拉普拉斯的星云说

1．显露才华

在康德的《自然通史和天体论》发表近50年之后，也是康德星云起源假说默默无闻近50年之后，1799年，法国的天文学家、数学家拉普拉斯独立提出了与康德星云起源假说相似的星云起源假说，出版了《宇宙体系论》。由于拉普拉斯享有很高的学术威望，《宇宙体系论》出版后，受到社会的重视，很快得到了公认。拉普拉斯的星云说又使人们想起了康德，想起被人遗忘的《自然通史和天体论》，人们又开始再版康德的书。因此，人们将这一理论用他们两人的名字命名，叫做康德—拉普拉斯星云假说。于是，这样的一个理论，就有了两个主人。尽管这一假说把他们两个人的名字联系在一起，可是他们在性格和为人处世方面很少有相似之处。

1749年3月23日，拉普拉斯生于法国诺曼底地区的博蒙昂诺日，对拉普拉斯的身世众说不一，不知是出于谦逊，还是出于有意的安排，围绕着拉普拉斯青少年时代的是一片雾般的朦胧。关于他的父亲，有的说是一个教区的官员，兼做苹果汁生意；有的说是农场主；还有的说是当地一个毫不知名的农民。但是不管怎样，小拉普拉斯已经健康安全地来到人世间这一点是毫无疑问的，“我来了，并为后人所知”是最重要的。

据说，由于拉普拉斯渴望得到公众的尊重，他一直因为自己的出身，为他卑微的父母感到羞耻，并竭尽全力隐瞒他的农民出身。也许这不是真的，也许是有人因忌恨拉普拉斯而编造的谎言，如果真是这样，我倒不是因为他的农民出身而感到羞愧，而是因为他卑鄙的虚荣而感到羞愧。可见，不是所有有成就的人、不是所有的科学家都有着优秀的品质。

拉普拉斯有一个比他大4岁的姐姐，在他家的近亲中未发现有名气的知识界人物，除了叔父路易。他是一个数学家，还是一个未被正式任命的神父，可是在拉普拉斯10岁时，他就辞世了。

拉普拉斯在乡村学校就读时就已显出非凡的才能，特别是在数学方面。据说，他的记忆力更是非凡，比他的数学才能更能引起人们的注意。他在一次神学辩论会上战胜了对手，而得到村中富有的邻居们善意的关心。

16岁以后，拉普拉斯念完中学，进入大学。按当地的习俗，学生们中学毕业后一般要到教堂或军队工作。家里人准备让他到教堂工作。可是，1766年，他考入卡昂大学艺术系，后转到神学系，准备完成学业后做一名教士。为了发挥自己的数学特长，也因为大学中两位教师的启发和鼓励，拉普拉斯放弃了在大学上学的机会。18岁时，他带着一封推荐信只身前往巴黎，他对自己的未来充满自信，他对自己力量的估计是很高的，但不过分。他怀着有充分理由的自信闯入巴黎，去征服数学世界。

当时的法国正处于路易十五的统治之下，由于资本主义的影响，专治的王权已日趋衰落。资产阶级的势力不断壮大，他们对许多阻碍经济发展的制度强烈不满，代表资产阶级利益的启蒙运动蓬勃发展起来，他们抨击专制王权，传播科学知识，宣扬民主、自由、平等。法国封建制度陷于严重的危机。

启蒙运动的中心在法国，并影响到全世界，启蒙运动的思想家们最初用自然神论、最后用无神论来反对上帝和宗教，矛头直指腐朽的专政制度，直指路易十五统治下的法国。他们勇于为真理和正义而斗争，他们甘冒身陷囹圄、逃亡异国的危险，不惜遭受种种苦难，为彻底摧毁腐朽的封建制度，在思想上和理论上做了充分的准备。启蒙运动对法国大革命，以及19世纪欧洲爆发的一系列资产阶级革命都产生了极大的影响。

拉普拉斯到了巴黎，口袋里放着推荐信去拜访达朗贝尔，达朗贝尔是法国科学院士，物理学家和数学家，具有很高的威望。可是，拉普拉斯没有被接纳。达朗贝尔对于大人物推荐的年轻人不感兴趣，也许他每周都会遭到两三个这样被人推荐来的毫无发展前途的人打扰，他需要有真才实学的有为青年，而不要有着强大后台却不学无术的人。当时，达朗贝尔给了拉普拉斯一个题目，要他一周后再来。可是拉普拉斯一夜之间就完成了，达朗贝尔又给了他一个关于打结的难题，拉普拉斯当时就把题目解出来了。达朗贝尔非常赏识他的数学才能，对他说：“先生，你看，我几乎没有注意你那些推荐信，你不需要什么推荐，你已经更好地介绍了你自己，对我来说这就够了。”

达朗贝尔感觉到拉普拉斯巨大的潜力，会对法国的科学进步做出贡献。他介绍拉普拉斯到科学院任职。可是，拉普拉斯只有19岁，更主要的是他没有学位。科学院的保守势力强大，他们拒绝了拉普拉斯。

由于达朗贝尔的推荐，拉普拉斯被任命为巴黎军事学校的数学教师，讲授中等数学、基础数学分析和静力学等课程。这样他可以继续留在巴黎，等待进入巴黎科学院的机会。他为此等待了5年，最终如愿以偿地进入巴黎科学院。在这5年中，拉普拉斯在数学，天文学的最新领域开展研究，共完成13篇论文，被科学界同行所认识，逐渐受到重视。

当时，研究人员进入巴黎科学院要经过院士的投票决定，对于拉普拉斯的申请，尽管有达朗贝尔等人的支持，但仍有很多院士认为他太年轻，结果在1771年和1772年两次投票都没有通过。达朗贝尔经两次挫折后非常伤心，愤愤不平地说：“巴黎科学院宁愿接受一个才能比他低得多的人。”1773年3月，在巴黎科学院新任执行秘书孔多塞的坚决支持下，终于通过了拉普拉斯进入科学院的决议。

进入科学院之后，拉普拉斯把前几年写的13篇论文汇集在一起出版了他的第一部论文集，孔多塞在拉普拉斯这部论文集的序言中热情地写道：“巴黎科学院第一次接受了这样年轻，并在这样短的时期内对多种难题写出重要论文的人。”

巴黎科学院的职称，在当时分为4个等级：荣誉院士，由享有很高声望的人担任；终身院士，人数也极为有限；副院士；助理院士。一般人进入科学院都从助理院士开始做起，而后再逐级上升。可是，由于拉普拉斯在进入科学院时已有较高声望，从而跳过助理院士，一开始就直接成为副院士。

从此，拉普拉斯开始了他的科学研究生涯。他积极投身于这一事业，全力对数学、力学和天文学等学科的新领域不断探索研究，受到国内外学术界的重视，逐渐成为当时贡献最大、最负盛名的科学家之一。

拉普拉斯27岁时在给达朗贝尔的一封信中，曾描述了他的想法：“我从事数学研究，一向出于爱好，而非追求虚名。我最大的乐趣是研究发明者的进展情况，看看他们的天才怎样千方百计对付他们碰到的障碍和怎样克服这些障碍，然后我把自己放在他们的位置上，问自己，我会怎样克服这些障碍。虽然在大多数情况下这样替换只是使我的自负蒙受耻辱，然而为他们的成功而感到的欢欣，丰厚地补偿了我这点微不足道的屈辱。如果我有幸能给他们的工作添加一些东西，我把全部功绩都归于他们最初的努力，并确信他们在我的位置上会比我做得更好。”

从这封信中，我们可以看到年轻的拉普拉斯一方面具有谦虚的本性，另一方面有着远大的志向，把自己与大师们的工作进行比较，寻找不足。

拉普拉斯一生大致可分为4个时期。第一个时期是29岁以前的青少年时期，这个时期他精力旺盛，对于积分、天文学、宇宙学、概率论、力学和因果律等诸多方面的问题都有一定的研究，初露锋芒，受到学术界的重视。在这个时期，他建立了自己的风格，为今后的发展打下了良好的基础。第二个时期为29岁到40岁，这是拉普拉斯的鼎盛时期，完成多数重大成果，著名的“拉普拉斯方程”就是在这个时期内完成的。第三个时期是40岁到56岁，这一时期，正赶上法国大革命，这个时期法国社会政局动荡不安，拉普拉斯也积极投身政治，在这时期，他主要进行科学组织和教育工作，并且继续研究新的课题，总结前一时期的成果。第四个时期是56岁以后的晚年时期，他仍坚持科学研究和成果整理工作，主要研究成果有“拉普拉斯变换”等。

在家庭婚姻方面，拉普拉斯与康德不同，他在39岁时与19岁的夏洛特女士结婚。结婚后，育有一子一女，儿子后来成为将军。

1789年，在法国，由于资产阶级势力的壮大，封建制度与资本主义之间的矛盾不可调和，爆发了资产阶级革命。法国大革命是法国历史上重要的分水岭，它结束了法国1000多年的封建统治，废除了封建等级制度，建立了资产阶级政权。尽管法国大革命使得社会动荡不安，可是它铲除了腐朽的封建制度，促使科学技术和社会更迅猛地发展。

拉普拉斯一生发表了大量数学、天文学和物理学著作。1799年至1825年，拉普拉斯出版了5卷16册巨著《天体力学》，这是集经典天体力学之大成的代表作。拉普拉斯首先提出了天体力学学科名词。他说：“牛顿发现万有引力定律已有100年，从那时起，学者们就把这个伟大的定律用于研究一切已知自然现象，并由此给出了天体运动理论和格外准确的天文历表。我在自己的大多数著作中用同样的观点提出了有关理论。这些理论，包括用万有引力定律研究太阳系和宇宙中其他类似系统里的固体与液体运动和平衡形状的全部结果，组成了天体力学。”

《天体力学》是经典天体力学的奠基著作。在这部巨著中，拉普拉斯归纳出经典天体力学的基本课题，探讨和研究了太阳系大行星的运动以及月球运动以及卫星运动、彗星运动和潮汐理论等一系列的问题。

据说拉普拉斯更感兴趣的是结果，而不是他怎样得出这些结果。为了避免麻烦，在书中，他常常删去论证，只留下一句乐观的评语“这是显而易见的”。而在这句“显而易见”的后面，他自己常常会花费几个小时，乃至几天的时间去演算那些“显而易见”的结果。而那些普通读者，有的需要花上一星期或者更长的时间去演算，才能明白这些结果是怎么得来的。

傅立叶曾对拉普拉斯这一时期的工作做过评论，他说：“拉普拉斯把他的全部著作用在一个固定的方面，他从来没有偏离过它；沉着冷静地坚持他的观点，一直是他的天才的主要特点。他深入细致地考虑了他的伟大计划，以科学史上无可匹敌的坚忍不拔的精神，毕生致力于这项计划的完成。这个课题的宏大，给他的天才带来应得的荣誉，他承担了撰写他那个时代的《天文学大成》¹——《天体力学》的重任。而他的不朽的著作，远远超过了托勒密的著作”。这个评论再恰当不过了，不管拉普拉斯做什么，他都是集中全部力量竭尽全力为这一中心目标而努力。

2．我不需要那样的假设

1796年，拉普拉斯出版了《宇宙体系论》。他根据在巴黎综合工业学校等处的讲稿，整理出了这本历史性名著，在自然科学界和哲学界都产生了巨大影响。在书中的附录七上他提出了星云假说，书中阐述了他对于从分子到整个宇宙的看法。该书在他的生前已经出过5版。1835年出版了第六版，那时拉普拉斯已经辞世8年了。在第六版的序言上，编者说：“作者正在阅读本书第六版校样时突然逝世。在这个新版本里已经由他编入了几个附录。当他患病的最后几日，他还在修改校样，可是这一工作并没有做完。”拉普拉斯没有亲眼看到这本书第六版的正式出版。

《宇宙体系论》全书包括5篇和7个附录，在附录七中，拉普拉斯提出了星云说，他之所以要把这个理论放在附录中，是因为他认为星云说不是通过观测或计算得到的结论，而是一个假说。

在《宇宙体系论》中，拉普拉斯认为，虽然行星系各个成员的表现有许多不同，比如，太阳系中的地球、火星、海王星等行星，它们在形状大小和组成物质的密度上都有很大差别，但是它们之间却有着某种关系，由这种关系，我们可以找出它们的起源。如果仔细考察，会发现许多相同之处，比如太阳系的行星按相同的方向，由西向东运行，而且几乎都在一个平面上绕太阳运行；卫星运动的方向与行星相同；行星、卫星和太阳的自转运动与行星公转方向一致，而且它们的赤道面也相近。拉普拉斯认为，这些奇特的现象绝不可能是偶然形成的，形成这么一致的现象的概率，为200万亿分之一，也就是说宇宙如果随意地起源200万亿次，形成我们现在这样的太阳系的可能性只有一次。这样奇特的现象连牛顿也感到无法解释，“这种美妙的现象”，“只能是一位全智全能的上帝来创作。”拉普拉斯全力反对牛顿的错误观点，认为没有上帝的安排，这后面只有自然规律的支配。

拉普拉斯认为，太阳系是由一个气体星云收缩形成的。他说，开始有一个球形的比今天的太阳要大得多的星云，温度很高，缓慢地自转着。后来，星云逐渐冷却而且收缩，星云收缩时转动速度越来越快，离心力也越来越大，星云越来越高。到一定时候，这个巨大的星云的赤道边缘就不再运动而分离出一个旋转气体环。随着星云的继续冷却和收缩，这个过程一次又一次地重演，便逐渐形成了和行星数目相等的多个气体环，各环的位置大致就是今天各行星的位置。

星云中心部分，则收缩成太阳，在各个气体环内，物质的分布不是均匀的，密度较大的部分把密度较小的部分吸引过去，逐渐形成了一些气团，在大致相同的轨道上绕太阳转动。小气团又集聚成大的气团，最后结合成行星。而卫星的形成，则在小一规模上进行。体积比较大的行星在冷却收缩时又可能重复气环分离收缩的过程，于是形成行星的卫星系统。像我们人类居住的地球，月亮在环绕地球运行，月亮就是地球的卫星。地球只有一个卫星，而木星有很多个卫星。

拉普拉斯认为，星云开始时温度很高，由于冷却才收缩。现代科学研究发现，星云并不热，温度平均只有-173℃—-263℃。可见收缩不是由于冷却而是由于自吸引发生的，星云越收缩，温度越高。

虽然康德与拉普拉斯在太阳系由“原始星云”发展而成这一点上是一致的，但是在对“原始星云”是由什么东西组成上观点并不相同。康德认为原始星云是弥散的固体微粒，而拉普拉斯则认为原始星云是一些非常灼热的气体云，拉普拉斯的星云说比康德的星云说有以下几点进步。

首先，康德的斥力概念是错误的。斥力不会导致质点团绕太阳公转，更无法说明形成的行星都以同一方向绕太阳公转。而拉普拉斯假设星云在自转，因而显得合理、自然。其次，拉普拉斯在讨论太阳系起源的过程时，明确提出了温度的变化，尽管温度由热变冷的过程是错误的，但对于温度变化产生影响的考虑超越了以往只考虑力的影响的范围。第三，拉普拉斯的唯物观点更加彻底。

曾经有这样一个传说：拉普拉斯在完成《天体力学》这部巨著之后，把书献给拿破仑，有人告诉拿破仑说，这本书没有提到上帝的名字。拿破仑是一个喜欢故意为难人的君主，他想惹恼拉普拉斯，责备他犯了一个明显的错误：“你写了这本世界体系的大书，却一次也没有提到宇宙的创造者。”拉普拉斯立即反驳说：“陛下，我不需要那样的假设。”

《宇宙体系论》全书包括篇和7个附录。前6个附录都是天文学史补充。其中附录一谈到中国古代周公测量的某些结果，附录六介绍过去观测的结果，其中还提到周公和郭守敬的结果。

在书中第五篇讲了“天文学史纲要”，介绍天文学的发展过程，其中反映了拉普拉斯的两个观点：一是天文学同其他学科一起并肩发展，它和数学、力学发展较快；二是在天文学的发展过程中真理和谬误交织在一起，天文学在不断淘汰谬误中发展。他说，天文学发展有3个主要时期：哥白尼以前，天文学家了解天象提出假说的时期；哥白尼的天文学革命到牛顿提出一些定律的时期；牛顿以后是第三时期，找到了万有引力是天体运动的原因，并用它解释一切天文现象。

对宇宙，拉普拉斯提出了一些观点，他认为，太阳系边界应比现在所知更远，还有更多的行星和卫星。在拉普拉斯生活的时代，人们只知道太阳系有7颗行星，最远的一颗是天王星。这个推断被后来的科学观测所证实。他还认为，地球并不特殊，其他行星、其他行星系中都可能有生物，有适于它们生存的环境；太阳系和恒星都有起源，我们不能不懂装懂，不要为了自我安慰而去找原因，他对牛顿因不能解释行星轨道规律而认为是“上帝所作”的解释极为反对。

3．我们不知道的无限

拉普拉斯不仅在天文学方面有突出的成就，对数学的发展，也做出许多贡献。他一生共研究了100多个课题，写出专题报告和论文276篇，长篇专著共7卷。

拉普拉斯不仅做研究工作，而且在科学管理和培养人才方面，也做了一些工作。

在法国大革命以前，度量衡系统很混乱，人们在生活、工作中普遍用不同的度量单位，十二进制和十进制混用。混乱的度量单位不利于科学的发展，为了改变这种状况，巴黎科学院在1789年6月成立了以拉普拉斯和拉瓦锡（A.L.Lavoisier, 1743—1794）为首的“度量衡委员会”来研究制定公制系统，最后确定了长度单位，他们根据从法国敦刻尔克到西班牙巴塞罗那的大地测量结果，正式决定长度单位“米”为巴黎子午线全长的四千万分之一，然后用十进制确定厘米或者分米等更小的单位和更大的单位。这个长度单位比过去用秒摆定义长度要更加科学可靠，这套公制系统一直沿用至今。

在学术界，拉普拉斯有时也表现出对科研新人的慷慨。有一次，一位青年在巴黎科学院宣读一篇论文，是他经过几年的努力研究的成果。在宣读论文的时候，拉普拉斯正好也在场。当这位青年讲完下来坐回座位时，拉普拉斯把他叫到一边，给他看一份他自己还没有发表的发黄的旧手稿，而研究成果是完全相同的。可见，拉普拉斯比这个青年更早发现了结果。可是，拉普拉斯却非常神秘地告诉这位青年要保守秘密，接着干下去，并发表著作，自己不会和他争发明权。据说，这样的事发生在拉普拉斯身上不止一次。他对待科研新人非常热情。

拉普拉斯在法国大革命爆发后积极参加政治活动，1793年，国民议会宣布解散巴黎科学院，拉普拉斯等一批科学家遭到清洗。据说拉普拉斯逃脱了断头台，仅仅因为他被征召去为大炮计算弹道，并帮助指导制造用于火药的硝石。在遭到清洗前，拉普拉斯带着全家逃离巴黎，直到1年后才回来。

在法国大革命之前，拉普拉斯曾被任命为皇家炮兵学校考官。1785年对拉普拉斯是非常重要的一年。首先，拉普拉斯在这一年晋升为科学院士。其次，这一年一名16岁的少年考入皇家炮兵学校，拉普拉斯作为考官对这名考生进行了考试，这名少年就是后来在法国称帝的拿破仑。这改变了拉普拉斯的生活。

拿破仑非常重视拉普拉斯这位昔日的考官。雾月政变后，拿破仑成为法国最高执政官。很快，拉普拉斯被任命为内政部长，在当时，内政部的职责是处理经济和警务以外的全国国内事务。可见，拉普拉斯的地位和权力是非常高的。拉普拉斯尽管是一个优秀的科学家，但是他做行政工作却非常糟糕，拉普拉斯积极参与政治为后人留下不好的印象，在担任了6周的内政部长之后，拿破仑认为他不适宜任行政官员，又提名拉普拉斯为上议院议员，并于1803年当选为议长。拿破仑给予拉普拉斯最高的俸禄，年收入超过10万法郎。在拿破仑称帝后，拉普拉斯又被封为伯爵。1827年3月，拉普拉斯78岁的时候去世，在他最后的日子里，他反复背诵一句话：“我们知道的不多，我们不知道的无限。”

4．没有结尾的故事

科学在不断地发展，人类社会在不断地进步，尽管现在的我们在回顾过去，看几百年前科学家的新发明、新发现的时候，可能会感到简单，会感到可笑，会看出许多的不足，可是我们却不能不敬佩他们对他们所从事的事业的热爱，不能不敬佩他们敢作敢为，敢为天下先的智慧和勇气。伟人已去，思想犹存。他们的思想不断启发后人的思想，推动社会不断发展进步。

康德和拉普拉斯虽然已经化作泥土，但是他们提出的太阳系演化假说，蓬勃发展。到现在，太阳系演化假说已达100个以上。

19世纪末以前，牛顿的经典力学体系在天文学上取得了极大的胜利，使天文学的研究发展到一个比较高的层次。牛顿的经典力学体系是建立在绝对时空观的基础上的。按照牛顿的观点，绝对的时空观就是不管空间还是时间，它们都是与外界事物无关的。时间，由于其本性而在均匀地流逝；空间，也由于其本性永远相同和不动。牛顿的绝对时空观割裂了时间、空间，物质和物质运动内在的联系，存在着缺陷。德国物理学家爱因斯坦（Albert Einstein, 1879—1955）分别在1905年和1915年创立了狭义相对论和广义相对论，带来了时空观念的深刻变革，它彻底破除了绝对时空观。爱因斯坦曾风趣地说：“以前大家相信，要是宇宙间一切物质都消失了，那就留下了时间和空间。但是，根据相对论，物质消失了，时间和空间也就跟着一起消失了。”时空观念上的革命，也带来了天文学方法上的变革，使一批科学家根据相对论探讨宇宙的起源和结构。

尽管目前已有上百个关于太阳系演化的假说，但是要彻底圆满地解释宇宙以及太阳系各种各样现象的起源，还需要几代甚至几十代科学家们的共同努力，“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”，不畏艰辛的探索者通过努力，一定会找到正确的答案。

注　释

1　古希腊天文学家托勒密的代表作。