【編者按】

        “科學星期五”是一檔關于科學和科技的欄目，逢周五播出，給有好奇心的人。

        最近三期嘉賓是盧昌海先生，本文是關于水星系列文章的最后一篇。盧昌海本科就讀于復旦大學物理系，畢業(yè)后赴美留學，于2000年獲美國哥倫比亞大學物理學博士學位，目前旅居紐約。著有《那顆星星不在星圖上：尋找太陽系的疆界》《太陽的故事》和《黎曼猜想漫談》《從奇點到蟲洞：廣義相對論專題選講》等。

        接下來再談點比較物理的東西——先從簡單的談起。        

        當我們越出行星本身的范圍，用更廣的視角來看，一個行星最簡單、但也算得上最重要的物理性質(zhì)乃是質(zhì)量。說它“重要”，是因為行星對外顯示的力量主要是引力，而質(zhì)量是引力的源泉。說它“簡單”，則是因為質(zhì)量是一個總量，不像地貌那樣瑣碎；而且數(shù)值穩(wěn)定，不像溫度那樣多變；更主要的是，質(zhì)量通常是很容易確定的，比如地球的質(zhì)量是中學生都能推算的——當然，前提是萬有引力常數(shù)的數(shù)值已知。        

        不過這種“簡單”到了擅出難題的水星這里也變成了難題，因為測算行星質(zhì)量的基本思路是利用行星的引力，具體方法則是觀測在行星引力作用下物體——比如衛(wèi)星——的運動。不幸的是，水星卻是一位“光桿司令”，連一顆衛(wèi)星都沒有。因此，本該很容易確定的質(zhì)量在水星這里變成了難題。        

        當然，這難題絕非無解。比如1841年，德國天文學家恩克率先通過分析一顆經(jīng)過水星附近天區(qū)的彗星所受的引力攝動，對水星質(zhì)量進行了粗略測算。又比如1968年，小行星伊卡洛斯從距離水星1,600萬公里處掠過，天文學家們通過對它所受水星引力攝動的分析，也對水星質(zhì)量進行了測算。測算水星質(zhì)量的其它手段還包括利用其對離它最近的行星——金星——的引力攝動，以及利用其對“水手10號”行星探測器的引力攝動等。但最精確的測算，則是利用已成為水星“人造衛(wèi)星”的“信使號”水星探測器。經(jīng)過一系列測算，水星的質(zhì)量被確定為33,000億億（3.3×1020）噸左右，僅相當于地球質(zhì)量的5.5%左右，在太陽系行星之中是最小的。        

        另一方面，水星的大小早在公元5世紀就被一位印度天文學家以不可思議的運氣估算到了99%的精度，此后經(jīng)“水手10號”探測器等的測定，被確定為了直徑約4,879公里。由于自轉(zhuǎn)緩慢，水星幾乎不存在因自轉(zhuǎn)造成的形變，從而總體形狀非常接近球形。由質(zhì)量和直徑不難計算出水星的表面重力加速度約為3.7米/秒2，相當于地球表面重力加速度的40%左右。這意味著，一個120斤重的人在水星上的的體重僅為45斤左右，會有“身輕如燕”的感覺。        

        由質(zhì)量和直徑還可計算出水星的平均密度約為5.4克/厘米3。這是一個非同小可的密度，在太陽系行星中僅次于地球的約5.5克/厘米3。但是，地球由于質(zhì)量比水星大得多，其密度在一定程度上是被巨大的“自重”壓出來的，若把這一因素剔除，地球物質(zhì)的所謂“非壓縮密度”其實只有4.4克/厘米3左右，甚至更低。相比之下，水星由于質(zhì)量小，其密度顯得更“貨真價實”，哪怕剔除掉“自重”造成的壓縮作用，也仍高達5.0克/厘米3以上。因此，從單純的物質(zhì)組成來講，水星其實是一個密度比地球更大的行星，也是太陽系中密度最大的行星。        

        密度這么大的一個直接推論就是水星上含有超高比例的重元素，尤其是鐵或鐵的化合物——因為鐵是太陽系中最常見、數(shù)量最多的重元素。在重力影響下，經(jīng)過幾十億年的漫長時光，水星上的重元素大都沉入內(nèi)部，構成了一個富含重元素的核心。從水星的密度可以推知，它的這一核心約占總質(zhì)量的75-80%左右，遠高于地核占地球總質(zhì)量的32.5%的比例。相應地，水星的類似地幔和地殼的部分在總質(zhì)量中所占的比例則比地球及其它類地行星小得多，堪稱是一種“皮薄餡厚”的奇特結(jié)構。        

        水星為什么會有超高比例的重元素及“皮薄餡厚”的奇特結(jié)構呢？這是它給天文學家們出的又一道難題——一道側(cè)重物理的難題。初看起來，這題目似乎并非真的很難，因為太陽系形成之初，離原始太陽這一“光明的源泉”越近的區(qū)域溫度越高，從而使得行星盤中較輕的、易揮發(fā)的物質(zhì)傾向于被驅(qū)離到遠處，留下來的則富集了不易揮發(fā)的重元素。這個特點在定性上與太陽系中固態(tài)的類地行星離太陽近，氣態(tài)的巨行星離太陽遠的大格局基本一致。按照這個特點，離太陽最近的水星理應有最高比例的重元素。        

        不過，定性上雖能說通，定量上卻還差點。計算表明，由上述因素所產(chǎn)生的“非壓縮密度”只能達到4.5克/厘米3左右，與5.0克/厘米3以上的實際值尚有不小的偏差。為了解釋這一偏差，一些天文學家做出了一個大膽的猜測：猜測水星原本是一個比現(xiàn)在大得多的行星，只是在演化的早期不幸遭遇了一次超級撞擊，撞擊的雙方分別為質(zhì)量約為目前水星質(zhì)量兩倍的“原水星”和一個質(zhì)量約為目前水星質(zhì)量1/5的“大隕石”。這種比形成“卡洛里盆地”的撞擊還要恐怖無數(shù)倍的超級撞擊的后果可就不是什么隕石坑，或“對跖點效應”了，它不僅使“原水星”的成長中途“夭折”，而且還對整個外層造成了毀滅性破壞，大部分物質(zhì)慘遭剝離，使原本正常大小的核心相對于殘存的外層來說變得異乎尋常的大。        

        這種猜測可靠嗎？實在很難說。在太陽系形成的早期，超級碰撞的發(fā)生本身當然不是不可思議的，但對于這種發(fā)生在幾十億年前的災變型事件，想尋找確鑿證據(jù)卻是極其困難的。而這種事件的規(guī)模之劇烈，不定因素之眾多，又使得理論計算注定只能是粗略的。如果一定要對這種難以精密驗證的猜測進行評價的話，也許只能?；卣f上一句“希望與挑戰(zhàn)并存”：這種猜測能定性地解釋諸如超高比例的重元素、“皮薄餡厚”的奇特結(jié)構那樣的特征，從而是有希望的；但它也面臨一些挑戰(zhàn)，比如按這種猜測，水星外層最易被剝離的揮發(fā)性物質(zhì)的含量應該微乎其微，但“信使號”水星探測器卻在水星外層發(fā)現(xiàn)了數(shù)量較多的揮發(fā)性物質(zhì)?？磥?，關于水星的這道側(cè)重物理的難題還有待進一步探索。        

        水星給天文學家們出的另一道側(cè)重物理的難題則是我們前面提到過的水星的磁場。那磁場的強度只有地球磁場強度的1%左右，但強度雖小，它出現(xiàn)在像水星這樣“小塊頭”的行星上卻仍然是出乎意料的。水星的磁場是如何產(chǎn)生的呢？這也是一道難題。        

        關于天體磁場的產(chǎn)生，目前最流行的機制是所謂的“發(fā)電機機制”，它要求天體內(nèi)部存在旋轉(zhuǎn)或?qū)α髦膶щ娏黧w。這對于像地球這樣“大塊頭”的行星或像太陽那樣的恒星來說是輕而易舉就能實現(xiàn)的要求，但對水星來說卻有點麻煩。因為水星的質(zhì)量實在太小了一點，是被假設有可能存在發(fā)電機機制的質(zhì)量最小的天體。質(zhì)量小為什么有麻煩呢？這是因為天體內(nèi)部導電流體的存在需要一個能熔化內(nèi)部物質(zhì)的高溫環(huán)境，而后者的產(chǎn)生又通常有賴于天體“自重”帶來的巨大壓強。因此，發(fā)電機機制對天體質(zhì)量有一定的要求，而像水星這樣質(zhì)量較小的行星似乎難以滿足要求，從而有點麻煩。        

        為了解決麻煩，天文學家們提出了一些假設，比如假設水星內(nèi)部存在較多的放射性物質(zhì)（它們衰變產(chǎn)生的能量有助于實現(xiàn)高溫環(huán)境），或假設存在特殊的隔熱物質(zhì)防止熱量散失（從而有助于維持高溫環(huán)境）。造就高溫環(huán)境的另一種可能的幕后推手是水星所受太陽引力的潮汐作用，這種作用對于像水星這樣離太陽近，而且軌道偏心率大的行星是比較顯著的，它會使水星因形變而產(chǎn)生能量。        

        除了造就高溫環(huán)境外，降低水星內(nèi)部物質(zhì)的熔點也有助于導電流體的存在。這方面的一種假設是認為水星內(nèi)部某些區(qū)域的鐵與其他物質(zhì)（比如硫）組成了熔點較低——從而更容易成為流體——的化合物，比如硫化鐵——它的熔點比鐵低300多度。這種假設有一個額外的好處，就是水星的密度雖然很高，卻也沒有高到鐵的程度，假設一部分鐵與像硫那樣密度較低的元素組成化合物，從密度角度講也有一定的合理性。        

        當然，上述假設并非互相排斥，而是有可能共同起著作用。除發(fā)電機機制外，也有天文學家猜測目前的水星磁場乃是過去曾經(jīng)有過的磁場的殘余。這種猜測的好處是不必假設水星內(nèi)部目前仍存在導電流體，從而不必煞費苦心地為這種存在尋找理由。缺點則是水星的磁場雖然微弱，作為殘余磁場卻似乎又太強了。        

        真正的答案是什么呢？目前還無法知曉。我們確切知曉的是：所有這些有關水星磁場的假設或猜測都有賴于水星內(nèi)部的物質(zhì)分布，而后者又有賴于對水星更詳細的觀測來間接推算。在目前這種觀測數(shù)據(jù)比較匱乏的情形下，推算不出唯一的模型，確立不了模型的可靠性，都是不足為奇的。        

        關于水星我們就介紹到這里，沒有空氣、酷熱、嚴寒……是水星環(huán)境的主要標志，這樣的環(huán)境無疑是“糟透了”，但在行星大世界里，它遠不是最糟糕的——事實上，跟它的鄰居、離太陽次遠的金星相比，水星的環(huán)境就已經(jīng)算不錯的了。