终结神话——星云假说

太阳系的起源对人类来说是一个带有根本性的问题,直到18世纪中叶,经典机械论在这个问题上还存在着两个没能彻底摆脱神学的空白点。一是牛顿力学为了说明太阳系运动的起源,还把“神的第一推动”作为一个必要的前提;二是还受到与天体的摄动、进动有关的天体系统的稳定性问题的困扰,仍然被作为自然界还需要上帝的不断干涉的口实。所以,经典机械现在这个问题上仍需作出改进和发展。

到18世纪,关于太阳系的运动,已经取得了许多重要的观测资料,揭示出了太阳系运动的一些引人注意的重要特点。终结神话——星云假说

一是行星公转轨道的共面性,当时已知的六大行星绕太阳公转的轨道几乎都处于一个平面上,只有水星轨道与这个共同平面有6°左右的倾角;而且这个共同平面以不到6°的偏离与太阳的赤道面相交。

二是行星公转方向的同向性.即所有行星都沿太阳的自转方向绕太阳公转。

三是行星公转轨道的似圆性,即它们的轨道都极接近于正圆形。法国博物学家布丰(1707~1788)从这些事实中推论出,行星的运动一定是由一个共同的原因引起的,他设想我们的太阳系是由彗星与太阳的偶然相遇形成的,彗星从太阳上拉出的一些物质碎片相继形成了六大行星。

在这个时代的思想背景下,德国哲学家康德(1724~1804)提出了太阳系起源的星云假说。1751年,英国人赖特(1711~1786)通过对银河系的观察,认为银河系里的恒星大体分布在同一平面上。这使康德受到启发,想到太阳系和银河系是相似的,银河系作为一个整体也是旋转着的。他由此联想到,当时已发现的许多“云雾状天体”即星云,都是一个个银河系。这样,在1755年出版的《自然通史和天体论》(一般译为《宇宙发展史概论》)中,提出了他的太阳系是由星云演化而成的学说。

康德试图完全根据原子论和牛顿力学原理对太阳系的形成机制作出说明,他说:“我不需要任意的虚构,只要按照给定的运动规律,就可以看到一个秩序井然的整个系统产生出来。”他豪迈地宣称:“给我物质,我将给你们指出宇宙是怎样形成的。”但与牛顿不同,康德认为物质粒子之间除了吸引之外还有一种排斥作用。他说:“我在把宇宙追溯到最简单的混沌状态以后,没有用别的力,而只是用了引力和斥力这两种力来说明大自然的有秩序的发展。这两种力是同样确实、 同样简单,而且也同样基本和普遍。”太阳系的形成过程就“表现在排斥和吸引相互斗争中所引起的那种运动,这种运动好像是自然界的永恒生命。”终结神话——星云假说

康德设想,形成太阳系的原始星云是由无数大大小小的物质微粒组成的;这些粒子不均匀地分布在空间中。密度较大的部分凭借万有引力的作用“从它周围的一个天空区域里把密度较小的所有的物质聚集起来;但它们自己又同所聚集的物质一起,聚集到密度更大的质点所在的地方。而所有这一些又以同样的方式聚集到质点密度更为巨大的地方,并如此一直继续下去”,终于形成了整个星云的引力中心或中心天体太阳。其它物质微粒在引力作用下向中心天体的降落并不都是沿直线进行的,粒子之间斥力的作用,造成了偏离降落直线的侧向偏转;当某一个方向上的偏转运动逐渐占了优势时,就使星云转动起来,并在中心天体周围形成了一个巨大的涡旋;在涡旋中微粒和团块通过碰撞和吸引作用,整个星云逐渐向一个垂直于其转动轴的平面集中,形成一个大致在同一平面上转动的圆盘式结构;圆盘中远近不同的较大的团块吸引其它粒子逐渐形成为各个行星,保持了与中心天体的引力平衡而在不同的轨道上作绕转运动;形成行星的小团块中也通过类似的过程形成行星——卫星系统。这就是康德关于太阳系起源的力学模型,它是当时机械观的产物,虽然包含着宇宙演化的思想。

康德用这个假说很容易地解释了太阳系行星轨道的共面性、近圆性和行星公转的同向性,这是因为行星都是由共同的原始星云形成的旋转圆盘在同向转动中分裂出来的。这个假说还解释了太阳系的密度分布和质量分布,行星轨道的倾角和椭率,以及替星和土星光环的形成等。但是,这个定性的假说并没有引起人们的注意,直到41年后当拉普拉斯更为定量地独立提出类似的假说时,人们才重新认识了康德假说的意义。终结神话——星云假说

1796年,拉普拉斯在《宇宙体系论》中,批判了布丰的太阳系起源说,指出如果像布丰所说行星是从太阳上扯出的碎片形成的,那就应具有大得多的偏心率。他否定了太阳与彗星碰撞的说法,在该书的附录里,他以“保留的态度”提出了太阳系起源的星云假说。

拉普拉斯认为,我们的太阳系起源于一个巨大的、炽热的、而且一开始就在缓慢地转动着的气状原始星云。气体星云大体呈球形,由于不断向外散热而逐渐冷却收缩,根据角动量守恒原理其旋转速度也不断加快。根据旋转体的离心力定律,星云赤道部分物质所受的惯性离心力也最大,于是球形星云的赤道部分将越来越凸出逐渐使星云变成扁平状。当扁平星云外缘部分的物质所受的惯性离心力与星云对它的吸引力相平衡时,这部分物质将不再随星云一起收缩,而与星云分离开来,保持在原来的半径上成为一个围绕星云转动的圆环。继续收缩着的星云主体一次次地重复着上述过程,从而相继形成与行星数目相等的几个气环,星云中心部分则收缩凝聚形成太阳。分离出去的这些气环中的物质,则经过吸引凝聚而形成在各个不同轨道上、然而却在同一平面上并沿同一方向围绕太阳旋转的行星。各个行星的卫星,也是按照同样的过程形成的。终结神话——星云假说

拉普拉斯的这个假说,与康德的假说基本上是类似的,并且都能很好地解释太阳系行星运动的力学特征。不过拉普拉斯的假说更为具体地考虑了太阳系的动力学特征,所以更具有理论的严密性。然而它们都还存在着一些重大的弱点,比如,它们都没有说明“星云是怎样开始旋转起来的”;特别是它们都不能解释“太阳系角动量分布异常”,即占太阳系总质量99.86%的太阳,其角动量却小于整个太阳系角动量的0.6%;而质量只有太阳系总质量的0.135%的行星和卫星,却占了太阳系99%以上的角动量。

康德、拉普拉斯从牛顿力学原理出发所提出的星云假说,虽然具有明显的弱点,20世纪以来也被新的假说所取代,但这个假说却是第一次把太阳系的形成和运动全面归结于自然界物质本身的内部原因的努力,是从力学角度否定“上帝直接插手”太阳系运动的一个大胆的尝试。它不仅有力地推动了自然科学的进步,也为机械论自然观的完全贯彻扫除了一块最大的绊脚石;这个学说最终完全证明了世界不是一个神,而是一架完整的机器。

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