太阳系的稳定，究竟能维持多久？

酷狗e族

1.8‍‍‍‍‍‍‍
知识分子
The Intellectual

Jacques Laskar教授证明太阳系的长期演化是混沌的，精确轨道预测存在内在时间极限。（受访者供图）



撰文｜李明松 赵维杰

●                  ●                   ●

雅克·拉斯卡（Jacques Laskar，1955年生）是著名的法国天文学家和天体力学家，现任法国国家科学研究中心（CNRS）研究主任、巴黎天文台研究员。他的工作显著推动并深化了人类对太阳系长期动力学行为以及地球气候演化背景的认识。


1989年，他从数学上揭示太阳系轨道在长时间尺度上具有混沌特征，是无法精准预测的。他还计算并发布了一系列天文轨道解，为地质年代学中的天文校准奠定了关键基础。凭借这些开创性贡献，他屡获殊荣，当选为法国科学院院士，并有一颗小行星以其名字命名（18605 Jacqueslaskar）。


近年来，他聚焦于AstroGeo研究项目，致力于利用地质记录反演远古天文轨道参数，从而在地质时间尺度上对太阳系行星轨道演化给出更可靠的约束和重建。


2025年12月，《国家科学评论》（National Science Review, NSR）在北京对Laskar教授进行了专访。在采访中，他分享了对太阳系过去、现在和未来的理解，讨论了他的当前研究，并回顾了自己不同寻常的职业生涯——从高中数学教师向科学家的转型之路。


01


太阳系的混沌本性


NSR：如果让你来描述太阳系，把它的演化历史、现有结构、内在特性等都纳入考虑，你脑海浮现出的最鲜明的图景是怎样的？


Laskar：在我看来，太阳系目前所呈现的结构，可以看作是一个长期自组织过程的结果。在形成早期，太阳系中可能存在比今天更多的行星，整体动力学状态非常不稳定，行星之间还会发生碰撞。每次碰撞之后，系统结构都会变得更加稳定，行星轨道相互交叉的概率会降低。


人们通常认为，太阳系历史上最后一次重大行星碰撞事件创造了月球：地球与一个原本位于地球与火星之间的火星大小的天体发生了剧烈撞击。


在一系列碰撞事件之后，太阳系最终进入了一种接近动力学“不稳定边缘”的状态。在这种状态下，行星之间的直接碰撞在短时间尺度上极不可能，但在与行星系统年龄相当的时间尺度上，并不能被完全排除。


1994年，我基于对太阳系长期动力学行为的分析，提出许多系外行星系统可能也处于类似的边际稳定状态。这意味着行星间的碰撞在原则上是可能发生的，但这种可能性主要体现在与行星系统年龄相当的长时间尺度上。这种状态也表明，从动力学角度看，现有的行星系统常常是“满的”，如果再向其中引入额外的行星，很可能会迅速触发不稳定，甚至导致行星碰撞。


NSR：我们对太阳系的认识，可以为寻找其他宜居星球提供哪些启发？


Laskar：1993年，我的研究表明，如果没有月球的存在，地球自转轴的倾角将难以保持稳定，可能会在从0°到90°的范围内无序变化。这意味着，当我们找到一颗位于宜居带的系外行星，还不能说它会是“第二个地球”，因为它很可能没有稳定的自转倾角。因此，要找到一颗像地球这样的行星，并不容易。


另一个需要考虑的问题是，基于现有的观测条件，目前人们主要在小恒星周围寻找系外行星。然而小恒星的宜居带非常靠近恒星，在这种情况下，行星往往容易进入潮汐锁定状态，这意味着它们总是以相同的一面朝向恒星，就像月亮总是以同一面朝向地球一样。尽管这并不意味着这些行星上不可能存在生命，但它们肯定会和地球上的生命很不一样。


NSR：几个世纪以来，人类对太阳系的看法发生了剧变。这个科学历程中的关键步骤或转折点有哪些？


Laskar：这个问题说来话长，我尽量简要总结。1609年，开普勒发表了《天文学新论》，提出行星沿椭圆轨道绕太阳运动。在这种理论中，轨道是固定的，稳定性并不成为一个问题。


稳定性问题被系统化地提出，主要始于牛顿。1687年他提出万有引力理论后，就意识到行星之间的相互引力会导致行星轨道扰动。对于这个问题，牛顿提出过一种带有神学色彩的解释：上帝需要时不时地返回太阳系，把行星放回到“正确的位置”上去。因此在18世纪，质疑太阳系的稳定性就如同质疑上帝的权威。


到18世纪末，拉普拉斯和拉格朗日为行星轨道稳定性提供了一个解释。他们在一阶近似下得到一个重要结果：行星间的相互扰动不会改变行星轨道的尺寸。也就是说，椭圆轨道的形状会缓慢变化并发生进动，但在该近似框架下，这种变化不足以引发轨道交叉和行星碰撞。由此，太阳系的“永恒稳定”又重新获得了保证。


又过了一个世纪，19世纪末，法国数学家亨利·庞加莱迈出了重要的一步。他证明三体问题是不可积的，无法得到解析解。他揭示可能存在非常复杂的运动，初始的微小差异会随时间指数放大——也就是我们今天所说的“混沌”。然而庞加莱虽然揭示了混沌行为的可能性，却并未据此断言太阳系也会是混沌的。在当时的理解中，他倾向于认为潮汐等耗散效应会发挥主要作用，让太阳系保持稳定。


随后，在1954到1963年，俄罗斯数学家科尔莫戈罗夫、阿诺德，以及瑞士数学家莫泽证明：尽管系统不可积，但是对于质量足够小的天体系统，仍有一部分准周期轨道可以长期存在。但正如米歇尔·赫农所示，这一结论仅适用于极小质量的行星——其质量必须小于电子质量，因此该结论难以用于证明真实太阳系的长期稳定性。


下一步就是我在1989年所做的工作。我开发了专用的计算机代数计算工具，把拉普拉斯和拉格朗日的经典解析推广到更高阶，并结合数值积分，对太阳系进行了2亿年的模拟研究。结果显示，太阳系的长期运动并非严格的准周期行为，而是混沌的。混沌意味着微小的不确定性会随时间指数放大，每1千万年不确定性增加一个数量级。所以，如果当前的不确定性是15米，经过1千万年后将放大到150米，这个差异可以忽略不计。但是经过1亿年后，它将放大到1.5亿公里（15×10¹⁰米），相当于从太阳到地球的距离，这就造成了巨大的不确定性。


2008年，我进一步证明太阳系的行星确实有可能发生碰撞。实际上我在1994年就提出了这个想法，但那时使用的是复杂的方法和分析平均方程，并不具有绝对的说服力。直到2008年，随着计算能力的提升，我用“暴力方式”证明了这个问题，相关结果发表于《自然》杂志 [J Laskar et al. Nature 2009; 459: 817–9]。这些计算在很大程度上再现了我1994年的结论，并证明地球有可能在50亿年内与水星、火星或金星发生碰撞。


NSR：展望未来，您认为我们最接近解开哪些太阳系动力学的谜题？哪些方面仍然最难以捉摸？


Laskar：现在我们已经清楚，太阳系在长期尺度上表现出混沌特性。在统计意义上，行星碰撞的概率在50亿年内大约是1%。不过，这主要涉及的是轨道最不稳定的行星——水星。至于涉及地球的碰撞概率，目前仍然缺乏可靠估计，而且可以合理地认为，它要比水星相关的碰撞概率小得多。我认为在原则上这是可以计算的，但仍需要时间和方法上的改进。


另一个关键问题是，如何重建过去大约40亿年中行星轨道的演化，也就是回溯从太阳系大致形成直到今天的整个演化历程。我们可以用统计方法描述这一长期演化过程，但由于混沌行为的限制，目前我们还无法可靠地重建早于6000万年前的行星轨道状态。


02


大海捞针：寻找太阳系的确定过去


NSR：为什么我们很难重建太阳系早于6000万年前的过去状态？


Laskar：从理论上讲，如果我们拥有完全精确的当前行星轨道参数，并且具备无限精密的数值积分方法，那么原则上可以在任意时间尺度上回溯并得到唯一的行星轨道解。但实际上，这是做不到的。


在2011年的一项研究中，我证明主要的限制因素来自几颗最大的小行星所引起的扰动，尤其是谷神星和灶神星。它们自身的轨道演化是混沌的，其微小差异可以在不到5万年的时间尺度上迅速放大10倍。这种不确定性的累积，使得行星轨道的可靠可预测时间尺度被限制在大约6000万年左右。


这个限制是很难突破的。实际上，即使我们将初始条件和模型精度大幅提升，在可追溯时间尺度上的改善也极其有限。比如把初始条件和模型的精度都提高1000倍，从米级提高到毫米级，我们也只能在预测上前进15万年，也就是说将预测精度的边界从6000万年推向6015万年。这意味着，大约6000万年的预测极限确实是内在的，它源于系统中多体相互作用的混沌性质，而不仅仅是初始条件精度不足所造成的。


然而，如果我们能够获得一些关于行星过去位置的额外信息，就有可能在一定程度上突破这一极限。不幸的是，恐龙中没有天文学家，它们没有记录过行星的位置；但幸运的是，这些信息以另一种方式被间接地保存了下来——它们被印刻在沉积记录之中。


基于20世纪10到20年代的工作，塞尔维亚科学家米卢廷·米兰科维奇于1941年完成了系统的轨道气候计算，并提出了《日照法典》，阐明轨道变化如何重塑太阳辐射的时空分布，从而影响地球过去的气候。1976年海斯、英布里和沙克尔顿的开创性研究告诉我们，轨道变化的信号可以在沉积记录中被识别出来。


现在，我们正试图利用这些沉积信息来约束过去太阳系的演化。这是一个极具挑战性的任务，因为它需要质量极高、时间跨度足够长的沉积序列，而这样的记录并不多。在许多地质时间区间内，往往只有一条可用的高质量沉积记录，而这是不够的。我们需要多条相互独立的高质量记录相互印证，以削弱局地事件和各类非轨道过程带来的噪音，从而更有说服力地恢复出天文信号。


因此，现在我们真正需要的是长时间序列的高质量沉积记录。我希望在未来10年左右，我们能够较为可靠地重建出太阳系过去约1亿年的演化历史，而下一步的目标，很可能是将这一时间尺度推进到整个中生代，大约2.5亿年。

雅克·拉斯卡教授与武于靖博士后在德国不来梅岩心库合影，这里保存的大洋钻探项目岩心可用于重建轨道参数。（受访者供图；摄影：不莱梅大学Thomas Westerhold博士）


NSR：您能简要介绍一下AstroGeo项目吗？经过几年的工作，它在哪些方面改变了我们对太阳系演化和过去气候的认知？


Laskar：在过去三十多年里，地质学家们广泛使用我的天文轨道解来建立地质记录的时间标尺。我从许多年前就开始思考，保存在沉积记录中的天文信息是否可以反过来作为一种“天文观测”，用以约束轨道解决方案，从而尝试突破6000万年的可预测极限。这正是我开展AstroGeo项目的动机。


我直到2020年才真正启动这个项目，因为它涉及天文学、地球科学和数学等多个学科，跨度非常大。一开始我有些犹豫是否要让学生投身这一方向，因为我担心这样高度跨学科的研究会让他们在毕业后难以找到对口的工作。


最终决定推进时，我同时申请了欧洲和法国的资助项目，并成功获得了二者的资助。令我惊讶的是，11位评审专家对AstroGeo项目给出了非常积极的反馈。我没有想到会得到如此一致的支持。


在项目申请书中，我提出了几个主要的科学目标，而在实际推进过程中，我们已经在至少两个方向上取得了超出最初预期的进展。


第一个方向涉及地球-月球系统的演化。阿波罗样品表明月球形成于大约45亿年前，而从月球当前的远离速率计算的月球年龄只有15亿年。这种差异困扰了研究者将近半个世纪。在AstroGeo的项目申请书中，我说我们会努力在这一方向上取得进展，而令我感到意外的是，我们事实上已经解决了这一问题。我们提出了一种在物理上自洽的演化框架，将月球的形成年龄与其当前轨道状态统一了起来 [Farhat et al. Astronomy and Astrophysics 2022; 665: L1]。虽然这未必是最终答案，但它显著改变了人们对这一问题的看法，目前也已被广泛引用，尤其是在地质学家研究数十亿年前的古老沉积记录时，常被用作参考背景。


AstroGeo的另一个重要进展，是我们开发了一套名为AstroGeoFit的工具，它可以在不直接依赖现有天文轨道解决方案的情况下，从地质沉积记录中提取天文信息 [Hoang N et al. Paleoceanogr Paleoclimatol 2025; 40: e2024PA005021]。这使我们能够从数据中定量地约束地球轨道参数，从而为重建更长时间尺度的演化历史带来新的可能性。此外，随着相关论文的发表，我们已将AstroGeoFit以开源Python包的形式发布，使研究者能够直接使用这一方法（www.astrogeo.eu）


NSR：对于太阳系轨道的过去，您现在有几千个解，您想从中找到最精确的一个吗？


Laskar：由于系统本身的混沌行为，我们现在有几千个可能的轨道解，这些解在6000万年之后差异很大。我们当然希望能够从中识别出一个最符合地质与天文证据的演化解，用来代表太阳系真实的过去。


这是一个真正的挑战。预测未来是简单的，因为没有人知道未来会怎样；而对于过去，人们能够找到证据，来判断哪些轨道解是可信的，哪些并不成立。


NSR：太阳系还处于更宏大的银河系中。我们能计算太阳系所受的外部影响吗？


Laskar：我们知道太阳在银河系中的运动大致可以分解为两个部分：它绕银河中心的公转，周期大约为2亿年；同时还伴随一个垂向振荡，周期大约为7000万年。但即便有了盖亚卫星以及其他观测资料，太阳在银河系中的精确运行轨道仍然是未知的。因此，目前还很难可靠地判断这些银河尺度的运动如何在地质沉积记录中留下可识别的印记。


我也曾尝试调整一个银河动力学模型的参数，尝试将太阳在银河系中的运动与海平面变化的地质记录对应起来。但在我们获得太阳在银河系中运动的更精确参数之前，这类尝试仍然只是推测性的。


03


天体力学的方法论


NSR：您认为人工智能（AI）和其他新的计算方法将在天体力学和行星动力学中发挥变革性作用吗？


Laskar：我认为AI确实可以发挥一定作用，尤其是在沉积数据这类高维、复杂数据的分析方面。在AstroGeoFit中，我们已经引入了一些基于机器学习和统计学习的方法。在天体力学领域，我知道目前也有一些将AI方法引入其中的尝试，但这并不是我最熟悉的方向。


NSR：如果您突然拥有十倍的计算资源，您会首先尝试解决什么问题？


Laskar：实际上，在我的研究经历中，计算资源并不是真正的限制因素；更困难的往往是如何以正确的方式来提出和解决问题。当我第一次展示太阳系具有混沌特性时，只用了100小时的计算时间。而对于具有指数发散特性的混沌系统而言，单纯将计算资源提高一个数量级，通常只能带来非常有限的改进，难以从根本上改变我们能够回答的问题。


NSR：您的大部分工作都涉及计算机模拟，但您有做过实验吗？


Laskar：有的。大约在2000年前后，我和当时的博士生Alexandre Correia一起研究了金星的自转问题。我们尝试建立金星大气热潮的模型，但最初的模型并不完全令人满意。几年后，我在自家的花园里搭建了一个不错的气象观测站，连续记录了一整年、以分钟为时间分辨率的大气压数据。随后，我将这些数据按一个太阳日进行相位折叠，并对随机的天气波动进行平均处理，最终得到了一条非常平滑的曲线，可以清晰地反映大气太阳潮的信号。在此基础上，我让另一名博士生继续深入分析这些结果，我们也由此发展出了一个更加合理的模型[Auclair-Desrotour et al. Astronomy and Astrophysics 2017; 603: A108]。


我始终更关注要解决的科学问题本身，而不是拘泥于具体采用哪一种方法。对于我关注的问题，我会利用一切合适的方法来找到答案。


04


回顾与建议


NSR：您的科研之路是一帆风顺的吗？是否遇到过一些重大挑战？


Laskar：事实上，我的学术道路并不平坦。在获得我的第一个数学硕士学位后，我成为了一名高中数学教师，而且也觉得这是一份不错的工作。但过了一段时间，我觉得自己不能就这样教一辈子书，于是开始在业余时间学习心理学。我发现心理学很有意思，并开始想要改行做一名精神科医生。如果只是要取得心理学学位，我完全可以在教书的同时完成；但是要进入医学院学习的话，就必须要辞职了。为了能够全职学习，我需要一份收入来源。我想要通过教授一些高薪数学课程来挣一些钱，但这类岗位通常要求通过数学的“家教资”（即法国最高级别的国家教师资格认证）。我决定先通过这项考试，于是重新回去学习数学。正是在这个过程中，我发现科研本身是一件非常令人愉快的事情。在通过法国家教资后，我又攻读了天文学与天体力学的第二个硕士学位，随后开始了我的博士生涯。


因为我大学读的早，加上18个月就拿到了博士学位，所以尽管我曾有三年的高中教学经历，但仍在29岁时就获得了博士学位。


NSR：18个月拿到博士学位，这效率真是惊人。


Laskar：是的，主要是因为我当时很有动力。在攻读第二个硕士学位期间，有两件事对我的触动很大。第一件事是意识到三体问题是无解的。第二件事是，我发现我从数学背景中接触到的思想，与当时天体力学的教学内容之间存在明显鸿沟，天体力学研究在方法和观念上非常陈旧。我真的很想弥合这一鸿沟。


当时天体力学在某种程度上是一个“尘封”的领域，许多人认为其中已经不会再有什么重大发现了。但我对这个领域非常感兴趣，我想：“好吧，那我就拿起扫帚，把这些灰尘都扫掉。”如今，人们的说法已经和当初截然相反，他们会说我很幸运能够在这样一个重新变得充满活力和挑战的领域中开展研究。


NSR：高中教师的经历对您的研究有帮助吗？


Laskar：有的。当你给小孩子们上课时，你必须设法引起他们的兴趣。这并不容易，尤其是在数学这样的学科中。因此，我逐渐学会在表达时始终考虑听众的背景和理解方式。这也是我现在仍然在努力做的事情。与此类似，心理学的学习过程也对我很有帮助。


NSR：您会给年轻研究人员什么建议？


Laskar：根据我自己的经验，我会说，找到一个你真正有热情投入、充满动力的方向非常重要。因为这会让你不在意他人的评价，也不在乎它是否恰好是当下最热门的研究方向。最重要的是，保持走出熟悉路径、探索未知领域的意愿。


我有时将科学研究比作登山。有些人可能在室内攀岩墙上训练有素，甚至在受保护的户外环境中也能应对自如。但是真正的登山，尝试走向那些人们认为难以到达的地方，完全是另外一回事。这并不意味着你一定要选择一条最艰难的登山路线。做“好研究”的关键点之一，就是要敢于探索这些尚无人涉足的“山峰”，并努力找到一条能够登顶的路径。

北京大学博士研究生张小宇在翻译稿校对过程中提供了帮助
本文是NSR Interview文章“Exploring the Chaotic Future and the Deterministic Past of the Solar System: An Interview with Jacques Laskar”的中文版本。


英文原版见：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag002

gzcom520

太阳系混沌本质揭示，精准预测难，探索未知需勇气

walysj

这个我估计不用太担心，因为人类早在太阳系不稳定之前就灭绝了

gzcom520

如果那天太阳突然不见了，人类还能存在多见。

陪着寂寞看孤单

只能推测到六千万年，说明混沌理论体系在计算方法估计很复杂还需要提高。

wifai

人生大计教育之本，人以食为天人生物！

meto

环保环境，清除垃圾，卫生实众。

walysj

人类相互战争，导致经济发展停滞，可能让人类永远离不开地球。

superjiaming

吃饱了撑的，闲得慌。人类还能存在地球多少年呢？太阳系完蛋，可恶的人类世界等不到那一天。

诛仙九妹

太阳寿命 100 亿年，现在已经用了 50 亿年，所以太阳系稳定还剩五十亿年。