本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
上周六，在基础问题研究所组织的一个研讨会上，诺贝尔物理学奖得主杰拉德·特·胡夫特就现实的深层本质做了一些非正式的评论。在寻找基本物理学对称性的类比时，他要求与会者想象一下，如果突然交换地球和火星，我们的太阳系会发生什么。他接着讨论了他解释量子力学的想法，但我却无法摆脱他的问题。到底会发生什么？
显然，火星人会对新的安排感到高兴。火星温度的适度升高将融化极地冰盖，并从土壤中释放气体，使火星气候转变为一个新的、更舒适的状态，几乎与地球一样温暖。在1999年我们的一篇文章中，行星科学家克里斯·麦凯设想通过建造工厂来排放温室气体来改造火星——证明了一个人的毒药是另一个人的灵药——但将这颗行星移近太阳肯定也会奏效。地球人将遭受损失。阳光强度将减半，地球将会冻结。从好的方面来说，我们的年龄会立即减少一半。
不过，从长远来看，你可能会认为什么都不会改变。根据开普勒定律，行星的质量对其轨道几乎没有影响；太阳的质量才是控制因素。即使地球比火星重10倍，它仍然会沿着火星的旧轨迹运行。火星和地球都在不断地向太阳坠落，所有坠落的物体都以相同的速度坠落。
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但是，开普勒定律没有考虑到行星之间相互施加的微妙的引力摄动。通过重新排列行星，你会扰乱这些摄动，而且会发生什么并不明显。所以我向亚利桑那大学的行星物理学家雷努·马尔霍特拉提出了这个问题，她是第一批认识到行星在太阳系早期迁移的科学家之一。她的初步猜测是，地球的接近会稀疏小行星带，但行星的轨道不会变得不稳定，至少不会立即如此。她提出进行计算机模拟来检查。
结果有点令人惊讶。行星的互换使内部太阳系变得非常混乱。尽管在最初的1000万年内没有一颗内部行星被抛出太阳系，但它们的所有轨道距离都发生了很大的变化。有时，火星会向内倾斜，成为离太阳第二近的岩石行星。为了捕捉这些变化，马尔霍特拉发现她必须在模拟中使用比她预测的更小的时间增量，因此每次计算机运行都需要将近一天才能完成。
为了加快速度，她尝试忽略水星——这是微扰计算中的标准做法，假设水星太小，它的引力无关紧要。但事实并非如此。没有水星，其他三颗内部行星在几百万年内就变得混乱不堪。火星被射入深空。对水星缺失的敏感性进一步证明，改变后的系统将非常混乱。
左边的图表显示了真实的太阳系。对于每颗行星，马尔霍特拉绘制了轨道距离的范围：近日点（最接近太阳的点）、远日点（最远点）和半长轴（中点）。正如皮埃尔-西蒙·拉普拉斯在18世纪后期所展示的那样，我们的太阳系是稳定的。半长轴是恒定的，轨道的形状在从数万年到数百万年的各种周期中发生适度的变化。
下一个图表显示了改变后的系统。注意每颗行星的轨道距离范围变得有多宽。对于地球来说，这是因为它现在更接近木星；对于火星来说，则是因为它是中间的“猴子”。金星几乎没有变化，而水星则像乒乓球一样被击打。马尔霍特拉的模拟还包括了外行星，但我把它们省略了，因为它们就像什么都没发生一样缓慢地移动。
这些结果支持了我们几年前在我们的页面中讨论的道格·林提出的新兴观点，即太阳系生活在混乱的边缘。它在形成的早期可能是不稳定的。行星被重新洗牌或抛出，直到幸存者的轨道间距足够大。任何重大变化都会再次将系统推向边缘。这类似于咖啡杯。如果你看到一个正好装满到边缘的杯子，你可以合理地得出结论，有一些咖啡洒到了杯子外面，而你对杯子做的任何事情都可能会洒出更多。
马尔霍特拉过去曾支持这种观点，但她警告说，太阳系比其年龄可能暗示的更稳定，因此整个问题仍未解决。“这难道不是很有趣吗？”她写信告诉我。“正是这种事情吸引了我去研究行星动力学。”
图片由NASA提供；图表由雷努·马尔霍特拉提供
