解读宇宙的弹珠游戏 - 《华尔街日报》

插图：托马斯·瓦伦塔诺贝尔奖与邓普顿奖得主、物理学家弗兰克·维尔切克探索宇宙奥秘。阅读往期专栏**请点击此处。

随着上月末秋分过去，我们这些远离赤道居住的人们感受到了昼夜平衡的变化。在我所处的北半球，如今有更多机会凝视夜空，思考由行星倾角与天体偶尔碰撞轨迹所设定的宇宙韵律。

太阳系所有行星的运转轨道几乎都处于同一平面——黄道面，且均沿相同方向绕太阳公转。它们自转方向也往往与公转方向一致（金星是个例外，计算表明它可能因太阳强大潮汐力曾发生"翻转"）。几乎所有行星与太阳的自转轴也近乎垂直于黄道面。而明显偏离这一规律的是天王星——它基本是侧向自转，自转轴位于黄道面内，这堪称太阳系中的重大异常。

为何几乎所有公转与自转都遵循相同方向？答案在于太阳系的形成方式。它始于一团气体云，很可能类似哈勃与韦伯望远镜拍摄到的壮观恒星诞生区影像。随着星云凝聚，其角动量逐渐集中。如同龙卷风或浴缸漩涡，中心区域会出现高速旋转。从星云中凝聚而成的天体继承了这种整体旋转运动的部分特性。

天王星与地球一样围绕自转轴旋转，其自转“日”的长度相差不大，约为17小时。但由于其巨大的倾角，天王星上的昼夜与季节节律遵循着一种截然不同的、更为极端的模式。在至点时，其自转轴直接指向太阳——整个夏季持续白昼，整个冬季陷入黑暗。在极地附近，一个夏季白昼（指日照时间）相当于地球上的42年，即半个天王星年。随着这漫长的极昼持续，太阳会极其缓慢地向地平线方向下沉。

显然，如果地球也像天王星这般倾斜，地球生命——尤其是恒温动物——的生存境况将发生剧变且艰难得多。

但天王星为何如此独特？太阳系的形成曾是一片混沌。行星通过物质碰撞聚合而成。早期小天体间频繁碰撞，随时间推移逐渐形成更大天体，碰撞次数减少。这些事件本质上是随机的，却可能产生深远的长期影响。天文学家计算表明，原始天王星与一个约两倍地球质量的物体相撞，可能使其自转轴倾斜至当前角度。

地球也曾经历剧烈碰撞。来自月球成分的确凿证据表明，它很可能是原始地球与火星大小天体碰撞后剥离形成的。这次碰撞使地球形成了23度这一相对温和的倾角，造就了较为适宜的季节变化。但这一结果本可能截然不同。

早期太阳系的混沌暴力已大幅平息，但并未终结。（问问恐龙就知道了！）得益于科学，人类现已能监测并可能化解许多潜在撞击威胁。9月26日，NASA"飞镖"任务将重达1200磅的航天器故意撞向一颗较小（110亿磅）的小行星，以测试我们改变其轨道的能力。

天文学传授哲学。天王星与月亮嘲笑着人类“万物理论”的狂妄——无论是历史还是物理领域的——这些理论暗示我们能够完全掌控复杂而混沌的宇宙。我们做不到，但科学认知与明智决策至少能帮助我们在与命运的博弈中赢得些许胜利。

原文刊登于2022年10月8日印刷版，标题为《解读宇宙弹珠戏》。