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第8章 拉普拉斯的星云说(2)

2.我不需要那样的假设

1796年,拉普拉斯出版了《宇宙体系论》。他根据在巴黎综合工业学校等处的讲稿,整理出了这本历史性名著,在自然科学界和哲学界都产生了巨大影响。在书中的附录七上他提出了星云假说,书中阐述了他对于从分子到整个宇宙的看法。该书在他的生前已经出过5版。1835年出版了第六版,那时拉普拉斯已经辞世8年了。在第六版的序言上,编者说:“作者正在阅读本书第六版校样时突然逝世。在这个新版本里已经由他编入了几个附录。当他患病的最后几日,他还在修改校样,可是这一工作并没有做完。”拉普拉斯没有亲眼看到这本书第六版的正式出版。

《宇宙体系论》全书包括5篇和7个附录,在附录七中,拉普拉斯提出了星云说,他之所以要把这个理论放在附录中,是因为他认为星云说不是通过观测或计算得到的结论,而是一个假说。

在《宇宙体系论》中,拉普拉斯认为,虽然行星系各个成员的表现有许多不同,比如,太阳系中的地球、火星、海王星等行星,它们在形状大小和组成物质的密度上都有很大差别,但是它们之间却有着某种关系,由这种关系,我们可以找出它们的起源。如果仔细考察,会发现许多相同之处,比如太阳系的行星按相同的方向,由西向东运行,而且几乎都在一个平面上绕太阳运行;卫星运动的方向与行星相同;行星、卫星和太阳的自转运动与行星公转方向一致,而且它们的赤道面也相近。拉普拉斯认为,这些奇特的现象绝不可能是偶然形成的,形成这么一致的现象的概率,为200万亿分之一,也就是说宇宙如果随意地起源200万亿次,形成我们现在这样的太阳系的可能性只有一次。这样奇特的现象连牛顿也感到无法解释,“这种美妙的现象”,“只能是一位全智全能的上帝来创作。”拉普拉斯全力反对牛顿的错误观点,认为没有上帝的安排,这后面只有自然规律的支配。

拉普拉斯认为,太阳系是由一个气体星云收缩形成的。他说,开始有一个球形的比今天的太阳要大得多的星云,温度很高,缓慢地自转着。后来,星云逐渐冷却而且收缩,星云收缩时转动速度越来越快,离心力也越来越大,星云越来越高。到一定时候,这个巨大的星云的赤道边缘就不再运动而分离出一个旋转气体环。随着星云的继续冷却和收缩,这个过程一次又一次地重演,便逐渐形成了和行星数目相等的多个气体环,各环的位置大致就是今天各行星的位置。

星云中心部分,则收缩成太阳,在各个气体环内,物质的分布不是均匀的,密度较大的部分把密度较小的部分吸引过去,逐渐形成了一些气团,在大致相同的轨道上绕太阳转动。小气团又集聚成大的气团,最后结合成行星。而卫星的形成,则在小一规模上进行。体积比较大的行星在冷却收缩时又可能重复气环分离收缩的过程,于是形成行星的卫星系统。像我们人类居住的地球,月亮在环绕地球运行,月亮就是地球的卫星。地球只有一个卫星,而木星有很多个卫星。

拉普拉斯认为,星云开始时温度很高,由于冷却才收缩。现代科学研究发现,星云并不热,温度平均只有-173℃—-263℃。可见收缩不是由于冷却而是由于自吸引发生的,星云越收缩,温度越高。

虽然康德与拉普拉斯在太阳系由“原始星云”发展而成这一点上是一致的,但是在对“原始星云”是由什么东西组成上观点并不相同。康德认为原始星云是弥散的固体微粒,而拉普拉斯则认为原始星云是一些非常灼热的气体云,拉普拉斯的星云说比康德的星云说有以下几点进步。

首先,康德的斥力概念是错误的。斥力不会导致质点团绕太阳公转,更无法说明形成的行星都以同一方向绕太阳公转。而拉普拉斯假设星云在自转,因而显得合理、自然。其次,拉普拉斯在讨论太阳系起源的过程时,明确提出了温度的变化,尽管温度由热变冷的过程是错误的,但对于温度变化产生影响的考虑超越了以往只考虑力的影响的范围。第三,拉普拉斯的唯物观点更加彻底。

曾经有这样一个传说:拉普拉斯在完成《天体力学》这部巨著之后,把书献给拿破仑,有人告诉拿破仑说,这本书没有提到上帝的名字。拿破仑是一个喜欢故意为难人的君主,他想惹恼拉普拉斯,责备他犯了一个明显的错误:“你写了这本世界体系的大书,却一次也没有提到宇宙的创造者。”拉普拉斯立即反驳说:“陛下,我不需要那样的假设。”

《宇宙体系论》全书包括篇和7个附录。前6个附录都是天文学史补充。其中附录一谈到中国古代周公测量的某些结果,附录六介绍过去观测的结果,其中还提到周公和郭守敬的结果。

在书中第五篇讲了“天文学史纲要”,介绍天文学的发展过程,其中反映了拉普拉斯的两个观点:一是天文学同其他学科一起并肩发展,它和数学、力学发展较快;二是在天文学的发展过程中真理和谬误交织在一起,天文学在不断淘汰谬误中发展。他说,天文学发展有3个主要时期:哥白尼以前,天文学家了解天象提出假说的时期;哥白尼的天文学革命到牛顿提出一些定律的时期;牛顿以后是第三时期,找到了万有引力是天体运动的原因,并用它解释一切天文现象。

对宇宙,拉普拉斯提出了一些观点,他认为,太阳系边界应比现在所知更远,还有更多的行星和卫星。在拉普拉斯生活的时代,人们只知道太阳系有7颗行星,最远的一颗是天王星。这个推断被后来的科学观测所证实。他还认为,地球并不特殊,其他行星、其他行星系中都可能有生物,有适于它们生存的环境;太阳系和恒星都有起源,我们不能不懂装懂,不要为了自我安慰而去找原因,他对牛顿因不能解释行星轨道规律而认为是“上帝所作”的解释极为反对。

3.我们不知道的无限

拉普拉斯不仅在天文学方面有突出的成就,对数学的发展,也做出许多贡献。他一生共研究了100多个课题,写出专题报告和论文276篇,长篇专著共7卷。

拉普拉斯不仅做研究工作,而且在科学管理和培养人才方面,也做了一些工作。

在法国大革命以前,度量衡系统很混乱,人们在生活、工作中普遍用不同的度量单位,十二进制和十进制混用。混乱的度量单位不利于科学的发展,为了改变这种状况,巴黎科学院在1789年6月成立了以拉普拉斯和拉瓦锡(A.L.Lavoisier,1743—1794)为首的“度量衡委员会”来研究制定公制系统,最后确定了长度单位,他们根据从法国敦刻尔克到西班牙巴塞罗那的大地测量结果,正式决定长度单位“米”为巴黎子午线全长的四千万分之一,然后用十进制确定厘米或者分米等更小的单位和更大的单位。这个长度单位比过去用秒摆定义长度要更加科学可靠,这套公制系统一直沿用至今。

在学术界,拉普拉斯有时也表现出对科研新人的慷慨。有一次,一位青年在巴黎科学院宣读一篇论文,是他经过几年的努力研究的成果。在宣读论文的时候,拉普拉斯正好也在场。当这位青年讲完下来坐回座位时,拉普拉斯把他叫到一边,给他看一份他自己还没有发表的发黄的旧手稿,而研究成果是完全相同的。可见,拉普拉斯比这个青年更早发现了结果。可是,拉普拉斯却非常神秘地告诉这位青年要保守秘密,接着干下去,并发表著作,自己不会和他争发明权。据说,这样的事发生在拉普拉斯身上不止一次。他对待科研新人非常热情。

拉普拉斯在法国大革命爆发后积极参加政治活动,1793年,国民议会宣布解散巴黎科学院,拉普拉斯等一批科学家遭到清洗。据说拉普拉斯逃脱了断头台,仅仅因为他被征召去为大炮计算弹道,并帮助指导制造用于火药的硝石。在遭到清洗前,拉普拉斯带着全家逃离巴黎,直到1年后才回来。

在法国大革命之前,拉普拉斯曾被任命为皇家炮兵学校考官。1785年对拉普拉斯是非常重要的一年。首先,拉普拉斯在这一年晋升为科学院士。其次,这一年一名16岁的少年考入皇家炮兵学校,拉普拉斯作为考官对这名考生进行了考试,这名少年就是后来在法国称帝的拿破仑。这改变了拉普拉斯的生活。

拿破仑非常重视拉普拉斯这位昔日的考官。雾月政变后,拿破仑成为法国最高执政官。很快,拉普拉斯被任命为内政部长,在当时,内政部的职责是处理经济和警务以外的全国国内事务。可见,拉普拉斯的地位和权力是非常高的。拉普拉斯尽管是一个优秀的科学家,但是他做行政工作却非常糟糕,拉普拉斯积极参与政治为后人留下不好的印象,在担任了6周的内政部长之后,拿破仑认为他不适宜任行政官员,又提名拉普拉斯为上议院议员,并于1803年当选为议长。拿破仑给予拉普拉斯最高的俸禄,年收入超过10万法郎。在拿破仑称帝后,拉普拉斯又被封为伯爵。1827年3月,拉普拉斯78岁的时候去世,在他最后的日子里,他反复背诵一句话:“我们知道的不多,我们不知道的无限。”

4.没有结尾的故事

科学在不断地发展,人类社会在不断地进步,尽管现在的我们在回顾过去,看几百年前科学家的新发明、新发现的时候,可能会感到简单,会感到可笑,会看出许多的不足,可是我们却不能不敬佩他们对他们所从事的事业的热爱,不能不敬佩他们敢作敢为,敢为天下先的智慧和勇气。伟人已去,思想犹存。他们的思想不断启发后人的思想,推动社会不断发展进步。

康德和拉普拉斯虽然已经化作泥土,但是他们提出的太阳系演化假说,蓬勃发展。到现在,太阳系演化假说已达100个以上。

19世纪末以前,牛顿的经典力学体系在天文学上取得了极大的胜利,使天文学的研究发展到一个比较高的层次。牛顿的经典力学体系是建立在绝对时空观的基础上的。按照牛顿的观点,绝对的时空观就是不管空间还是时间,它们都是与外界事物无关的。时间,由于其本性而在均匀地流逝;空间,也由于其本性永远相同和不动。牛顿的绝对时空观割裂了时间、空间,物质和物质运动内在的联系,存在着缺陷。德国物理学家爱因斯坦(AlbertEinstein1879—1955)分别在1905年和1915年创立了狭义相对论和广义相对论,带来了时空观念的深刻变革,它彻底破除了绝对时空观。爱因斯坦曾风趣地说:“以前大家相信,要是宇宙间一切物质都消失了,那就留下了时间和空间。但是,根据相对论,物质消失了,时间和空间也就跟着一起消失了。”时空观念上的革命,也带来了天文学方法上的变革,使一批科学家根据相对论探讨宇宙的起源和结构。

尽管目前已有上百个关于太阳系演化的假说,但是要彻底圆满地解释宇宙以及太阳系各种各样现象的起源,还需要几代甚至几十代科学家们的共同努力,“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”,不畏艰辛的探索者通过努力,一定会找到正确的答案。

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