太陽系的起源對人類來說是一個帶有根本性的問題,直到18世紀中葉,經(jīng)典機械論在這個問題上還存在著兩個沒能徹底擺脫神學的空白點。一是牛頓力學為了說明太陽系運動的起源,還把“神的第一推動”作為一個必要的前提;二是還受到與天體的攝動、進動有關(guān)的天體系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題的困擾,仍然被作為自然界還需要上帝的不斷干涉的口實。所以,經(jīng)典機械現(xiàn)在這個問題上仍需作出改進和發(fā)展。
到18世紀,關(guān)于太陽系的運動,已經(jīng)取得了許多重要的觀測資料,揭示出了太陽系運動的一些引人注意的重要特點。
一是行星公轉(zhuǎn)軌道的共面性,當時已知的六大行星繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道幾乎都處于一個平面上,只有水星軌道與這個共同平面有6°左右的傾角;而且這個共同平面以不到6°的偏離與太陽的赤道面相交。
二是行星公轉(zhuǎn)方向的同向性.即所有行星都沿太陽的自轉(zhuǎn)方向繞太陽公轉(zhuǎn)。
三是行星公轉(zhuǎn)軌道的似圓性,即它們的軌道都極接近于正圓形。法國博物學家布豐(1707~1788)從這些事實中推論出,行星的運動一定是由一個共同的原因引起的,他設(shè)想我們的太陽系是由彗星與太陽的偶然相遇形成的,彗星從太陽上拉出的一些物質(zhì)碎片相繼形成了六大行星。
在這個時代的思想背景下,德國哲學家康德(1724~1804)提出了太陽系起源的星云假說。1751年,英國人賴特(1711~1786)通過對銀河系的觀察,認為銀河系里的恒星大體分布在同一平面上。這使康德受到啟發(fā),想到太陽系和銀河系是相似的,銀河系作為一個整體也是旋轉(zhuǎn)著的。他由此聯(lián)想到,當時已發(fā)現(xiàn)的許多“云霧狀天體”即星云,都是一個個銀河系。這樣,在1755年出版的《自然通史和天體論》(一般譯為《宇宙發(fā)展史概論》)中,提出了他的太陽系是由星云演化而成的學說。
康德試圖完全根據(jù)原子論和牛頓力學原理對太陽系的形成機制作出說明,他說:“我不需要任意的虛構(gòu),只要按照給定的運動規(guī)律,就可以看到一個秩序井然的整個系統(tǒng)產(chǎn)生出來?!彼肋~地宣稱:“給我物質(zhì),我將給你們指出宇宙是怎樣形成的。”但與牛頓不同,康德認為物質(zhì)粒子之間除了吸引之外還有一種排斥作用。他說:“我在把宇宙追溯到最簡單的混沌狀態(tài)以后,沒有用別的力,而只是用了引力和斥力這兩種力來說明大自然的有秩序的發(fā)展。這兩種力是同樣確實、 同樣簡單,而且也同樣基本和普遍?!碧栂档男纬蛇^程就“表現(xiàn)在排斥和吸引相互斗爭中所引起的那種運動,這種運動好像是自然界的永恒生命?!?div id="c9ozetgccsir" class='imgcenter'>
康德設(shè)想,形成太陽系的原始星云是由無數(shù)大大小小的物質(zhì)微粒組成的;這些粒子不均勻地分布在空間中。密度較大的部分憑借萬有引力的作用“從它周圍的一個天空區(qū)域里把密度較小的所有的物質(zhì)聚集起來;但它們自己又同所聚集的物質(zhì)一起,聚集到密度更大的質(zhì)點所在的地方。而所有這一些又以同樣的方式聚集到質(zhì)點密度更為巨大的地方,并如此一直繼續(xù)下去”,終于形成了整個星云的引力中心或中心天體太陽。其它物質(zhì)微粒在引力作用下向中心天體的降落并不都是沿直線進行的,粒子之間斥力的作用,造成了偏離降落直線的側(cè)向偏轉(zhuǎn);當某一個方向上的偏轉(zhuǎn)運動逐漸占了優(yōu)勢時,就使星云轉(zhuǎn)動起來,并在中心天體周圍形成了一個巨大的渦旋;在渦旋中微粒和團塊通過碰撞和吸引作用,整個星云逐漸向一個垂直于其轉(zhuǎn)動軸的平面集中,形成一個大致在同一平面上轉(zhuǎn)動的圓盤式結(jié)構(gòu);圓盤中遠近不同的較大的團塊吸引其它粒子逐漸形成為各個行星,保持了與中心天體的引力平衡而在不同的軌道上作繞轉(zhuǎn)運動;形成行星的小團塊中也通過類似的過程形成行星——衛(wèi)星系統(tǒng)。這就是康德關(guān)于太陽系起源的力學模型,它是當時機械觀的產(chǎn)物,雖然包含著宇宙演化的思想。
康德用這個假說很容易地解釋了太陽系行星軌道的共面性、近圓性和行星公轉(zhuǎn)的同向性,這是因為行星都是由共同的原始星云形成的旋轉(zhuǎn)圓盤在同向轉(zhuǎn)動中分裂出來的。這個假說還解釋了太陽系的密度分布和質(zhì)量分布,行星軌道的傾角和橢率,以及替星和土星光環(huán)的形成等。但是,這個定性的假說并沒有引起人們的注意,直到41年后當拉普拉斯更為定量地獨立提出類似的假說時,人們才重新認識了康德假說的意義。
1796年,拉普拉斯在《宇宙體系論》中,批判了布豐的太陽系起源說,指出如果像布豐所說行星是從太陽上扯出的碎片形成的,那就應(yīng)具有大得多的偏心率。他否定了太陽與彗星碰撞的說法,在該書的附錄里,他以“保留的態(tài)度”提出了太陽系起源的星云假說。
拉普拉斯認為,我們的太陽系起源于一個巨大的、熾熱的、而且一開始就在緩慢地轉(zhuǎn)動著的氣狀原始星云。氣體星云大體呈球形,由于不斷向外散熱而逐漸冷卻收縮,根據(jù)角動量守恒原理其旋轉(zhuǎn)速度也不斷加快。根據(jù)旋轉(zhuǎn)體的離心力定律,星云赤道部分物質(zhì)所受的慣性離心力也最大,于是球形星云的赤道部分將越來越凸出逐漸使星云變成扁平狀。當扁平星云外緣部分的物質(zhì)所受的慣性離心力與星云對它的吸引力相平衡時,這部分物質(zhì)將不再隨星云一起收縮,而與星云分離開來,保持在原來的半徑上成為一個圍繞星云轉(zhuǎn)動的圓環(huán)。繼續(xù)收縮著的星云主體一次次地重復(fù)著上述過程,從而相繼形成與行星數(shù)目相等的幾個氣環(huán),星云中心部分則收縮凝聚形成太陽。分離出去的這些氣環(huán)中的物質(zhì),則經(jīng)過吸引凝聚而形成在各個不同軌道上、然而卻在同一平面上并沿同一方向圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的行星。各個行星的衛(wèi)星,也是按照同樣的過程形成的。
拉普拉斯的這個假說,與康德的假說基本上是類似的,并且都能很好地解釋太陽系行星運動的力學特征。不過拉普拉斯的假說更為具體地考慮了太陽系的動力學特征,所以更具有理論的嚴密性。然而它們都還存在著一些重大的弱點,比如,它們都沒有說明“星云是怎樣開始旋轉(zhuǎn)起來的”;特別是它們都不能解釋“太陽系角動量分布異?!?,即占太陽系總質(zhì)量99.86%的太陽,其角動量卻小于整個太陽系角動量的0.6%;而質(zhì)量只有太陽系總質(zhì)量的0.135%的行星和衛(wèi)星,卻占了太陽系99%以上的角動量。
康德、拉普拉斯從牛頓力學原理出發(fā)所提出的星云假說,雖然具有明顯的弱點,20世紀以來也被新的假說所取代,但這個假說卻是第一次把太陽系的形成和運動全面歸結(jié)于自然界物質(zhì)本身的內(nèi)部原因的努力,是從力學角度否定“上帝直接插手”太陽系運動的一個大膽的嘗試。它不僅有力地推動了自然科學的進步,也為機械論自然觀的完全貫徹掃除了一塊最大的絆腳石;這個學說最終完全證明了世界不是一個神,而是一架完整的機器。
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