在十八世纪,天文学家除了知道刻卜勒的行星运动三定律和牛顿的万有引力定律以外,还知道太阳系所有主要行星围绕太阳运动的轨道都近似地处在一个平面里;所有主要行星围绕太阳转动的方向都相同;主要行星的自转方向都是逆时针的(有少数例外),太阳自转方向也是逆时针的;各行星之间的距离,随着它们同太阳距离的增加而增大;各主要行星的密度随着同太阳距离的增加而减小,而质量却随着距离的增加而增加;卫星绕行星运动的情况同行星绕太阳运动的情况相象。为什么太阳系的行星运动有这么多的共同特点呢?单从天文观测中是找不到答案的,要回答这个问题,不但要有天文和力学知识,还要有哲学思想。
一、康德提出星云假说
十七世纪和十八世纪,关于宇宙是永恒不变的形而上学观点束缚了科学家的思想,他们很少去思考太阳系或者宇宙的起源,没法回答上面的问题。首先给出答案的不是科学家,而是德国哲学家康德(1724-1804)。
德国的哲学独树一帜。和以牛顿为代表的机械唯物主义不同,菜布尼茨等人发展了辩证法。菜布尼茨是柏林科学院的第一任院长,他的哲学思想基本上是唯心主义的。他不同意牛顿的绝对时空观,认为空间是和物质不可分割的。他还认为现在的东西孕育着未来的东西,有发展进化的思想。康德继承和发展了菜布尼茨等人哲学中的辩证因素。
康德出生在一个手工业者家庭,在哥尼斯堡读完中学和大学。他大学毕业以后当了八年家庭教师,利用空余时间大量阅读各种书籍,他的主要科学成就是在这个时期取得的。后来,他在哥尼斯堡大学讲授哲学、数学、物理学、地理学、人类学和自然通史等课程近三十年。康德非常关心自然科学的发展,坚决反对形而上学观点。
1750年,英国天文学家赖特(1711—1786)发表了关于银河系的论文;稍早些时候,法国数学家、天文学家莫泊丢(1698—1759)的论文中谈到过“云雾状星体”的情况。康德根据当时已有的科学知识,在前人思想的启发下,大胆探索天体起源问题。1755年,三十一岁的康德发表了《自然通史和天体论》(中译本叫《宇宙发展史概论》),首先提出太阳系起源的星云假说。
星云假说的基本思想是:太阳系里现有的天体都是从宇宙空间的原始星云演化过来的,演化过程主要受万有引力和斥力的作用,服从力学规律。康德设想了原始星云演化的具体过程。宇宙空间最初充满了细小的物质微粒。在万有引力作用下,密度比较大的微粒把附近密度比较小的微粒吸引过来,聚集在一起,逐渐形成巨大团块,成为引力中心。在微粒之间还有斥力(这是根据哲学观点设想的一种力),有些向引力中心运动的微粒,在斥力作用下,会围绕引力中心做圆周运动,这种微粒在吸引周围微粒过程中不断成长。引力中心体形成太阳,在引力中心不同距离地方的聚集物形成行星,行星周围可能形成卫星。康德曾经说过,只要给我物质,就能够造出宇宙来。
根据上面的假说,康德解释了太阳系天体所具有的某些特点。他认为在引力中心周围旋转的物质,逐渐集中到同转动轴垂直的平面,形成圆盘状结构,所以最终形成的行星差不多都在一个平面上。由于太阳引力把比较重的微粒吸引到比较近的距离,所以离太阳近的行星密度比较大。由于离太阳远的行星是由在半径比较大的圆周上运动的比较多的微粒聚集成的,所以质量比较大。他还解释了土星的光环现象和彗星的轨道形状。最后,康德把原始星云形成太阳系的假说推广到其他恒星系。
康德的早期著作虽然反映了一些朴素的唯物主义和辩证思想,但是他后期的著作反映了唯心主义思想。德国的唯心主义哲学家把原子论看作是唯物主义的支柱,为了和原子论相对抗,提出“动力论”。按照“动力论”,第一性的东西不是物质,而是某种“纯力”。1786年,康德在《自然科学和哲学原理》一书中阐述了他的“动力论”观点,否认原子的存在。康德是最著名的唯心论的先验论者,他是德国最有影响的哲学家之。
二、拉普拉斯发展了星云假说
康德的星云假说基本上是定性叙述,存在一些难以说明的问题。例如,从力学原理分析,太阳应该旋转得比行星更快,可是实际上不是这样。康德提出的星云假说没有受到科学界的重视。直到法国数学家拉普拉斯在独立研究的基础上,重新提出星云假说,并且用力学原理和数学方法加以论证,才引起科学界的重视。
十八世纪后半期和十九世纪初,法国产生了三位世界著名的数学家。拉格朗日创立了变分法,并且把微分方程系统化了。他还解决了三体(象太阳、地球、月亮)在万有引力作用下的复杂运动问题。蒙日从用平面图表示立体的形状位置和它的几何性质出发,吸收前人的投影方法,创立画法几何学和射影几何学,大大地丰富和发展了几何学。拉普拉斯是伟大的数学家,也是伟大的天文学家。他是法国诺曼底半岛一个农民的儿子。1767年,他到了巴黎,向著名科学家达兰贝尔(1717-1783)递交了一篇论文,受到重视,被介绍到巴黎军事学校任教。
拿破仑就是拉普拉斯在这个学校教过的学生。拉普拉斯用微分学注释了牛顿的《自然哲学的数学原理》一书,还发展了概率论等理论,用他名字命名的拉普拉斯变换和拉普拉斯方程有广泛的应用。1796年,他在《宇宙体系论》一书中阐述了星云假说。
三、康德星云假说与拉普拉斯星云假说的区别
拉普拉斯和康德的星云假说在基本观点上是一致的,所以后来人们就合起来叫康德——拉普拉斯星云假说。拉普拉斯的观点也有和康德不一致的地方,主要区别就在于:康德的原始星云是一团温度不高的混沌物质,认为由引力和斥力的作用产生了热和旋转运动;而拉普拉斯的原始星云却一开始就是自转的,而且是一团炽热的气体。
拉普拉斯认为,原始星云冷缩以后,它的质量离中心的平均距离就缩短了,按照力学原理,旋转速度加快,球状的星云就变成扁球状。旋转速度继续加快,边缘的气体物质失去引力控制,被甩到空间去,成为一个物质环,以后凝聚成行星。行星也用类似方式抛出物质,形成卫星。留下来的原始星云中心部分就是太阳。因为所有行星都是从一开始就自转的原始星云中分离出来的,所以行星的公转方向都一致,行星和太阳的自转方向也一致。拉普拉斯的星云假说虽然也有一些解释不了的问题,但是在十九世纪得到广泛的承认。
四、星云假说的意义
星云假说在哲学和科学上都有重要的意义,它在形而上学的自然观上打开第一个缺口。康德的星云假说把自然界看作是一个发展变化的过程,自然界在时间上没有任何历史的那种观念,第一次被动摇。当时的科学家如果沿着这个缺口继续前进就会认识到,如果地球是演变形成的,那么地质的、气象的状况和动植物的物种也一定是演变的。地质学和生物学的进程就会大大加快。可惜科学家们忽视了康德的天才假说,在浪费了许多时间和精力以后才找到正确的前进方向。
康德的星云假说指出天体的起源和发展变化是引力和斥力引起的,它用事物内部矛盾运动来解释事物的变化。康德的对立统一(引力和斥力)思想推动了辩证法进入一个新的发展阶段,这是在古希腊朴素的辦证法之后的第二个发展阶段影响深远。在这个阶段,谢林等德国唯心主义哲学家做了不少工作。谢林发展了康德的对立统一是构成一切自然过程的观点,认为阳电和阴电也是对立的统一,同时预见电力和磁力之间存在联系。
谢林还认为物质和精神的绝对同一是万物的始基。康德、谢林等德国哲学家关于自然界的普遍联系和统一性、运动形式相互转化、矛盾对立统一等辩证思想,不但在德国,而且在欧洲也有广泛影响。前面提到的电学的发展,以及后面将要叙述的生物学的发展,都受到这种影响。在康德、谢林等唯心主义哲学中,辩证法没有得到彻底研究,没有形成完整体系。一直到今天,康德的对立统一思想仍然被认为是证法的核心。
康德—拉普拉斯的星云假说不但在哲学上有深远影响,而且在科学上也有深远影响。在十九世纪,能量守恒和转化定律确定以后,太阳的能量来源引起了科学家的兴趣。如果认为太阳是一大块在氧气中燃烧的煤,那么只要二千五百年就会烧光。德国的物理学家赫尔姆霍茨按照拉普拉斯的星云假说,提出了关于太阳的能量来源的解释。如果太阳不断收缩,太阳的质量在落向引力中心的时候会获得能量,就象岩石下坠会获得能量一样。这种能量可以转化做辐射能。赫尔姆霍茨计算指出,太阳的收缩只要达到它半径的千分之十,提供的能量就能够维持二千年之久。虽然在二十世纪发现核聚变之后,才找到太阳能量来源的正确答案,但是收缩能在天体演化中也的确占有一定的地位,而拉普拉斯的假说对这方面研究是起了促进作用的。
五、结语
1859年,年轻的麦克斯韦按照星云假说,从数学上对土星环进行了分析,证明不管从什么天体抛出一个气态物质环,都只能够凝缩成土星环那样的小粒子集合体,决不会形成一个固体行星或者卫星。星云假说暴露出来的一些致命弱点,促使有些人提出关于太阳系起源的新假说。但是新假说也有解决不了的矛盾。所以有些人由开始重新研究星云假说。在星云假说的启发和带动下关于宇宙起源的各种学说相继出现和得到了新的发展。
参考资料:
《宇宙发展史概论》
《自然通史与天体理论》