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星云假说的正确性与细节之间的博弈

时间:2023-09-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:1845年,罗斯报告称,根据他的观测,星云实际上是由无数黯淡的恒星构成的。虽然拉普拉斯学说饱受质疑,但在19世纪末,星云假说还是很吸引人的。物理学家根据太阳光谱的特征推测出了太阳的构成成分,并发现它和行星的成分有许多共同之处,这是对星云假说的又一佐证。但是,新发现的几个卫星的运动情况却和星云假说的描述不符。总的来说,星云假说的主体是正确的,它主要败在了细节上。

星云假说的正确性与细节之间的博弈

然而到了19世纪40年代,新的科学发现使拉普拉斯的观点陷入了危机。第三代罗斯伯爵威廉·帕森斯(William Parsons)在他位于爱尔兰西部的城堡里研制出了世界上最大的望远镜。这架新型望远镜的设计很烦琐,还配备了一个直径为1.8米的超大反射镜,能比以往更加清晰地看到星云(图3-1)。1845年,罗斯报告称,根据他的观测,星云实际上是由无数黯淡的恒星构成的。如果这是事实的话,那星云就不是新生的行星系,而是完全不同的另外一种天体结构。

图3-1 第三代罗斯伯爵威廉·帕森斯绘制的星云图。出自伯爵之子——第四代罗斯伯爵劳伦斯·帕森斯(Lawrence Parsons)1878年发表于《皇家都柏林学会科学学报》第2卷的《1848—1878年于比尔城堡庄园借助六脚及三脚反射望远镜观测星云及星团》一文(图片来源:J.Mitton)

一些科学家同样对星云假说持严重怀疑态度。其中包括剑桥大学的地质学教授亚当·塞奇威克(Adam Sedgwick),达尔文年轻时曾是他的学生。1850年,塞奇威克罗列了拉普拉斯学说存在的种种问题,但却没有完全摒弃星云模型。塞奇威克还提出了一个难题,这个难题直到20世纪还一直困扰着科学家:如何解释太阳和行星的角动量转动惯量)分配问题。一个简单的例子就能解释这个问题:假设水星是由收缩中的星云抛出来的物质环演化而成的,那么当时那团星云旋转一次必定需要88天,也就是水星今天的公转周期。如果说星云进一步收缩形成了太阳,那么由于角动量的关系,它的旋转速度就应该越来越快。从理论上来说,太阳自转一周应该只需几天,但现实中却需要将近一个月。

1861年,法国物理学家雅克·巴比内(Jaques Babinet)也提出了反对意见,越来越多的人注意到了这个问题。太阳的质量占整个太阳系的99%,而它的角动量却只占太阳系总角动量的2%,其余98%来自其他行星的运动。作为收缩的星云的中心,为什么它占了绝大部分质量却只有很小的角动量?尽管拉普拉斯的学说后来经过了多次修正,但“角动量难题”一直是它的致命缺陷。一波未平一波又起,科学家随后又发现了新的问题。美国数学家丹尼尔·柯克伍德(Daniel Kirkwood)论证出拉普拉斯的星云盘只会不断向外缘抛出物质,而不会形成离散的物质环。而苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)则证明了,即使拉普拉斯所说的星云盘可以形成物质环,它们也无法演化成为行星。(www.xing528.com)

虽然拉普拉斯学说饱受质疑,但在19世纪末,星云假说还是很吸引人的。当时,放射性和核反应还没有被发现,人们普遍认为太阳之所以能够发光是因为收缩时释放出了引力能。过去的太阳一定比现在大,这自然而然地和太阳及行星是由一团弥散的物质云发展而来的观点相符。物理学家根据太阳光谱的特征推测出了太阳的构成成分,并发现它和行星的成分有许多共同之处,这是对星云假说的又一佐证。天文学家还发现了一种完全由气体而不是恒星组成的新型星云,它们之中是否有些是新生的行星系统?希望又再次被点燃了。

但是,新发现的几个卫星的运动情况却和星云假说的描述不符。海卫一的逆行,天王星卫星的运动轨迹与天王星的公转轨道垂直,火卫一的速度快到超过了火星本身的自转速度,这种种怪异的行为都无法用星云假说解释。

总的来说,星云假说的主体是正确的,它主要败在了细节上。那还有没有其他更合理的假说呢?如果太阳系的角动量分布不是由于星云收缩产生的,那行星有没有可能是由外部原因形成的呢?

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