天体力学奠基者拉普拉斯-法国重新定义天体力学

天体力学奠基者[法国]拉普拉斯(1749～1827)

1785年9月的一天，将来称雄一世成为法国皇帝的拿破仑波拿巴怀着忐忑不安的心情，前去参加军事学院的考试。一位年轻的皇家科学院院士主持了这场具有历史意义的考试。经过一番慎重的比较，院士最终从16名优秀的考生中选定了惟一的一名人选者拿破仑。从此，法国甚至整个世界的历史，都因这位年轻院士的决定而发生了变化。这位年轻的院士就是伟大的科学家拉普拉斯。

只身闯荡巴黎

皮埃牙西蒙拉普拉斯(PierreSimonLaplace)是法国著名的天文学家、数学家。他于1749年5月28日生于法国西部一个农民家庭。父亲是教区官员兼做苹果汁生意，母亲是富有的农场主。16岁那年，拉普拉斯在家乡念完了小学和中学，考入凯恩大学艺术系，随即转到了神学系。1768年，18岁的拉普拉斯为了发挥自己的数学才能，放弃继续攻读硕士学位的机会，带着老师的推荐信只身来到巴黎，求见巴黎科学院负责人达朗贝尔。第一次见面时，达朗贝尔根本不想接纳这么个年轻学生，他给出了一个很难的数学题目，要求拉普拉斯在一周内完成后再去见他。但是，就在第二天，拉普拉斯已十分正确地解决了这一难题，再次来到达朗贝尔面前。于是达朗贝尔又出了一个关于打结的数学难题，企图把拉普拉斯考住，然而拉普拉斯当场就把它给解了出来。久负盛名的达朗贝尔十分惊讶和赏识拉普拉斯的数学才能，他同意接收他来巴黎科学院，但是，由于当时科学院保守势力以拉普拉斯过于年轻为由，拒绝他来巴黎科学院。达朗贝尔只好介绍拉普拉斯先去巴黎军事学院任数学教授。

1773年，拉普拉斯终于如愿以偿从军事学院调入科学院，成为科学院中第一位如此年轻的科学家。由于拉普拉斯在社会上的名气已经很大，他一进入科学院就获得了副院士的头衔。从此，拉普拉斯真正开始了他那梦寐以求的科学研究生涯。在科学院，拉普拉斯夜以继日地工作。到1780年前后，他已成为天体力学的主要奠基人．分析概率论的创始人、应用数学的先驱者，并首先在科学上提出了宇宙演化的学说。

拉普拉斯在青年时期就成为当时数理科学中贡献卓绝而且负有盛名的科学家之一。在他的后半生，他一方面继续科学研究，一方面积极投身于社会活动当中，还曾担任了6个月的内务大臣。他积极!参与法国高等教育的改革，对高等教育贡献巨大，培养了一大批著名；的数学家、物理学家。1827年3月5日，年逾古稀的拉普拉斯安然去世。

数学再攀高峰

拉普拉斯从小就十分喜爱数学，对数学有着狂热的渴望，他可以雕续数天都沉浸在数学难题的思索之中，不像其他小孩子那样难得降下来看书写字。从小学到高中，拉普拉斯的数学成绩都是名列班警前茅，老师和同学都亲呢地称他为未来的数学家。按照当地的习俗，孩子们中学毕业后一般是去军队或教堂工作，拉普拉斯的父亲同样希望他去当教士，于是，拉普拉斯服从父命进入了凯恩大学。在大学里，拉普拉斯不但没有因为学习的局限而放弃学习数学，相反，他却以前所未有的热情游弋于数学知识的海洋之中。拉普拉斯异乎寻常的数学天赋引起了老师的注意。在老师的积极帮助下，拉普拉斯孜孜以求，立志要把自己一生都献给数学这门神圣而艰难的科学。怀着对数学追求的坚定信念，拉普拉斯经过一番周折，终于在巴黎落下了脚，开始进行他的数学研究。1770年3月，经过严谨和充分的计算论证，拉普拉斯的第一篇数学论文《曲线的极大和极小研究》发表了。从此，他一发不可收拾，凭着先天的才能和后天的刻苦，在数学道路上越走越宽广，越钻越深入。

在数学发展史上，概率论是具有广泛应用意义的基础学科之一，其发展经历了三个阶段：第一阶段是以代数方法为主的古典概率论，第二阶段是以微积分、微分方程、差分方程等方法为主的分析概率论，第三阶段是用实变函数中的测度理论研究概率的测度概率论。拉普拉斯很早就对概率这个课题发生了兴趣，他花了很长一段时间研究古典概率论，对其中的每一个难点和重点都做了一番推敲，于是，他发现这个古典概率论尚有可以突破发展的地方，如果使它与别的数学方法结合起来，那么实用价值将会大大增加。在经历了艰难的推算和总结之后，拉普拉斯终于找到了新的方法，并写成《概率分析理论》一书：把古典概率论发展到了新的历史高度。

在书中，拉普拉斯详细地讨论了在几何概率论中的伯努利定理以及最小二乘法。他以严密的逻辑和大量翔实的例子，总结了当时整个时代对于概率论的研究，在此基础上，通过一系列的推论演绎，最终导出了著名的拉普拉斯变换。

拉普拉斯对于概率论的研究有个显著的特点，那就是为实际应用服务，把概率论广泛地应用于自然哲学、天文学、大地测量学、测试、误差等实践领域中，以提高精确度，更好地服务于人类社会。依靠拉普拉斯的计算，人们轻而易举地确立了巴黎子午线长度的最优值，圆满地解决了困扰人们多时的科学难题。时至今日，尽管人们在概率论的研究方面有了长足的发展与突破，但拉普拉斯所创立的计算变换和他的《概率分析理论》一书仍然是人们学习概率必读的经典。

拉普拉斯在数学上有着各方面的成就，他那超人的数学才能促使他对数学中的各个领域进行了深入的研究，并劳有所获。1772年，拉普拉斯发表了《对积分和世界体系的探讨》一文，详细地阐述了数学行列式的许多规则，并进一步推广了自己展开行列式的方法，用子行中所含的子式同它们的余子式的集合来展开行列式，把行列式理论和实际应用紧密地结合在一起向前推进。现在，这个由拉普拉斯所提出的展开行列式的方法就是以他的名字命名的。

洞悉宇宙奥秘

有了卓越的数学应用能力，拉普拉斯在其他科学领域的兴趣也不断被激发出来。神秘的宇宙到底是个什么样子，它有怎样的结构体系?这一直是拉普拉斯要弄明白的事。从青年时代起，拉普拉斯就一边学习数学，一边用数学来探究宇宙的秘密。其中，拉普拉斯对：于宇宙的起源兴趣最浓。还在很小的时候，他常常会望着浩渺无边的星空陷入长久的思考之中，有时他也会问邻居的长者和老师，宇宙到底是什么东西?但他们都无言以对，只是笑笑而已。时间在一天天地流逝，拉普拉斯对于宇宙的认识却一天比一天更为深刻。1796年，拉普拉斯根据自己在巴黎综合工业学校等地写的讲稿，整理出版了他的又一部历史性名著《宇宙体系论》。这是一部文笔优美、深入浅出的通俗科普读物，在自然科学、哲学界却产生了极大的影响。在书中，拉普拉斯用优美的笔调全面地阐述了自己对于整个宇宙的看麟与思考，指出太阳系边界应比天王星更远，宇宙中还有许多行星和卫星，这些星系都可能有类似于地球一样的环境，因此也可能存在着陲物。(www.xing528.com)

太阳系起源于星云，这一著名的论断可能是拉普拉斯对于宇宙研究最本质的结论了，也是在当时最伟大最具有挑战性的一个论断。早在拉普拉斯成年以前，德国著名哲学家康德提出了太阳系起源于星云的假说，但这个假说只是哲学理论上的一个推测，并未引起科学界的注意。然而拉普拉斯对此没有直接加以否定，他想用他所掌握的知识来验证这个假说是否可信。年复一年，随着拉普拉斯对宇宙的认识不断深入，他越来越相信康德这一论断的正确性。在《宇宙体系论》中，拉普拉斯十分明确地提出了自己的星云说。他首先分析了太阳系天体运动中的规律，认为产生行星的物质应是比太阳系更大、与大气相似的稀薄液体，就像星空中观察到的星云一样，且与太阳的自转方向相同地自转着。正因为太阳系天体运动的这一特征，拉普拉斯认为太阳系以前的原始星云只有一个核心，以后凝聚成太阳，如果有更大的星云，就会有多个核心，那么就会凝成星团。由于太阳系原始星云体积大、温度高，并且绕着地球自转，因此在一定条件下就会形成与行星数目相同、大致位于现在行星轨道外的各气体环拉普拉斯环(同样以拉普拉斯的名字命名)。

拉普拉斯星云说的提出给当时的科学界带来了极大的震动。由于星云说凝结了拉普拉斯前半生对宇宙研究的大部分心血，因此，他的推论相当严密，有板有眼，数据确凿，在科学上做了详尽的说明，使人们无法加以驳斥。由于拉普拉斯和康德在科学和哲学上共同提出了星云论这一假设，后人把这个假说称之为康德一拉普拉斯星云假说。用这个假说来解释太阳系的形成规律，即使以现在的科学眼光来看，也仍然是十分正确的。

天体力学的奠基者

拉普拉斯在宇宙探究上的最大成就，是奠定了天体力学在科技领域中的地位。他一生中倾注心血最多、研究时间最长且成就最大的学科也就是天体力学。毫不夸张地说，如果没有拉普拉斯的研究，也就没有今天人们对于宇宙的了解，更不可能有天体力学这个发：的科学学科了。

在拉普拉斯以前的天文学，都是研究天体在天球上的视运动律，直到牛顿提出万有引力定律和运动的三大定律后，人们才开始目光转向力学理论，以此来研究天体的真运动。天文学从研究天41的视运动规律发展到研究真运动，这是一次十分重大的质的飞蹶1687年牛顿《自然哲学的数学原理》的发表，也就是天文学新分！天体力学的诞生。经过了许多科学家100多年的努力，经典天力学才告建成，而这一学科的主要奠基人和集大成者，就是拉普拉斯。

拉普拉斯在天体力学摄动理论的各个环节中贡献也很卓越。他最早根据力学原理建立了天体的受摄运动方程，从而把牛顿提刮的只讨论质点和球体之间的万有引力推广到可以讨论各种形状大刊的天体对外面一质点的吸引力，对讨论具有椭圆形状的行星和特髟形状的土星环等引力问题产生了决定性的作用。通过著名的拉普扫斯方程，为位势理论的建立打下了坚实的基础，对以后的数学和物燕学发展做出了巨大的贡献。1773年，拉普拉斯用他独创的方法计篓出太阳系内所有行星由于交互作用(即相吸相斥)而产生的摄动逗动，基本上证明了所有行星和太阳之间的平均距离在极小的周期目变化范围内都是固定不变的。

除以上所述外，拉普拉斯对天体形状理论、潮汐理论、观测资举处理方法、地球自转理论、大气折射理论和计算方法以及某些恒星运动问题都有所贡献。在总结前人研究成果的基础上，他使天体力学瞍为一门相对独立的学科，奠基之作就是他花了26年时间才得以出隆的《天体力学》一书。

《天体力学》是拉普拉斯一生几乎全部关于天文学的研究成果的睁汇，共5卷16册。其中前四卷几乎包括了经典天体力学的全部内降，第五卷是拉普拉斯晚年的天体力学研究成果以及各领域的历史眵证。在《天体力学》中，拉普拉斯第一次给天体力学这门学科的目标和内容下了定义，并归纳出经典天体力学的基本课题，这就是太阳系大行星的问题，月球运动问题，卫星运动问题，彗星运动问题，行星的自转运动(尤其是地球和月球)；行星形状理论；潮汐理论等。在《天体力学》中，拉普拉斯把牛顿、克莱罗、拉格朗日和他本人的研究结果与发现融为一体，对太阳系力学问题做了完全的分析解释。这部书是如此的完善，以至于后人无法再补充其他内容。由于拉普拉斯的奠基性研究，天体力学在19世纪深受数学家、天文学家、物理学家重视，发展十分迅速。1846年9月23日，勒威耶等用天体力学理论计算后发现了海王星，标志着天体力学的成熟和在实践中的正确和有效性。

自然科学的唯物论者

在科学界，拉普拉斯被誉为法国的牛顿。他一生研究了100多个重大的课题，内容涉及天文、数学等各个领域，为人类的发展作出了巨大的贡献。拉普拉斯之所以能取得如此重大的成就，归根到底是因为他在对世界的客观认识上，是个唯物论者。拉普拉斯曾经讲过：只要给我物质，就可以创造出世界来。他从小就不迷信于各类主观臆断的学说，认为万事都要弄个明白，实事求是，探究其理，不唯心、不务虚、只求真。正因为有了对客观世界正确的认识，拉普拉斯经过观察、计算和论证，最后得出结论，在科学的多个领域取得了卓越的成就。拉普拉斯特别强调科学研究中的唯物论观点，要求以客观事件为根本，在大量的事实面前下结论，他对于宇宙的认识正是在这种唯物论的信念指引下才得以展开的。在晚年，拉普拉斯教育学生唯物观是科学研究的根本基础，并以牛顿晚年脱离科学而信仰宗教作为反面例子加以训导。

有了唯物论的指导，拉普拉斯十分重视科学的实践应用。他天心社会现实，社会需要解决什么问题，他就研究什么问题。他在数学上的许多突破就是为了实际应用才展开的，如拉普拉斯变换在哭际应用中就十分奏效，它解决了许多其他方法难以解决的演算问题。拉普拉斯的研究领域十分广泛，因此他研究成果的应用范围也十分广泛，不仅在自然科学上，而且在社会科学上也找到了研究与应用的结合点。拉普拉斯的所有研究成果，都直接对社会的发展产生了强大的推动作用。因为注重实践，拉普拉斯还积极投身于社会活动，从另一个方面解决社会中存在的问题。他十分关心法国高等教育，为此付出了大量的心血和汗水，积极支持并直接参与高等教育的改革和发展，使法国的高等教育在短时期内有了长足的进步。

在拉普拉斯内心，始终充满了不怕挫折、奋勇向前的高昂斗志，无论是小时候的违抗父命弃神学攻数学，还是在巴黎历尽坎坷地进入科学院，他都能执著地向着自己的目标而毫不气馁。即使在以后i的生涯中，他也从未间断过对科学的追求。综观他在科学道路上漫长的一生，为了真理而奋斗到底的精神一直支持着拉普拉斯不断地向前进取，直到逝世，才停止了他钟爱一生的科学探索。

拉普拉斯的一生是光辉的一生，但也是艰辛的一生。他幼年早慧，无论是在天文、数学还是宇宙的研究方面都成就卓绝。这种伟大脚成就来自于拉普拉斯对科学的执著追求和对社会的热切关注。可以说，拉普拉斯不但改变了人类对自然科学的认识，而且促进了人文科学的发展。他在各个领域的研究成果，是人类社会前进中不可缺眇的一座座丰碑。