20世纪80年代,许多天文学家使用超级计算机研究了太阳系动力学中的微妙之处。这些计算的成果之一就是直接彰显了太阳系确实是混沌的,更重要的是能进行有效轨道预报的时间跨度只有几百万年——远远小于太阳系的年龄。举个例子,即使现在行星的位置能被确定到误差小于一个原子的直径,但你仍然无法准确地预报1亿年之后它们的位置。我们没有办法确切知道公元100,000,000年1月1日元旦这一天是出现在冬季还是夏季以及地球是否还在绕太阳转动。

在向前演化了5亿年之后,Laskar的程序没有显示灾难将要发生的明显趋势。木星、土星、天王星和海王星这些巨行星没有显示出任何不稳定的迹象。(我们现在认为它们在1千万亿年的时间跨度上都是稳定的。)但类地行星则呈现成了微妙的混沌和轨道的漂移,其中尤其是水星最终有可能会失控。Laskar因此专门进行了一项实验来研究水星的运动情况。为此,他检查了他5亿年的计算,从中挑选出了水星椭圆轨道偏心率达到最大的那一刻。然后,他用这一时刻的轨道构形做为另外四个几乎完全相同的太阳系模型的初始条件,而在这四个模型中仅有地球轨道存在完全无法可观测到的微小差异。当他在时间上向前演化这四个模型时,一开始它们彼此齐头并进,但在几百万年之后蝴蝶效应开始显现,不同的模型出现了不可避免的差异。

在这四个模型都完成了5亿年的演化之后,Laskar会再一次检查行星的轨道,并从中挑选出水星偏心率达到最大的那一刻。接着他会以此做为另外新的四个数值模拟的初始条件,再一次重复上面的步骤。

在重复了十几次之后,就会产生大量可能的结果。Laskar发现,在其中一些结果里水星的轨道会被拉长并且出现和金星轨道相交的危险情况。轨道相交通常会导致灾难:碰撞、会导致潮汐力撕碎一颗或者两颗行星的密近交会或者是把一颗行星完全抛射出太阳系。

对于地球而言,它的结果包括了从经历更频繁的小行星碰撞到直接被摧毁不等。

Laskar1994年的结果第一次有力地证明,即便没有外界的影响,在太阳做为一颗燃烧氢的恒星所剩下的60亿年时间里也会出现轨道混沌。不过,一些重要的问题仍有待回答。重复选择看似最不稳定的轨道到底有多大的“帮助”?如果进行一次从头到尾的模拟,太阳系能维持多久?是什么机制使得水星的轨道失稳?最后,如果在计算中考虑了广义相对论的微妙作用,结果是不是会有不同?

这些问题最近都得到了回答。多个彼此独立的小组进行了数值模拟,发现了太阳系的唯一致命弱点——使得水星失控的机制。正是由于木星的引力作用,水星一直处于危险之中。

行星间的引力会造成一系列轨道相对于完美椭圆的偏离效果。在这些扰动中最显著的就是轨道进动。当一个轨道发生进动的时候,其椭圆的长轴会改变指向,因此行星的近日点也会沿顺时针或者逆时针方向缓慢但稳定地移动。水星轨道目前的进动速度为每年0.16°,而木星的则为每年0.23°。但数值模拟显示,在非常长的时间下,引力作用会使得水星的进动速率大幅提升。最具有戏剧性的是,如果水星的进动速率接近木星的话,就会引发长期共振,这会迫使水星轨道的进动和木星的同步。

[图片说明]:灾难之路。水星具有一条偏心率适中的轨道。木星的轨道(不在此图之内)也有偏心率,但较之更小。这两条椭圆轨道的长轴分别被称为“拱线”,它们会缓慢地沿着逆时针方向(蓝色箭头)进动。如果两者的速率达到同步,那么如图所示水星的轨道会被拉得越来越长,直到它和金星的轨道相交。此时,水星和金星间的密近交会会把它们朝任何一个方向甩出去,由此也把混沌传播遍整个内太阳系。

长期共振的形成还会带来其他的麻烦。在数百万年的时间里,木星会逐渐地提取水星轨道的角动量。这一效应在大质量的木星身上几乎看到不到效果,但对于小得多的水星而言它的轨道偏心率会增大到能引发灾难的程度。

现在的计算机已经发展到了能够进行数千次太阳系模拟的程度,其中每一个都不采用近似方法而且还包含了广义相对论以及诸如小行星谷神星和月球等天体的影响。2009年夏,Laskar和他的合作者Mickael Gatineau公布了迄今所进行的最庞大的研究结果,他们共进行了2,501组太阳系模拟。

[图片说明]:建模水星。上图:在绝大多数水星的长期模拟中,一切都波澜不惊。这里显示的是水星轨道偏心率的典型变化,从现在开始到未来的20亿年中没有剧烈的起伏。(偏心率为0意味着以太阳为中心的圆轨道。偏心率为1则是一条以太阳为端点的、形似直线的椭圆轨道。目前水星的偏心率为0.21。)

下图:然而在少数情况下,水星会失控。在这一模拟中,其作者会从中挑选出水星偏心率较大的时刻,并以此做为“分支点”开始四组新的模拟。当这些新的模拟中水星又出现大偏心率时,再一次将其做为分支点,循环往复。在这些模拟中内太阳系偶然会出现失控的结果。

这些模拟包含了大量的细节。例如,它们显示,我们很幸运爱因斯坦是对的。著名的广义相对论效应会为水星的进动速率增加额外的每年0.43个角秒。这使得水星的轨道很难与木星发生危险的长期共振。如果没有这一广义相对论效应,水星轨道失稳的概率为10%。但有了广义相对论的作用,在太阳死亡前太阳系失控的可能性仅有大约1%。

虽然很小,但1%的概率仍然是不可忽略的。Laskar和Gastineau计算出了几种太阳系未来可能的轨道,其中地球的情况都不妙。在其中尤其剧烈的一种情况下,地球会和火星发生毁灭性的直接碰撞。在另一种情况下,火星会在距离地球表面仅几百千米的地方掠过。虽然没有撞上,但这也绝非是一件好事。在地球和火星逐渐靠近的过程中潮汐拉伸和挤压作用会把地球加热到完全能熔化地壳和地幔的程度。地球的海洋会蒸发成一个包围着全球性岩浆海的水蒸汽大气。

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