第1章
太阳系的秩序、混乱与独特性

如果犯罪小说所言可信，那么恬静和规律就是英国乡村生活的主旋律，其间必定穿插着一系列无关紧要却又跌宕起伏的小事，揭示了隐藏在体面人家光鲜亮丽背后的秘密。村里每天有固定来访的邮递员和抄表工，每月有桥牌俱乐部和教堂唱诗班的集会，每年会举办花卉展、农产品展和耶稣诞生表演。但后来，上校身带刀伤并卧倒在床，这被证实是他在远东从事不良勾当时结识的前合伙人所为。教堂司事吊死在教堂大钟的绳索上，顺理成章地被前妻的情人踢出遗嘱受益人名单。邮局女局长直到淹死在井里前还在调查投毒信件出自谁手，她的单车就倒在乡村绿地附近。恬静的乡村生活被扰乱，隐藏在平静表象之下的秘密暴露无遗。

阿加莎·克里斯蒂的这些小说都是基于现实生活的虚构创作。我们希望生活秩序井然，但我们也清楚，生活中偶尔也会发生风云难测的混乱事件，例如车祸、疾病、飓风、洪水和恐怖袭击。

无独有偶，我们也认为太阳系恒久不变，一如时钟或天文仪器。短时间内的确如此。但放眼历史长河，这些行星及其卫星的生活是那样扣人心弦且怪诞离奇。一如人类生活，行星生活中的某些变化也是循序渐进的，与人类自然成长的过程相生相成。一如人类生活里的灾祸，这些变化足以使行星的生活翻天覆地，将它们推入新的轨道——无论从字面意思还是从引申义来看。这些戏剧性事件造成的影响会在行星的外观和结构上留下蛛丝马迹，而行星科学工作的一部分，正是按迹循踪。19世纪苏格兰地质学家阿奇博尔德·盖基在研究地球时写道：“当下，是了解过去的钥匙。”对地球来说如此，对所有行星来说也不外如是。

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太阳系恒久如时钟的设想在18世纪达到了顶峰。作为一个天体围绕太阳公转的行星系，太阳系的基本结构由波兰神职人员尼古拉·哥白尼在1543年提出，并由意大利物理学家伽利略·伽利雷在1610年通过望远镜观察加以证实。1609年至1619年，德国天文学家约翰内斯·开普勒发现了行星运动的三定律，其中一条定律就是行星的公转轨道为椭圆形。1687年，英国数学家艾萨克·牛顿在其著作《自然哲学的数学原理》中汇集了相关发现，提出了行星运动的基本原理，并简明扼要地阐述了万有引力定律。

牛顿的太阳系模型本身就是一件缜密的数学杰作。他在1726年强调：“这个由太阳、行星和彗星组成的奇异分布，只能是那位全知全能者的杰作。”按照牛顿的观点，上帝精心安排了太阳系的运动，并通过万有引力定律控制行星的运动轨迹。

牛顿的接班人将这一宇宙模型发扬光大，其中最著名的当数法国物理学家皮埃尔·西蒙·拉普拉斯。他从牛顿的基本原理出发，运用数学方法证明了太阳系的稳定性。行星在圆盘状轨道上围绕着太阳公转，且将无止境地运转下去。因此他认为，太阳系从诞生之初就不再改变。太阳系的永恒是始终如一且理所当然的。

拉普拉斯用神学观点解释了物理学的精确性：

我们应当把宇宙现在的状态视为它已经历状态的结果，以及它的下一个状态的成因。假如有这样一个智慧体，能够掌握某一时刻宇宙中的一切作用力和万物此时的相应位置，并且有能力分析这些数据，那么它一定能够用同样的规律解释万物的运动，无论是宇宙中最大的那些天体，还是最小的那些原子。因此，在这个智慧体眼中，根本不存在什么不确定的事物，它能够着眼过去，也能展望未来。

18世纪伊始，神学家威廉·佩利在其颇具影响力的著作《自然神学》中描述了行星系统的构建过程：

引力是推动这些（行星）系统运动的原因，其大小与距离的平方成反比：当距离是原来的两倍时，引力是原来的四分之一；当距离是原来的一半时，引力是原来的四倍；以此类推……我认为，这些主张的提出是为了证明选择和规律性，即无限多样性之中的选择，以及中立且无限的事物因其自身性质被规范化而形成的规律。

佩利将太阳系（以及其他自然现象和人体）比作一块做工精细的手表。正如手表是由钟表匠运用某种特殊方式制作而成的，自然现象也是由上帝——这位神圣的钟表匠创造出来的。这就是上帝存在的目的论证明（又被称作设计证明）。简而言之，佩利的论点是：自然现象错综复杂却和谐运作，仿佛是设计者提前设计好的，而这位设计者就是上帝。佩利假设我们发现地上有一块手表：

那么这块表的背后一定有一位设计者；在某时某地，必然有一位或一群钟表匠出于某种目的制作了它；这些设计者理解它的架构，并设计了它的用途。

这样的宇宙模型让人心安神定：我们赖以生存的和谐世界是由至高无上的上帝设计出来的。佩利不仅将这一模型应用于太阳系的行星，还聚焦人体解剖学——他认为人眼的复杂结构是被设计出来的，而设计者就是上帝。时至今日，该模型依然屹立不倒，佩利的著作也不乏援引。

19世纪的达尔文进化论为人体结构提供了另一种理论解释。这种设计之所以在生物体中可见，是因为能够遗传给下一代的突变有利于生物的成功进化。因此，生物器官的结构会不断地进行完善，以更好地适应生存需要。由此看来，器官的设计仿佛有意为之。如今，佩利书中的论点常用于反对达尔文进化论，支持神创论，即宇宙——尤其是人类，是上帝一劳永逸的创作。

生物学领域的科学论证是生物体通过渐进式可遗传变化朝着可预见的方向进化，而自然选择决定了进化的方向。在物理学领域，量子力学的发展出现在20世纪，而佩利有关物理学运作的确凿之言建立在自然神学的基础上，这让他饱受后现代主义的质疑。量子力学明确引入了不确定性原理：一个既定物理过程的结果在本质上是不确定的，自然的物理变化没有必然的结果，只有一系列的可能。

这一原理在微观世界中表现得更加一目了然——包括电子、原子、夸克等。在天文学领域，混沌理论的发现建立在对万有引力定律的应用之上。根据该理论，宏观宇宙中天体的未来是飘忽不定的，比如太阳系。拉普拉斯在启蒙运动时期的论断——万有引力定律可以预测一切未来并不准确。未来没有必然，只有可能。这与钟表设计带给我们的心安神定恰恰相反。

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拉普拉斯夸耀这个强大的智慧体可预见一切未来，是基于牛顿对两个在轨天体相对运动的分析：要么是太阳和行星，要么是两颗恒星，要么是两个星系。椭圆轨道在这些情况下的确是永恒不变且循环往复的。但是，太阳系当然不止由两个天体组成——环日轨道上除了八大行星，还有不计其数的小天体。在某种程度上，行星间的引力是无法忽略的，和循环往复的双体模型相比，多行星的运行轨道实际上更为复杂。

哪怕只是将牛顿理论的双体研究增加为三个天体，也能使其成为真正棘手的问题。1889年，瑞典国王悬赏重金求解广为人知的“三体问题”：在万有引力的作用下，三个天体的运行轨道是什么样的？虽然法国数学家亨利·庞加莱参与了这一学术竞赛并获得了大奖——因为他的分析给人留下了最深刻的印象，但他也没法做出准确的科学解答。

尽管庞加莱可以运用代数计算出三个天体的轨道——今天我们可以借助计算机，可当时他只能在纸上进行烦琐的计算——但是这些轨道“混乱到我根本无法把它们画出来”。此外，庞加莱发现，只要三个天体的初始位置略有变化，它们的运行轨道就会截然不同。“初始条件的微小差异可造成迥然不同的最终现象。因此，预测是不可能的。”

现代数学证实了庞加莱的推论。如今，数学家使用“混沌”一词描述行星的运行轨道。从行星的特定结构出发，你将可以计算出它们的位置，比如1亿年后的位置。假设将其中一颗行星的初始位置移动1厘米，你也许会认为1亿年后行星的位置基本没有发生变化，初始位置对其造成的影响完全可以忽略不计。但事实上，行星可以运行到任何可能的位置，最终的结果可能与之前截然不同。差之毫厘，谬以千里。

在现代物理学中，“混沌”一词被用来描述这样一种状态：虽然短期状态是可预测的，但长期状态却因与初始状态息息相关而无法被计算出来。通常情况下，气象学家或多或少能预测一天或一周后的天气。然而，因为没有人知道巴西每一只蝴蝶扇动翅膀造成的空气扰动究竟是多少，所以气象学家也无法预测一年后的飓风将在何时何地袭击佛罗里达州——扇动翅膀带来的无法预测的细微影响已经彻底改变了未来。麻省理工学院的气象学家爱德华·洛伦茨在1963年发现了这一现象。哪怕只改变一丁点初始数据，天气预报的结果也会大相径庭。洛伦茨将这个现象称作“蝴蝶效应”；詹姆斯·约克则创造了“混沌”一词。“混沌”这一气象概念与庞加莱早期发现的行星轨道的特征是一样的。

就太阳系而言，“混沌”意味着自太阳系形成以来，行星的位置在过去40亿年里发生了难以估量的巨变。这些巨变赋予了太阳系中每颗行星独一无二的特性。更出乎意料且至今仍无法解释的是，据我们了解，太阳系这一整体似乎在宇宙中绝无仅有。

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我在2019年写到，当时已有约3,800颗行星在围绕太阳以外的恒星运动，它们被称作系外行星。行星似乎并不罕见。在银河系中，平均每颗恒星拥有一颗行星——半数恒星没有行星，半数恒星拥有两颗行星。我们统计的样本并不完整，因为在几光年甚至数千光年之外发现围绕恒星运动的行星并非易事。科学家只能对一些简单案例多加探索，通过它们了解行星和行星系统的共性。

银河系中最常见的行星是类地行星，但它们的体积可能是地球的两倍，即所谓的“超级地球”。我们的太阳系有四个类地行星，地球是其中最大的。太阳系没有超级地球：有可能从未有过，也有可能曾经存在但如今已消失。虽然超级地球诞生的条件尚不明确，但我们的太阳系很有可能错失了这一机会。或许，太阳系中曾存在过一个超级地球，可它却莫名其妙地被抛入了星际空间。在太阳系漫长的一生中，究竟发生过怎样的灾难性事件，使超级地球灰飞烟灭，却让地球死里逃生？

另一差异与质量接近或相当于木星的系外行星有关。它们相当常见：我们的太阳系中就有两个——木星和土星。类木行星是最常见的系外行星（当然，这是因为它们的体积和质量都是最大的，所以是最容易被发现的）。出乎意料的是，与太阳系木星不同，系外类木行星更靠近恒星，因此它们的温度更高且更容易蒸发。类木行星之所以这么大，是因为它们形成于行星系统中较偏远、较寒冷的区域。那么，系外类木行星是如何抵达离恒星更近、温度更高的区域的呢？如果这种情况在其他星系中很稀松平常，为何唯独没有发生在我们的太阳系？

总之，在3,800个已知的行星系统中，我们的太阳系是绝无仅有的。但天文学对此还没有达成一致的解释。

然而，天文学可以解释行星的许多特征，追溯与这些特征相关的特定事件。尽管如此，其他秘密仍有待发掘。历史人物的传记有留白，行星也不例外。

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在开始研究它们的历史之前，我们需要了解行星是什么，即本书的主人公是谁。

“行星”这一概念随着我们对其认知的加深几经演变，也给我们带来了些许困惑。天文学家原想厘清一切，怎料剪不断，理还乱。

“行星”一词源自古希腊语，意思是“流浪的星星”，与恒定无关。恒定的星星指天空中相对位置保持不变的闪烁星点（就当时的天文观测水平而言）；与恒定的星星相比，行星的位置是变化的。曾有七颗星星被定义为行星：水星、金星、火星、木星、土星、太阳和月球。

1543年，哥白尼发现太阳是一颗恒定的星星，月球是围绕地球运行的卫星，而地球是六大行星之一，与水星、金星、火星、木星、土星一起围绕太阳运动。人们对宇宙的认知随之发生了改变。行星的轨道近似圆形，并且在同一平面上。后来，人们在其他行星的轨道上发现了更偏远的卫星，在更远的环日轨道上发现了天王星和海王星。

根据太阳系中天体的位置和运动，“行星”的定义在那个历史时期是明确的。但是，在将更多因素纳入考虑范畴后（比如太阳系天体的性质），这个词的定义也让人困惑不已。围绕太阳运动的彗星并不是行星，因为它们拥有不规则的轨道。彗星的轨道偏心率较大，而行星的轨道更接近圆形；彗星的轨道较倾斜，与其他行星的轨道不在同一个平面上。最重要的是因为它们的外观不同，这意味着它们的结构也不同。行星及其较大的卫星近似球体，要么有着固态表面，要么被云层包裹。它们具有分层结构，中间是固态或液态的核球，表面被气态的大气层环绕，每一层都支撑着更轻的外层。彗星是弥散的（“彗星”这个词的意思是“毛茸茸的星星”），并且带着尾巴：它们的结构与行星迥异。

19世纪的人们又有了新发现：位于木星和火星之间的小天体围绕着太阳运动，这些天体的轨道大多接近圆形，且与大行星共面。与大行星相比，这些天体小得出奇。其中有一些近似球体，还有许多是不规则的。它们最初被称为“小型行星”，但后来被认为是与行星有着本质区别的天体，并拥有了一个新名字：小行星。

之后，太阳系天体的分类出现了严重的失误。1930年，近似球体的冥王星被发现。这颗略似火星的天体围绕太阳运行。当时科学家推测海王星之外可能还存在一颗新行星，在寻找的过程中发现了冥王星。因此，早在被发现之前，冥王星其实就已被假定为一颗行星。但是，与其他行星的轨道相比，它的轨道高度倾斜且偏心率非常大，甚至与海王星的轨道交叉。人们开始质疑冥王星的行星地位。从1992年开始，科学家在冥王星之外发现了越来越多的在轨天体。它们的形状近似球体或不规则的碎块，让人联想到小行星。它们被精准地命名为“海外天体”。

随着对行星、小行星和海外天体起源的了解逐渐深入，这些特性被联系在了一起。在太阳诞生之际，原本围绕着它的圆盘（即“太阳星云”）聚集了大型天体，行星便是这一过程的主要产物。而这一过程遗留下来的岩屑和此后小行星碰撞产生的碎块则形成了小行星、彗星和海外天体。这让人们开始重新审视冥王星：它既由岩屑组成，又是行星。毫无疑问它是一颗海外天体，但它被归为行星却仍有疑点。假设太阳系中的天体存在等级地位一说，我们可以认为是该观点导致了冥王星被重新定义和降级。

冥王星的确是一个围绕太阳运动的天体，且其巨大的质量足以让自身保持近似球体的形状，实现自我支撑。然而，行星第三个定义的出现导致冥王星被踢出行星之列。该定义于2006年被代表天文学界的国际天文学联合会采纳。数百人在捷克布拉格召开的这场会议上举手赞成了这项决议，我就是其中之一。这项有争议的决议引起了公众的广泛关注，因为他们认为冥王星的重要性被削弱了。一小群学生及其他一些人对此均持有异议。公众的重视是我始料未及的，但与此同时，一个冷门天文学事件也能引起如此广泛的重视，让我倍感欣慰。

令冥王星无法跻身行星之列的第三个特性，既不是它的轨道，也不是它的结构，而是它的历史。国际天文学联合会规定，除了拥有合适的轨道和结构，行星还必须有能力清除其轨道上的其他天体，或将它们合并为自身的一部分，或将它们俘获为自己的卫星，或将它们弹射到其他轨道上。按照国际天文学联合会的说法，一颗行星必须有能力控制自己所在的轨道。而冥王星无法胜任：它的轨道不仅与海王星交叉，还有其他许多海外天体。因此，冥王星被移出了行星名单，被归为“矮行星”。小行星带的谷神星也因同样的原因被定义为矮行星：它的结构、大小都与冥王星相似，它也无法清除轨道上的其他小行星，因此它不是一颗行星。

目前在我们的太阳系中，不加任何限定词的“行星”仅包括水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。矮行星包括最大的小行星谷神星、冥王星和其他大型海外天体。“卫星”围绕着行星运行。其他天体都被称为“太阳系小天体”，这一名字听起来与“海外天体”一样中性且乏味。

作为一名科学家，我本该循规蹈矩，严格按照书名所述，聚焦获得现代天文学认可的太阳系八大行星。但是，在构思的过程中，我发现如果我过于规行矩步，那么太阳系中某些最重要的领域可能会被忽略，而这些领域都是21世纪初天文学关注的焦点。因此，除了八大行星，本书还涵盖了两颗矮行星和一些太阳系小天体，比如小行星、微陨星体和部分卫星。本书所选，都是太阳系中我认为最重要的领域。它们与众不同，有着最为丰富多彩的个性。依我之见，它们的历史也最值得我们一窥究竟。