太阳系起源于无中生有的浮云吗？科学真相原来如此

主流天文学家、天文物理学家们一致认为，我们太阳系是由一坨巨大的星际分子云和宇宙尘埃凝聚而成，这团分子云并非原始的宇宙星云，而是经历过超新星大爆炸后的残留气体物质。

那么宇宙中的星际分子云又从哪里来，为什么会发生超新星大爆炸呢？这种太阳系形成理论是科学家们随便说说，还是有什么证据支撑，科学的真相到底是什么呢？今天，我们就来一次弄清楚这些问题。

首先说说标准宇宙模型描述的最早期宇宙。

被科学界广泛接受并认同的标准宇宙模型认为，宇宙诞生于138亿年前，起源于一个奇点的大爆炸。大爆炸之前一片虚无，爆炸开始后时空才出现了。人类可研究的宇宙是从普朗克时间、普朗克尺度开始，也就是大爆炸发生后的10^-43秒开始，那时的宇宙尺度只有10^-35米，温度为10^32度，密度为每立方厘米10^94克。

这个时候的物质到底是什么，迄今无法描述，因为其密度比质子密度高出10^78倍，超出人类现阶段理解的所有物质。那时候，现在宇宙中存在的四种基本力还是合在一起的，随后，宇宙开始暴涨和冷却，引力率先分离出来，接着夸克、玻色子、轻子等基本粒子出现，强相互作用随之分离出来。

暴涨只维持了10^-33秒，宇宙却已经得到先前尺度的10^30倍，也就是说，如果暴涨从普朗克尺度的10^-35米的尺度开始，暴涨后的宇宙也只能膨胀到了约百分之一毫米（10微米），比一个红细胞还要大点。

如果暴胀前的宇宙有1毫米的话，那暴胀后就膨胀到了10亿光年！问题是现在还没有人说得清楚宇宙暴胀前尺度多大，我们就不纠缠于此了，让科学家们继续去研究吧。理论给出的情况是，宇宙大爆炸0.01秒后，宇宙温度已经降到了约1000亿度；大爆炸1秒后，温度降到了100亿度。

这时，光子、电子、中微子、质子、中子虽然已经出现，但核力还不足以束缚住质子和中子，因此原子无法形成，也就没有我们现在理解的各种物质。

一直到大爆炸后30万年，宇宙温度降到了3000度，中性原子才得以形成，组成了最简单的化学元素氢和氦，还有极少量的锂。而大爆炸前的量子真空在暴涨期也达到了全盛，以暗能量的形式弥漫在整个宇宙，暗能量也越来越明显地推动着宇宙加速膨胀。

这个时候，暗物质和暗能量的博弈开始了，暗物质以引力的方式让以氢为主的分子云凝聚，渐渐形成了恒星和星系，而暗能量则推动着宇宙继续膨胀。观测研究发现，迄今最早的星系形成于大爆炸后的3.2亿年，而我们的银河系则形成于大爆炸后38亿年，现在的年龄约100亿岁。

那么，宇宙是如何从无到有，从一些简单的气体发展到恒星、星系，从只有简单的氢和氦元素，创造出了如今已知的118种元素，并由此组成了千姿百态的世界呢？原来这个过程是从能量~物质~引力~核聚变的循环中不断转化出来的。

宇宙看似“无”中生有，但“无”并非真无。

大爆炸宇宙论完美地诠释了整个宇宙演化现象，由此成为主流科学界公认的标准宇宙模型。这个理论认为，宇宙起源于一个奇点，这个奇点无限小，密度无限大，温度无限高，曲率无限大，138亿年前的某一天，它突然爆发了，就产生了时空和现在的可观测宇宙。

那么，既然宇宙没有诞生前什么都没有，又怎么会产生奇点呢？现代量子力学的真空零点能理论正在探讨和解释这个问题。量子力学认为，能量无处不在，即便在绝对真空中，也蕴藏着巨大的本底能量，这些能量就叫真空零点能。

这些能量以虚粒子的形式不断涌现，科学的术语叫量子随机涨落，正负虚粒子不断成对涌现又相互湮灭，似乎很完美的坚守着能量守恒定律。如果这种守恒一直完美无缺，宇宙就不可能出现。研究认为，宇称本来就是不守恒的，对称性会发生破缺，在真空中量子涨落也会出现破缺，就是个别虚粒子没有湮灭而残留下来，就成为了宇宙爆发的奇点。

有人可能会说，即便这个说法是真的，但一个虚粒子形成的奇点为啥有那么大的能量呢？这不是开玩笑吗？我和大家一样，也有这种疑问。但我们是凭想象，而科学家们则是通过数理逻辑和实验进行了复杂的科学论证，证实了这种能量的真实存在。

率先提出黑洞一词的著名物理学家J·惠勒估算出这种能量密度每立方厘米可达10^95克。

这是一个什么概念呢？宇宙大爆炸起始的普朗克时间，密度为为10^94g/cm^3，只是真空零点能密度的十分之一；而科学估算现在可观测宇宙的总质量有10^54g（包括暗物质），只有真空零点能1立方厘米密度的10^41分之一，也就是10亿亿亿亿亿分之一，因此，真空零点能一个虚粒子成为宇宙大爆炸奇点就一点也不奇怪了。

至于真空零点能为啥有这么巨大的本底能量，这是量子物理学家们深刻研究的话题，其中的论证原理和公式很深奥很繁杂，就无法在这种科普文章中讨论了，高水平且有疑问的朋友可以找海森堡、爱因斯坦、惠勒等相关科学原著去学习一下。

我要告诉大家的是，我在这里用通俗语言普及的每一个科学论点都是有出处的，是已经被科学界广泛接受的常识。

爱因斯坦之所以伟大，其中之一是他发现了质量和能量具有确定的当量等价关系，它们能够相互转化，并用著名的质能方程简化公式表达为：E=MC^2。这也可以部分解释我们宇宙的由来：宇宙起源于超乎想象的巨大本底能量大爆炸，从此有了时空，并进入了能量与物质的转化过程，最终形成了现在的世界。

在宇宙运动和演化中，引力扮演了至关重要的角色。

初始宇宙形成的氢分子云飘荡在每个角落，由于引力作用，这些引力包括可见的氢氦分子之间的相互引力作用，更多借助于暗能量的推动，逐渐被聚集在一起。

随着收缩得越来越紧密，引力作用于不同距离和位置的不平衡，会导致整个云团发生摆动和旋转，且由于角动量守恒，收缩得越小旋转得越快，分子云被甩成盘状，有点像旋转的意大利薄饼，不过这个“薄饼”半径有1000个天文单位（1500亿千米），这就是原行星盘。

位于盘面中心的气体吸附得越来越大越来越紧密，形成坍缩之势，核心的温度越来越高，压力越来越大，达到一定临界点就点燃了氢核聚变，一颗恒星就诞生了。

而在行星盘中的气体尘埃则会在碰撞中相互吸附形成星子，在引力作用下星子会将附近轨道的尘埃碎片不断吸附让自身变大，最终成为行星。刚刚诞生的恒星会继续将附近的气体尘埃吸附掉，并辐射出猛烈的恒星风，将没被吸附的气体和尘埃碎片等吹远。

这之后，一个核心具有至少1颗恒星，周围带有若干颗行星的恒星系统就形成了，这个系统除了恒星和行星，还会有大大小小的矮行星、行星卫星、数不清的小行星、彗星、尘埃等等，我们太阳系也是这样形成的。

那么，为什么可以肯定的说，太阳系只能是超新星大爆炸后的产物呢？

至少有两个原因说明这个问题：一是太阳的年龄才50亿岁，而宇宙的年龄已经有138亿岁了，也就是说，太阳是在宇宙88亿岁的时候才开始形成的，这时宇宙中的原始星云已经很少了；二是组成太阳的元素并非只有氢和氦，还有重金属，尽管这些重金属只占1～2%，但却是原始星云中没有的。

前面说过，宇宙诞生后的组成很简单，可见物质只有氢和氦，以及极少的锂，比它们更重的元素基本没有，那么现在的重元素从哪里来的呢？

研究证明，宇宙中出现越来越重的元素是核聚变的结果，核聚变的过程就是将较轻的元素融合成更重元素的过程，在这个过程有一部分物质会损耗，转化为巨大能量。我们知道，恒星之所以成为恒星，是因为核心巨大的压力和温度点燃了核聚变，最早的核聚变就是将四个氢元素融合成一个氦元素，这样宇宙中的氦元素就会越来越多。

但核聚变并不是到氦元素就结束了，恒星质量越大，其核心温度和压力越高，就能点燃越重元素的核聚变。

每颗恒星核心的氢元素全部转化为氦之后，理论上核聚变就会停止。没有了巨大的辐射压抵御恒星巨大质量的引力收缩压，恒星物质就会急剧向核心坍缩，形成更高的压力和温度。像太阳这样的黄矮星，氢核聚变结束后，坍缩导致的核心温度可达1亿度，就会点燃氦核聚变，一路聚变到6号碳元素结束。

更大的恒星会一路点燃更重元素的核聚变，具体为：温度达到2亿度时，则点燃碳、氧核聚变，一路得到氖、钠、镁、铝等元素；温度达到15亿度时，则点燃氖、镁，得到硅、硫、氩、钙等元素；温度到达20亿度时，则得到铁-56。

铁元素是所有元素中最惰性稳定的元素，因此再大的恒星核聚变最终也只能到此终结。那么比铁更重的元素还有几十种，又是怎么来的呢？这就是大质量恒星的必然归宿~超新星大爆炸的结果。

科学观测和研究发现，相当太阳质量8倍以上的恒星，核心的核聚变会一路到达铁-56结束，聚变停止后，巨大的恒星质量向核心坍缩会导致热核失控，反弹的压力会将自己炸得粉碎。在大爆炸过程，压力和温度达到令人恐怖的程度，温度可达100亿度以上甚至上千亿度，瞬间爆发出比太阳一生辐射总能量还要大的能量，亮度可达太阳的5亿倍到50亿倍。

超新星爆发除了大质量恒星，还有白矮星和中子星超过质量临界点，白矮星吸积超过钱德拉塞卡极限（太阳质量的1.44倍），中子星吸积超过奥本海默极限（太阳质量的2～3倍），就会发生超新星爆发。

中子星、白矮星、黑洞的相互碰撞也会导致强烈的能量爆发，这些都会向外抛射出重元素。研究发现，宇宙中的黄金等重元素，主要就是中子星相撞抛洒出去的渣滓。2017年10月全球许多天文台同时观测到一次重大引力波事件，就是两颗中子星碰撞合并被称为GW170817的事件，据估算，这次碰撞有300颗地球质量的黄金被从中子星上撞到了宇宙空间。

所以一些科学家们认为，地球上的黄金主要是中子星相撞得来的，它们飘荡在太空，在地球形成初期以陨石雨的方式砸在地球上，因此天上掉馅饼的事情并不是完全没有哈。

在超新星爆发的特别高温高压下，铁以后得各种重元素才得以聚合诞生了。由此，我们宇宙中除了氢和氦，其余的重元素就都出现了，这些相对较重元素虽然在整个宇宙中只占有1%左右，却让整个世界变得丰富多彩，姿态万千，包括出现我们人类和各种生物。

太阳系里的重金属就超过了1%，具体丰度为氢和氦原子总数约占据了99%，质量占据了97%，也就是说其他重元素原子总数约占据了1%，或者说重元素质量约占3%。因此，形成太阳系的分子云就不是宇宙原始的分子云，一定是经过超新星大爆炸后残留的分子云。

有人可能觉得太阳系重元素才占据总质量的3%，怎么能够形成地球这样主要由重元素组成的巨大的行星呢？其实，地球在太阳系是很渺小的，质量只占太阳系的0.0003%。在太阳系，像地球这样的岩石行星也只有4颗，即地球、金星、火星、水星，这4颗类地行星质量加起来也不到太阳系总质量的0.0006%。

而太阳系的其他4颗巨行星，即木星、土星、天王星、海王星，都属于气态行星，主要由氢和氦等气体组成，因此没有固态表面。

在太阳系形成初期，太阳发出的强烈恒星风将靠近的物质吹往远方，结果是轻物质被吹得更远，重物质就相对难以吹远，这样靠近太阳的4颗行星就主要是由重元素组成的类地（类似地球）行星，又叫岩石行星或内行星（地球轨道以内）；而距离太阳更远的4颗行星主要是由轻元素组成的类木行星（类似木星），又叫气态巨行星或外行星（地球轨道以外）。

以上，就是科学家们知道太阳系是由一坨巨大的分子云形成，且并非原始“纯洁”气体，而是经历了超新星大爆炸的“肮脏”星云尘埃形成的原因，这个推导完全符合宇宙标准模型恒星演化理论，其形成过程和其他所有类似恒星一样，遵循着宇宙天体演化规律。

科学模型给出了太阳与各类恒星的寿命和宇宙的归宿。

现在，科学观测发现了数千颗中子星和白矮星和许多黑洞，接收到了中子星相撞的引力波，并拍摄到了距离我们5500万光年的M87黑洞照片；还发现并观测证实了宇宙微波背景辐射，即宇宙大爆炸后的灰烬余晖，观测发现了爱因斯坦环、引力波、引力透镜等等，还有遥远星系的演化证据。

科学家跟踪研究了亿万颗恒星不同阶段的恒星，其中有正在形成阶段、主序星阶段、演化末期衰老阶段、死亡阶段、死亡后的恒星尸骸等等，研究了红矮星、黄矮星（太阳类恒星）、蓝矮星、红巨星、蓝巨星、中子星、白矮星、黑洞等等，就像看到从出生到老去的人生，就能够知道人的一生不同阶段状态和寿命，科学家通过研究不同阶段不同类型的恒星，也得到了恒星不同阶段的状态和寿命。

科学家们利用各种望远镜，不但发现了银河系存在许多恒星形成过程的原行星盘，最近还发现了首个外星系原行星盘，这个原行星盘坐落在距离我们16万光年之外的大麦哲伦星系中，是英国天文学家利用哈勃望远镜和坐落在智利的ALMA望远镜发现的，这项成果被刊登在《自然》杂志上。

一个恒星系统原行星盘演化过程只有数百万年到上千万年，观测发现最古老的行星盘有2500万年。这里需要说明的是，最终每个恒星系统并非都是只有一颗恒星，实际观测发现，一颗恒星的恒星系统只占少数，更多的是双星、三星甚至更多恒星的系统。

如距离我们最近的南门二恒星系统就是由三颗恒星组成，天狼星也是由一颗蓝矮星和一颗白矮星组成的系统。当然，一颗恒星组成的系统相对运行最稳定，最有利于生命和文明的孕育发展，我们能够生存在太阳系这个稳定的恒星系统，不仅仅是幸运，而似乎是一种必然。

这些观测证实了原行星盘是恒星系统形成过程的普遍现象，太阳系也不例外。越来越多的证据，都一次次证实了爱因斯坦广义相对论的预言和宇宙标准模型的猜想，也足以说明，在宇宙中恒星的形成具有相同的规律。

恒星的寿命严格遵循与质量成反比的规律，也就是质量越大寿命越短，质量越小寿命越长。比如已知最大的恒星R136a1，其质量约为太阳的215倍，寿命就只有约300万年，现在已经170万岁了，还有130万年就将寿终正寝。

研究认为，太阳这种质量的黄矮星寿命约为100亿年，现年约50亿岁，正值壮年，是主序星最稳定阶段。还有约50亿年，太阳就进入演化晚期，就会变得很不稳定，末期会变成红巨星发生膨胀，半径超过现在的200倍，其炽热的气体将气化掉水星、金星，蔓延到地球。

地球会不会被吞噬已经不重要，因为那时地球早已海枯石烂，就像一颗被烤干烧焦的土豆，一切生命早就消失殆尽了。

事实上，太阳系的一切都与太阳息息相关，一旦太阳没有了，所有的行星即便没有被气化掉，也都失去了光明和能量，成为流浪死星。太阳在红巨星膨胀后期，外围的气体会渐渐消散在太空，最终在核心留下一颗碳星，即白矮星，其大小约和地球相当，但质量却约为现在太阳的50%，密度大于每立方厘米1吨。

而小于太阳质量0.8倍以下的恒星，被称为红矮星，这种恒星最小的不到太阳质量的0.08倍。科学家们2014年发现距离我们40光年的恒星J0523，只有太阳质量的0.077倍，被认为是恒星的最小临界质量，再小就无法点燃核心氢核聚变，成不了恒星。

红矮星由于核心压力小温度低，核聚变缓慢，因此是寿命最长的恒星。最大的红矮星也有数百亿年寿命，较小的红矮星寿命则可达千亿乃至万亿年，而那颗J0523红矮星，寿命可达令人恐怖的12万亿年，这种红矮星实际上会与宇宙同存亡。

红矮星核心氢核聚变结束后就会熄灭，收缩压力再也点燃不了氦核聚变，因此其归宿是渐渐冷却成为一颗不发光也不发热的黑矮星。由于宇宙寿命至今才138亿年，因此迄今为止还没有一颗红矮星死去。

而大于太阳质量8倍的恒星，核心的核聚变不会在碳元素结束，而是一直聚变到铁，然后发生热核失控，核心坍缩导致大爆炸，最终核心可能留下一颗中子星；更大质量的恒星，发生超新星大爆炸后，由于核心压力和温度更高，会坍缩成一颗黑洞。这种恒星的质量一般要在太阳的30～40倍以上。

黑洞是宇宙中的顶级尸骸，通吃一切天体。观测发现目前最大的黑洞质量是太阳的1040亿倍，编号为J073739.96+384413.2。所有的黑洞都在吸积周围的天体物质，一切靠近黑洞的天体物质都有去无回，所以有人认为，宇宙最终的归宿可能就是黑洞。

当然，宇宙的归宿还有多种说法，现在主流的说法更倾向于暗物质暗能量的博弈，这是两个死对头，控制着宇宙的走向，暗能量推动着宇宙膨胀，暗物质通过引力让星系聚拢合并，最终宇宙是大撕裂还是大坍缩，就要看这两种力量博弈的结果是鹿死谁手了。

自从有了哈勃望远镜，人类对宇宙探索的视野就大大延伸了，现在又有了韦伯望远镜，将人类的目光又延伸了几亿光年，已经看到了大爆炸仅4亿年的婴儿宇宙。根据观测和科学估算，在我们可观测宇宙中，就有上万亿个星系甚至更多。

在我们太阳系的家园银河系，就有4000亿颗左右的恒星，太阳只不过是这些恒星中普通一员，属于一个中小质量的黄矮星，这类恒星约占银河系恒星总量的12%；银河系或者说宇宙中最多的恒星是红矮星，也就是太阳质量0.8倍以下的小恒星，占恒星总量的约80%以上；而大于太阳质量的恒星不多，只有不到10%。

恒星是宇宙可见物质的主要组成部分，是组成星系的最主要成员。但在广袤的宇宙，银河系只是万亿星系中的普通一员，太阳只是银河系4000亿颗恒星的普通一员，地球只有太阳质量的33万分之一，80万人类就生存在地球这样一粒宇宙尘埃上。因此人类、地球、太阳系在宇宙中实在太渺小太渺小了，渺小得完全可以忽略不计。

然而我认为，唯有科学精神伟大而永存。因为只有在科学精神和科学方法的指导下，才能不断有新的科学发现和对自然规律深入认识，这些将是整个宇宙文明的共识，并参与文明之间的交流，源远流长。

但科学没有绝对真理，也没有尽头，永远在路上。我们要做的只是跟上科学的步伐，不断学习新知识，增加和不断深化自己对宇宙的认知，才能活的更豁达更明白。对此，各位怎么看？欢迎讨论。

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