本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
上週六，在基礎問題研究所組織的一個研討會上，諾貝爾物理學獎得主傑拉德·特·胡夫特就現實的深層本質做了一些非正式的評論。在尋找基本物理學對稱性的類比時，他要求與會者想象一下，如果突然交換地球和火星，我們的太陽系會發生什麼。他接著討論了他解釋量子力學的想法，但我卻無法擺脫他的問題。到底會發生什麼？
顯然，火星人會對新的安排感到高興。火星溫度的適度升高將融化極地冰蓋，並從土壤中釋放氣體，使火星氣候轉變為一個新的、更舒適的狀態，幾乎與地球一樣溫暖。在1999年我們的一篇文章中，行星科學家克里斯·麥凱設想透過建造工廠來排放溫室氣體來改造火星——證明了一個人的毒藥是另一個人的靈藥——但將這顆行星移近太陽肯定也會奏效。地球人將遭受損失。陽光強度將減半，地球將會凍結。從好的方面來說，我們的年齡會立即減少一半。
不過，從長遠來看，你可能會認為什麼都不會改變。根據開普勒定律，行星的質量對其軌道幾乎沒有影響；太陽的質量才是控制因素。即使地球比火星重10倍，它仍然會沿著火星的舊軌跡執行。火星和地球都在不斷地向太陽墜落，所有墜落的物體都以相同的速度墜落。
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但是，開普勒定律沒有考慮到行星之間相互施加的微妙的引力攝動。透過重新排列行星，你會擾亂這些攝動，而且會發生什麼並不明顯。所以我向亞利桑那大學的行星物理學家雷努·馬爾霍特拉提出了這個問題，她是第一批認識到行星在太陽系早期遷移的科學家之一。她的初步猜測是，地球的接近會稀疏小行星帶，但行星的軌道不會變得不穩定，至少不會立即如此。她提出進行計算機模擬來檢查。
結果有點令人驚訝。行星的互換使內部太陽系變得非常混亂。儘管在最初的1000萬年內沒有一顆內部行星被丟擲太陽系，但它們的所有軌道距離都發生了很大的變化。有時，火星會向內傾斜，成為離太陽第二近的岩石行星。為了捕捉這些變化，馬爾霍特拉發現她必須在模擬中使用比她預測的更小的時間增量，因此每次計算機執行都需要將近一天才能完成。
為了加快速度，她嘗試忽略水星——這是微擾計算中的標準做法，假設水星太小，它的引力無關緊要。但事實並非如此。沒有水星，其他三顆內部行星在幾百萬年內就變得混亂不堪。火星被射入深空。對水星缺失的敏感性進一步證明，改變後的系統將非常混亂。
左邊的圖表顯示了真實的太陽系。對於每顆行星，馬爾霍特拉繪製了軌道距離的範圍：近日點（最接近太陽的點）、遠日點（最遠點）和半長軸（中點）。正如皮埃爾-西蒙·拉普拉斯在18世紀後期所展示的那樣，我們的太陽系是穩定的。半長軸是恆定的，軌道的形狀在從數萬年到數百萬年的各種週期中發生適度的變化。
下一個圖表顯示了改變後的系統。注意每顆行星的軌道距離範圍變得有多寬。對於地球來說，這是因為它現在更接近木星；對於火星來說，則是因為它是中間的“猴子”。金星幾乎沒有變化，而水星則像乒乓球一樣被擊打。馬爾霍特拉的模擬還包括了外行星，但我把它們省略了，因為它們就像什麼都沒發生一樣緩慢地移動。
這些結果支援了我們幾年前在我們的頁面中討論的道格·林提出的新興觀點，即太陽系生活在混亂的邊緣。它在形成的早期可能是不穩定的。行星被重新洗牌或丟擲，直到倖存者的軌道間距足夠大。任何重大變化都會再次將系統推向邊緣。這類似於咖啡杯。如果你看到一個正好裝滿到邊緣的杯子，你可以合理地得出結論，有一些咖啡灑到了杯子外面，而你對杯子做的任何事情都可能會灑出更多。
馬爾霍特拉過去曾支援這種觀點，但她警告說，太陽系比其年齡可能暗示的更穩定，因此整個問題仍未解決。“這難道不是很有趣嗎？”她寫信告訴我。“正是這種事情吸引了我去研究行星動力學。”
圖片由NASA提供；圖表由雷努·馬爾霍特拉提供
