50度。
火星地表极为荒凉，到处是沙砾与岩石覆盖的平原，因为其沙石中含有铁锈（氧化铁）的成分，看起来呈暗红色，就像一颗生了锈的星球。火星上常常刮起巨大的风暴，漫天沙尘遮天蔽日，甚至能覆盖整个行星。
看来，即便是类地行星，它们的环境差别也极大。宇宙为太阳系预备了四颗类地行星，这就确保有一颗能够落在太阳的生命带里。
“勇气”号拍摄的火星日落。在火星上观看日落，会是怎样的心情？
类木行星
八大行星中的另外四颗—木星、土星、天王星、海王星，都位于寒冷的太阳系外部，称为外行星，土星、天王星、海王星都和木星类似，与木星一起称为类木行星。
类木行星的第一个共同特点是体积巨大。最大的是木星，直径14万公里，体积是地球的一千三百多倍，质量是地球的318倍，其他七大行星全部加起来，质量还不到木星的一半。土星排第二，直径12万公里，体积是地球的750倍，它和木星一起还被称为巨行星。天王星和海王星排在第三位和第四位，直径分别是5.1万公里和4.9万公里。接下来我们将会看到，巨大的类木行星在保护地球安全方面起着重要的作用。
类木行星的第二个共同特点是，其表面是主要由氢气和氦气形成的浓密大气层，大气层下面是由液态氢和液态氦组成的深深的海洋，温度都在摄氏零下一百多度。有一个石质和铁质的核心，但只占不大的比例。因此，类木行星的密度都比较低，其中土星的密度最低，只有水密度的70％。
这样，类木行星明显是不适合生命的，但它们的一些卫星，体积颇大，且具有固体的外壳，而且含有液态水，被认为是很有希望的星球，其中木卫二是最被寄予厚望的一颗。
木卫二比月亮稍小，直径3100公里，拥有稀薄的含氧的大气，与木星之间的平均距离为67万公里，公转一周只需三天半时间。跟其他的木卫一样，木卫二被木星的潮汐力锁定，永远以固定的一面朝向木星。木卫二的表面覆盖了一层厚厚的冰，冰层上布满了陨石撞击坑和纵横交错的条纹，冰层下面很可能隐藏了巨大的液态水海洋，其水量之大，超过了地球上的总水量。这个巨大的液态海洋里，会游动着各种稀奇古怪的鱼类吗？也许，能够发现微生物的迹象，就是寻找外星生命的巨大突破了。
大行星对地球的保护
木星、土星、天王星、海王星这些巨大的类木行星在太阳系舰队里无疑担负着护卫舰的角色，它们在地球的外围构筑起一道道保护屏障，抵御外来的袭击者，大大降低了小天体撞击地球的概率。如果有不速之客闯入太阳系，这些护卫的大行星会利用强大引力把它们捕获，从而消灭这些来袭者。1994年7月，人类就亲眼目睹了一次这样的过程—一颗名叫苏梅克-利维9号的彗星被木星捕获并消灭。
这颗彗星很久以前从外太空闯入太阳系，悄无声息地潜伏在太阳系里，游荡了一圈又一圈。彗星的行踪逃不过木星，木星早已盯上了它。不久，彗星就被木星的引力捕获，被迫环绕木星飞行。接着木星开始了第二步惩罚。
1992年7月9日，彗星被木星拉扯到自己的洛希极限内。洛希极限就是造成天体解体的最近距离，木星的洛希极限距离其表面12万公里，一颗小天体进入木星上空12万公里以内，就会被木星引力的潮汐作用扯碎。这一次，苏梅克-利维9号彗星被木星揪到距表面4万公里，结果其彗核被碾碎成无数碎块，最大的直径有三四公里。在木星潮汐力的作用下，这些碎块又排成整齐的一列，乖乖地围绕木星运行，远远看去，就像一列彗星列车，又像一串璀璨的太空项链。
惩罚依然没有结束。木星用引力把苏梅克-利维9号这个大项链在太空甩出5000万公里，之后再把它拉回来，最终收进自己的怀抱里。
那是1994年7月17日，这列长达200万公里的彗星列车末日来临。它以每秒60公里的速度撞击到木星表面，撞击持续到7月22日。5天多时间里，苏梅克-利维9号彗星总共释放了40万亿吨TNT当量的能量，相当于20亿颗广岛原子弹爆炸的威力，爆炸产生的火焰温度达到7000摄氏度，比太阳表面温度还高；爆炸的闪光如此之强，以至远在8亿公里外的地球人类借助望远镜就可以亲眼目睹。木星表面虽然被撞出了几块小黑斑，一段时间过去，就一点痕迹也没有了。
据有人统计，发生在木星上的小天体撞击概率是地球的2，000至8，000倍，毫无疑问，由于木星等大体积行星在外围的拦截，地球的安全系数大大增加。恐龙灭绝被认为很可能是天体撞击造成的，那样规模的撞击概率大约1亿年会有1次。如果没有四颗类木行星在太阳系外围的保护，地球遭受大撞击的概率就会大大增加，如果是那样，大型哺乳动物尤其是人类，在地球上恐怕永远没有出头之日了。
行星清空了太阳系内的威胁
地球处在温暖的太阳系内部，有一个安全的环境，这得益于众行星早期对太阳系内部的“清空”。太阳系这个大舰队初建成功的时候，会遗留下很多小天体，如果它们一直在太阳系内部晃悠，对生命来说绝非吉祥。大行星们会通过一种称为“引力弹弓”的方式把小天体弹射到太阳系外，从而清空这些危险分子。
引力弹弓效应，就是小天体靠近行星时，被行星引力拉着飞行一段距离，从而获得更大的速度。在机场或商场平缓的电梯上很容易体验到这种感觉，以某个速度走上电梯，并在电梯上保持步行速度，运行的电梯会把能量传递给你，等到下电梯时就会明显感觉到速度加快了。在太空探索中，科学家们常借用行星的“引力弹弓”来给探测器加速，从而用较少的燃料到达较远的目标。1977年发射的旅行者号姊妹探测器，就上演了利用行星引力弹弓飞出太阳系的精彩一幕，这过程有助于我们理解引力弹弓的强大效应。
旅行者1号2号利用行星引力弹弓弹出太阳系的过程
旅行者号的发射利用了179年一遇的特殊行星排列。1979年8月9日，旅行者2号飞越木星，木星的引力弹弓把它弹向土星；1981年8月27日，旅行者2号飞越土星，土星的引力弹弓把它弹向天王星；1986年1月30日，旅行者2号飞越天王星，天王星的引力弹弓把它弹向海王星；1989年8月15日，旅行者2号飞越海王星，海王星的引力弹弓给它最后一次加速，旅行者2号踏上了飞向太阳系外的漫漫旅途。
旅行者1号晚半个月发射，但它进入了一条更快的轨道。1979年3月3日，旅行者1号到达木星，并借助木星的引力弹弓弹向土星；1980年11月13日，旅行者1号到达土星，由于发现土卫六拥有浓密的大气层，控制人员临时决定让旅行者1号舍弃探访天王星和海王星的计划，让它靠近土卫六探测，然后利用土卫六的引力弹弓效应，直接弹向太阳系外，目前旅行者1号是飞得最远的人类探测器。
行星清空太阳系的引力弹弓效应与旅行者号的发射类似，但引力弹弓的加速不需要一次完成，每一次加速都会使小天体能量提升，轨道变得更大，经过多次轮回，甚至持续若干万年，小天体最终会被弹出太阳系。对于已经有50亿年历史的太阳系来说，在地球上进化出哺乳动物之前，大行星有足够的时间来清除太阳系内部，为地球生命预备好安全的太空环境。
太阳系为何如此稳定
太阳系已经存在了50亿年，这样一个庞大的联合系统为什么能够如此稳定而长久地存在呢？科学家们是相当困惑的。
早在牛顿的时代，人们就已经发现，木星在缓慢地进行螺旋向内运动，而土星则逐渐向外，照这样下去，几万年之后太阳系就会崩溃。牛顿无法用他的理论来解释这一现象，因为如果考虑所有行星之间的引力关系，就太麻烦了，牛顿认为它超出了人类思维所能及的范围，只能把太阳系的稳定归为上帝大能的控制。
但1776年法国的拉普拉斯攻克了这一难题。拉普拉斯是天体力学的集大成者，他证明，木星和土星的轨道变化是周期性的，木星缓慢螺旋向内运动到一定程度，就会反过来向外运动回去，而土星向外运动到一定程度也会返回内部，这是一个周期为数千年的振荡而已。
拉普拉斯又用自己的理论来反演太阳系，推断出行星在古代天空中的位置，比如他曾推算出，“公元前228年3月1日4时23分（巴黎时间），土星位于室女座γ星（东上相）下方两个手指处”，这结果和2000年前巴比伦人的观测记录惊人地吻合，这使拉普拉斯对天体力学的自信达到顶点，并最终导致了拉普拉斯式的决定论：假如有一个全能的智者（后被称为拉普拉斯妖），能知道某一刻所有自然运动的力和物体位置，那么未来就会像过去那样出现在他面前。
当时拿破仑问拉普拉斯：“你的学说里为什么没有上帝？”拉普拉斯毫不犹豫地回敬道：“陛下，我不需要那个假说。”在拉普拉斯体系下，一切都是精确可知的，太阳系是完全稳定的，拉普拉斯认为他已经证明了行星的轨道是“牢不可破”的。
但后来人们发现拉普拉斯还是错了，后来的数学证明，行星轨道从长期来看本质是混沌的，不可预测的。对于一个天体系统来说，一个微小的引力扰动，在若干万年以后究竟会引发什么样的后果，从根本上无法确知，就如同蝴蝶效应一样，任何有关行星命运的结论都必须用概率来表达。
现代的天文学家使用超级计算机模拟太阳系的行星运行，发现即使把行星的位置精确到一个原子直径，依然无法准确预报1亿年之后它们的位置，这表明太阳系本质确实是混沌不可知的，各种结果都有可能出现，比如地球撞向太阳或被弹出太阳系等极端结果都可能。
但一个明显的事实是，自太阳系形成以来，这个庞大而复杂的天体系统已经稳定地运行了50亿年。这表明，大自然存在一种人类尚不明白的机制，能够维持太阳系的长久稳定。
太阳系实在是一个理想的宇宙生命保障系统，当这个系统预备好之后，生命就在地球上顺利诞生了，那是宇宙伟大创造的自然延续。
