太阳系起源一直是自然科学的著名问题，历史上曾提出星云假说、星子假说等多种观点，其中最为著名的星云假说是康德假说和拉普拉斯假说。康德假说是德国哲学家康德（I.Kant）于1755年根据万有引力原理提出的一种“微粒假说”，它能说明行星的运行轨道具有的共面性、近圆性、同向性等特点，但解释不了太阳系的角动量来源。

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1796年，法国数学家拉普拉斯（Laplace）提出，太阳系由一个灼热的气体星云冷却收缩而成。拉普拉斯假说同样能解释行星运行轨道的各项特点，以及组成太阳、行星和卫星的元素一致性，也能解释太阳系角动量的由来，但解释不了角动量分布的特点。另外，目前人们已探知，宇宙中许多星云的温度并不高，星云在收缩过程中，温度不是降低而是升高。

由于康德假说和拉普拉斯假说都解释不了行星的角动量问题，进入20世纪后，德国物理学家魏扎克（K.Weizsacker）、英国天文学家霍伊尔（S.F. Hoyle‎）、瑞典天体物理学家阿尔文（H. Alfven）又先后提出了各自的假说。1977年，我国天文学家戴文赛根据天文观测资料并吸取各家假说之长，提出了关于太阳系形成的新看法。

关于太阳系起源，已经提出的各种假说或看法都有各自的优势也存在不足。近半个世纪以来，已经取得许多有关新资料，太阳系起源又称为活跃的前沿课题。系统相对论支持太阳系来源于原始星云的观点，但与上述星云假说所描述的形成原理不同。本章主要讨论系统相对论的太阳系形成原理。

1. 原始星云涡的产生

太阳系起源于银河系中心黑洞（实质是一个类似原子核的宇观尺度的单粒子体）双极喷流所形成的原始星云（详见第7章），构成原始星云的微粒主要由电子、质子、原子、分子等极性粒子组成（主要是氢和氦）。原始星云中相邻粒子之间的转动是一种相对稳定的协变运动，进而整个原始星云构成一个宇观尺度的协变系统，又称多体系统。如图1-1a所示。

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图1-1 原始星云涡形成原理

原始星云演化成原始星云涡的过程大体分为三个阶段：

第一阶段：形成星云流体

黑洞引力场随黑洞一起转动，在黑洞引力场的拖拽作用下，原始星云在黑洞（即超核）赤道面上围绕黑洞运动。于是，原始星云中粒子一边自转一边随整个原始星云一起在黑洞引力场中运动，形成星云流体。

第二阶段：产生湍流涡

由于星云流体中粒子的质量大小不一（即物质不均匀），质量越大的粒子其运动速度相对越慢一些，进而成为星云流体中的一种障碍物。于是，如同洪（水）流因受到阻碍会产生一湍流涡一样，在那些较大质量粒子运动方向的前面会形成湍流，进而生成一串串球状湍流涡。

第三阶段：形成球状原始星云涡

如上所述，生成的无数湍流涡随星云流体运动，一部分自行消失；一部分相互融合，逐渐形成较大的涡旋（如同热带气漩的形成过程），并随着吸收周围更多的湍流涡而不断增大。最终，星云流体中形成若干球状原始星云涡。

于是，原来作为一个整体的星云多体系统，演化为若干个相互独立的原始星云涡，它们各自成为与黑洞引力场相互作用的二体系统，如图1-1d所示。这其中的一个原始星云涡就是太阳系的最早雏形。

2. 太阳的产生与原始星云涡结构演化

原始星云涡呈球体结构，它的涡轴与球面的两个交点称作原始星云涡的南极和北极，如图1-2a所示。遵循涡运动的自诱导运动机制，原始星云涡在形成之后，接着就开始了它的演进历程。

2.1 太阳的产生与形成

原始星云涡的演化首先是太阳的产生过程。在自诱导运动机制的驱动下，随着时间的推移，原始星云涡开始按如下几步顺次演进：

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图1-2 太阳产生与形成

第一步：粒子轴向聚集，内部温度压力增高

原始星云涡中的较重粒子（主要是氢和氦等粒子）进一步向涡轴附近聚集。与此同时，一方面，原始星云涡的收缩使内部光子能量密度增大而温度升高；另一方面，随着原始星云涡的涡运动逐渐增强，粒子（原子核）之间的相互作用增强，使原子核处于激发态而不断辐射光子。于是，内部的温度、压力也不断升高和增大，如图1-2b所示。

第二步：中心粒子液化，初始太阳产生

随着原始星云涡内部温度压力的持续上升，在它的中心先是气态粒子的液化，继而氢和氦的热核反应（核聚变），逐渐形成各种较重的原子、分子。这些原子和分子汇聚在原始星云涡的中心并高速转动，形成一个液态球体。这时，初始的太阳产生了，如图1-2c所示。

第三步：太阳产生双极吸盘

随着太阳的产生，太阳引力场同步产生。一方面，在太阳引力作用下，太阳附近的高密度的较重粒子不断被吸入太阳体内，于是在太阳周围出现一个物质低密度区，如图1-2d所示。这个区域最终演化为太阳的大气层及其外围空间。

另一方面，太阳两极上方涡运动的粒子，在太阳引力作用下，不断漩入太阳体内，进而形成两个漩涡，称作太阳的两极漩涡，又称太阳的双极吸盘。太阳通过双极吸盘，不断将原始星云涡轴附近的高密度物质吸入太阳体内，导致太阳不断增大。如图1-2d所示。

由此可见，太阳等天体的角动量来源于原始星云涡的涡量。

2.2 原始星云涡结构的扁平化

原始星云涡结构的扁平化过程大体分为三个阶段：

第一阶段：两极逐渐凹陷

如上所述，随着太阳引力场的不断增强，太阳两极漩涡也不断增强并向原始星云涡的两极延伸，很快到达原始星云涡的南极和北极。这时，原始星云涡两极上的粒子开始进入太阳吸盘，于是，在原始星云涡两极区域逐渐产生凹陷的涡面。如图1-3a所示。

在原始星云涡两极形成的漩涡沿其涡轴同向转动。从外部看，南北两极上的漩涡分别沿逆时针和顺时针旋转；从侧面看，两极漩涡呈喇叭状结构，如同水面上形成的漩涡。

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图1-3 太阳形成过程中原始星云涡的演化

随着原始星云涡两极附近的微粒不断被太阳吸走，两极上的漩涡面不断扩大，涡面邻近区域的微粒被诱导进旋涡中。于是，原始星云涡球内更多微粒加入通往球心的大军之中，最终进入球心成为太阳的一部分。

第二阶段：粒子向太阳赤道面汇聚

由于太阳以更高的速度自转，在太阳引力场的拖拽作用下，原始星云中与太阳同向转动的高纬度的较重粒子逐渐向太阳赤道面汇聚，导致原始星云在太阳赤道面上的物质密度增大，如图1-3c所示。这为行星的产生创造了物质条件。

第三阶段：在太阳赤道面上原始星云涡被不断外推

如上所述，随着太阳赤道面上物质密度的增大，使得星云内部应力增强，进而导致原始星云被不断外推，原始星云涡赤道半径同步增大。于是，原始星云涡从球状结构，逐渐转变为两极凹陷面和赤道半径不断扩大的扁平结构，如图1-3d所示。

由此不难看出，在自诱导机制（原始星云涡中较重粒子不断向涡轴汇集）、两极漩涡物质传输机制（双极吸盘），以及太阳引力作用等三方面因素的主导下，使得太阳所含物质量在太阳系中占绝对统治地位。

3. 星云子涡的产生与行星的产生

与原始星云涡的产生原理一样，处于太阳引力场中的原始星云，随着太阳引力场的不断增强，在物质低密度区外侧、太阳赤道面附近的微粒密度最大的区域，率先形成一个星云子涡。这个星云子涡就是水星的雏形，如图1-4a所示。

同理，在太阳赤道面附近依次形成金星、地球直至海王星的星云子涡。一方面，随离开太阳的距离，星云子涡由近及远先后形成；另一方面，距离太阳越远，球状星云子涡的半径越大、物质密度相对越低，演化得也越慢。如图1-4b所示。

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图1-4 行星的产生与太阳系的形成

星云子涡产生后，在自诱导运动作用下，星云子涡不断收缩、物质密度增大，与此同时星云子涡在原始星云涡中运行速度（轨道速度）逐渐降低。如图1-5所示，从俯视的角度可以看到，星云子涡将分布在轨道上的微粒逐渐吸收的过程。

当然，在同一轨道先后产生两个甚至多个星云子涡的可能也是存在的。在这种情况下，由于多个星云子涡的运行速度各不相同，它们会逐渐相互融合，最终在轨道上形成唯一一个星云子涡。由此可见，在同一个轨道上不可能形成两个行星。

星云子涡完成轨道上物质的清理（吸收）后，就开始踏上了它的演化历程，最终形成一颗行星。

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图1-5 星云子涡吸收轨道微粒过程

随着球状星云子涡的形成，加入太阳两极涡的微粒越来越少，太阳两极的漩涡随之逐渐减弱，直至消失。这时，初始的太阳完全形成──太阳系形成过程的第一阶段结束。随后，太阳系的形成过程进入第二阶段──行星的形成过程。

4. 太阳系的形成与二体系统的建立

随着太阳的完全形成，太阳系从一个原始星云涡的多体系统，演化为由太阳引力场主导、并分别与各个星云子涡相互作用的二体系统。与太阳形成过程一样，各大行星及其卫星的也最终渐次形成。至此，初始的太阳系基本形成。

纵观太阳系的形成过程可知，在太阳、行星等天体的形成过程中，涡运动起主导作用；在太阳系的结构形成中，太阳的引力场起主导作用。因此，完整描述一个恒星系的起源和形成过程，既需要涡运动理论也需要引力理论，但决定星系结构的是恒星的旋转引力场。

从上述太阳系的形成过程，我们可以得到如下几个结论：

1) 太阳在原始星云涡中心产生后，随着太阳双极吸盘持续将其两极上方的物质吸走，导致原始星云涡球的两极开始“塌陷”，并逐步扩大，这就是太阳系为近平面结构的主要原因。

2) 天体的自转角动量和公转运动都源于星云涡的涡量。可见，一个天然形成的天体，它相对于母星（如地球相对太阳）必然存在自转。否则，这个天体就不是在该位置产生和形成的。

3) 太阳系内天体产生并形成的先后顺序为：太阳、行星、卫星；行星按距离太阳的远近，由近及远逐步产生与形成。

值得一提的是，天文观测表明，天王星和海王星是物质密度较低的类似气体构成的行星。从本章太阳系形成原理可知，这主要由两个因素所致：一是，距离太阳越远，星云物质的平均原子量越小（较大原子量的粒子在太阳引力场的作用下大部分都到较低轨道或被太阳吸入体内），气态物质富集，导致所形成行星的物质密度较低。

二是，距离太阳越远，星云子涡产生和行星形成的越晚，加之星云密度较低，行星的形成过程会更加缓慢和漫长；甚至在那些较大原子初步形成行星后，星云子涡的演化过程就已经基本终止，进而较轻分子构成的气态物质成为行星的大气，而不再进一步演化。

注：本文摘自刘泰祥著《天体演化概论》第一章，该书于2015年从中国台湾蘭壹出版社出版发行