終結神話——星雲假說

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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、進動有關的天體系統的穩定性問題的困擾，仍然被作為自然界還需要上帝的不斷干涉的口實。所以，經典機械現在這個問題上仍需作出改進和發展。

到18世紀，關於太陽系的運動，已經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。

一是行星公轉軌道的共面性，當時已知的六大行星繞太陽公轉的軌道幾乎都處於一個平面上，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。

二是行星公轉方向的同向性.即所有行星都沿太陽的自轉方向繞太陽公轉。

三是行星公轉軌道的似圓性，即它們的軌道都極接近於正圓形。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雲假說。1751年，英國人賴特（1711～1786）通過對銀河系的觀察，認為銀河系裡的恆星大體分布在同一平面上。這使康德受到啟發，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著的。他由此聯想到，當時已發現的許多「雲霧狀天體」即星雲，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《宇宙發展史概論》）中，提出了他的太陽系是由星雲演化而成的學說。

康德試圖完全根據原子論和牛頓力學原理對太陽系的形成機製作出說明，他說：「我不需要任意的虛構，只要按照給定的運動規律，就可以看到一個秩序井然的整個系統產生出來。」他豪邁地宣稱：「給我物質，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以後，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展。這兩種力是同樣確實、同樣簡單，而且也同樣基本和普遍。」太陽系的形成過程就「表現在排斥和吸引相互鬥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。」

康德設想，形成太陽系的原始星雲是由無數大大小小的物質微粒組成的；這些粒子不均勻地分布在空間中。密度較大的部分憑藉萬有引力的作用「從它周圍的一個天空區域里把密度較小的所有的物質聚集起來；但它們自己又同所聚集的物質一起，聚集到密度更大的質點所在的地方。而所有這一些又以同樣的方式聚集到質點密度更為巨大的地方，並如此一直繼續下去」，終於形成了整個星雲的引力中心或中心天體太陽。其它物質微粒在引力作用下向中心天體的降落並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向偏轉；當某一個方向上的偏轉運動逐漸佔了優勢時，就使星雲轉動起來，並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，整個星雲逐漸向一個垂直於其轉動軸的平面集中，形成一個大致在同一平面上轉動的圓盤式結構；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運動；形成行星的小團塊中也通過類似的過程形成行星——衛星系統。這就是康德關於太陽系起源的力學模型，它是當時機械觀的產物，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、近圓性和行星公轉的同向性，這是因為行星都是由共同的原始星雲形成的旋轉圓盤在同向轉動中分裂出來的。這個假說還解釋了太陽系的密度分布和質量分布，行星軌道的傾角和橢率，以及替星和土星光環的形成等。但是，這個定性的假說並沒有引起人們的注意，直到41年後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「保留的態度」提出了太陽系起源的星雲假說。

拉普拉斯認為，我們的太陽系起源於一個巨大的、熾熱的、而且一開始就在緩慢地轉動著的氣狀原始星雲。氣體星雲大體呈球形，由於不斷向外散熱而逐漸冷卻收縮，根據角動量守恆原理其旋轉速度也不斷加快。根據旋轉體的離心力定律，星雲赤道部分物質所受的慣性離心力也最大，於是球形星雲的赤道部分將越來越凸出逐漸使星雲變成扁平狀。當扁平星雲外緣部分的物質所受的慣性離心力與星雲對它的吸引力相平衡時，這部分物質將不再隨星雲一起收縮，而與星雲分離開來，保持在原來的半徑上成為一個圍繞星雲轉動的圓環。繼續收縮著的星雲主體一次次地重複著上述過程，從而相繼形成與行星數目相等的幾個氣環，星雲中心部分則收縮凝聚形成太陽。分離出去的這些氣環中的物質，則經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並沿同一方向圍繞太陽旋轉的行星。各個行星的衛星，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，並且都能很好地解釋太陽系行星運動的力學特徵。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徵，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「星雲是怎樣開始旋轉起來的」；特別是它們都不能解釋「太陽系角動量分布異常」，即占太陽系總質量99.86％的太陽，其角動量卻小於整個太陽系角動量的0.6％；而質量只有太陽系總質量的0.135％的行星和衛星，卻佔了太陽系99％以上的角動量。

康德、拉普拉斯從牛頓力學原理出發所提出的星雲假說，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於自然界物質本身的內部原因的努力，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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