太阳系是怎样形成的？

运动的平衡态结构的一个例子是太阳系。我们的太阳系大部分也可以视为三个作用定律的产物，分别是能量守恒、动量守恒和引力。能量守恒定律说的是能量既不能创生也不能消灭，只能转换形式。常见的例子包括化学能转换成火的热能，跳伞时势能转换成动能，发电机将机械能转换成电能。动量守恒说的是运动物体除非受到外力作用，否则会一直保持运动速度和方向。引力定律的经典形式说的是两个物体会互相吸引，吸引力正比于两者质量的乘积，反比于两者距离的平方。引力定律的表达式类似于库仑定律，只不过吸引的是质量而不是电荷，并且质量从不互相排斥注15。

注15 牛顿万有引力定律：F=g·m1·m2/r2，其中g是常数，m1和m2是两者质量，r是两者距离。

如果不在意细节的话，太阳系的形成很容易理解。故事大致是这样。在宇宙中不断有恒星诞生。在太阳出现之前，空间中有气体和尘埃组成的云。云中大部分是氢和氦，但也包含碳、氧、氮、铁等在现在的太阳系中找得到的元素。氢和氦大部分在宇宙大爆炸最初的几分钟里形成，其他元素则在恒星中形成，恒星在超新星爆发后将其组成物质抛散到空中变成尘埃微粒。这些超新星很重要，因为它们创造了重元素，并且爆炸产生的物质流会导致附近的尘埃和气体云运动，分布变得不均匀。

空间中不均匀的气体云是不稳定的。引力定律决定了所有原子、分子和尘埃会相互吸引。结果原子向原子运动，物质块向物质块运动。动量就是对这种物体相对运动的度量。

对于运动的粒子，如果最初没有朝质心运动，动量守恒会阻止它们直接相向运动。动量守恒和引力定律的交互作用会使得粒子围绕高密度的中心旋转。

能量也必须守恒。当粒子相互旋转时，它们的速度会增加，因为引力势能会转换成动能。随着相互吸引的气体和尘埃粒子旋转得越来越近，它们的速度也会越来越快，发生碰撞越来越频繁。碰撞后会发生什么取决于粒子的化学性质。一些碰撞是弹性的，粒子就好像台球相互弹开。一些碰撞是无弹性的，粒子就好像橡皮泥一样粘到一起。无论哪种碰撞都必须遵守能量守恒和动量守恒。

碰撞还会产生热，以红外辐射的形式放射。粒子碰撞、弹开和黏合到一起的结果是黏合的粒子越来越多，并且所有粒子的运动变得协同一致。所有粒子聚拢并降低速度，导致热能损失。由于旋转，气体云会变成盘状。大部分尘埃和气体会在中心附近，少量在外围。能量和动量守恒使得中心附近的粒子和气体运动得最快，最外面的物质则运动得最慢。随着分子越来越接近旋转中心，碰撞也越来越频繁。碰撞越多释放的热量也越多，中心也变得更加热和致密。最终云团中心变得如此热和致密，以至于开始出现热核反应。这又会产生更多热和辐射。辐射将原子和分子外推，与向内的引力相互抵消。

当辐射导致的外推与引力的向内拉相互平衡，就会形成稳定的结构；我们称之为恒星或太阳。这时外部的气体和尘埃盘变得引力不稳定，因为大块环绕物质的引力会改变附近物体的轨道。改变的轨道相交，导致的碰撞形成更大的物体，对附近的聚集体、气体和尘埃的引力也越来越大。变大的物体相互吞噬，最后只留下少数大的聚合体（行星）。行星围绕太阳形成稀疏有序的结构，相互之间的距离遥远，不会相互干扰。如果它们靠得太近，就会相互拉扯偏离轨道并最终相撞。

大致就是这样。实际的细节极为复杂，但三个简单规则的交互确保了，只要存在规模合适的、运动的和不均匀的气体尘埃云，就会形成有序的太阳系结构。太阳系的具体细节取决于初始气体云的大小和成分“黏合”规则（量子力学）和热核反应的规律。不过只要考虑三条简单规律——引力、动量守恒和能量守恒——就能大致理解太阳系有序结构的形成。由于宇宙中有大量的气体和尘埃云，可想而知太阳系必定很常见，虽然最近才开始对它们有所认识。运动在太阳系中扮演了重要角色，因为只要物体在运动，就要遵循动量守恒。只要质量块不是直接相向运动，动量就会对抗引力，行星轨道就是沿直线运动的趋势（动量）和相向运动的趋势（引力）之间平衡的结果。

太阳系体现了两种结构。行星的稳定轨道是平衡态结构。行星的持续运动和分布不需要能量输入，只要没有摩擦和外力，太阳系会永远运转下去。太阳中心的结构则不同。如果核反应堆耗尽，太阳就会缩减到目前直径的百分之一。如果质量足够大，就会变成黑洞。恒星需要热核反应提供的持续能量来维持其稳定结构。它是非平衡态结构。