现代科学背景下的太阳系

汉南斯·阿尔文

  汉南斯·阿尔文(1908——),瑞典物理学家。生于乌普萨拉。1934年获哲学博士学位。1940年起任电学教授、电子学教授、等离子体物理学教授。1970年至1975年任科学与世界事务帕格沃什会议主席。英国皇家学会会员,美国、瑞典、苏联等科学院院士。1970年以研究磁流体动力学理论方面的成果,与人共获诺贝尔物理学奖。著有《宇宙电动力学》等。

  物理科学的重心总是转移着的。每一项新的发现都改变着它的兴趣和侧重点。同样重要的是,新的技术手段也为研究工作开辟着新的领域。从科学发展史来看,在很大程度上,科学研究的方法显然取决于新工具的制成。例如,经典力学和经典电磁学在19世纪发展后,本世纪初,高精度摄谱仪的制成就为物理学开创了一个新时代。这些摄谱仪在当时是一种非常复杂而昂贵的仪器,它使人们有可能探索原子外层。同样,30年代的复杂而又昂贵的工具回旋加速器对于人们探索原子核起了主要作用。最后,近10年来人们又亲眼目睹了更为复杂、更为昂贵的工具——宇宙飞船,发射这些飞船采用了高度发展的火箭技术,并装备了最尖端的电子设备。那么我们就可以问,如果说这些工具为科学研究开辟了新领域的话,究竟是哪些新领域?物理学的重心这一次是否也将随着重要的工具的制成而转移呢?
  宇宙研究开始的10年,主要集中探索地球附近的空间,即磁层和行星间空间。这些区域以前都假定为虚空而无结构的,但现在我们知道这些区域中充满了等离子体,由鞘状层状的不连续面交截,并弥漫着样式复杂的电流和电磁场。这样获得的知识,对于我们一般地理解等离子体特别是宇宙等离子体是十分重要的,因而对于我们的热核研究、银河系结构和总星系结构的研究以及宇宙学问题都间接地起着重要作用。在关于宇宙电动力学方面的越来越多的知识将使我们有可能去研究这些领域而比以往更少些猜测。等离子体的知识对于我们理解太阳系的起源和演化也是很重要的,因为我们有充分的理由相信,现在构成天体的那些物质曾经是以等离子态漫布着的。
  看来,空间探索的第二个10年,至少在某种程度上显示出一种不同的特点。由于磁层和行星际空间的一些基本问题尚未解决,这些领域当然仍将赢得人们很大的兴趣,但是,登月和对金星、火星等遥远空间的探测已给我们提供了许多新的事实,致使空间探索的重点正在转向对月球、行星和太阳系其他天体的勘探。
  这种勘探的第一阶段必然有这样一种特点,正如对地球上极地和其他难以到达区域的探测那样,即详尽的测绘应结合有关地质、地震、磁性、重力的观测以及大气层的观测。不过如把这种研究方式运用到月球和其他行星上去的时候,人们将面临着另一个问题,即这些天体最初是怎样形成的。事实上近来许多有关空间探索的报告都以关于太阳系形成和演化的猜测作为结束。由此看来,在不久的将来,这必将成为空间探索要集中解决的问题。美国国家宇航局早就宣称,空间探索的主要科学目标是搞清楚太阳系究竟是怎样形成的,这的确是科学研究的基本问题。我们一直在力图作出一种关于地球和相邻星球如何“创造”出来的科学解释。可以说,从哲学观点来看,正像物质结构问题在本世纪前1/33时期引起了极大的兴趣那样,太阳系起源问题也将占据同等重要的地位。
  太阳系如何形成的问题,已成了有着大量各执一词的假设的论题。其原因是在这个问题上我们还缺少足够的物理基本知识,这些基本知识对于理解自然现象、判断哪些过程可能发生来说,是必不可少的。
  然而在详细讨论太阳系起源和演变理论之前,有必要确定一下,任何一种这样的理论应该有哪些一般的特征。过去人们把太多的注意力集中在太阳周围行星的形成上,这样做产生的不幸后果之一,就是许多有关太阳系起源的理论都是以太阳本身早期演化史为基础的,这个基础非常不可靠,因为对于太阳和其他恒星如何形成的看法一直是有激烈争议的。由于认识到木星、土星和天王星的卫星与太阳的行星很相似,至少是一样有规则,所以看来现在致力于研究中心天体周围伴星形成的一般理论,要更为恰当些,而把研究行星的形成只看作是这个一般理论的一种应用。
  对太阳系先后顺序的研究常常被称为宇宙演化学,然而这个词还用在许多其他场合。由于太阳系起源的问题,本质上是主星周围形成伴星这样一种过程反复进行的问题,所以已建议采用“伴星演化学”这个词。
  导致太阳系形成的过程看来可能是(差不多得到普遍的赞同)初始的等离子体密集在中心天体的某个区域中,凝聚成固态尘粒。尘粒逐渐吸积成星胚,再进一步吸积,形成较大的星体。如果中心天体是太阳,就成了行星,如中心天体是行星,就成了卫星。对小行星在伴星演化图中的地位人们是有争议的。这些小行星以前一般被认为是大行星爆炸后的碎块,但是现在为数越来越多的论据认为,它们就是、或者至少类似于行星形成过程中的中间态。
  在作了这样一番时间和空间上的奥德赛式漫游之后,我们将回到问题的出发点——新的技术手段是怎样转移了物理科学的重心。本世纪初物理学所发生的重大革命,意味着经典力学和经典电动力学作为一个研究领域,被认为多少已经过时了。引起人们兴趣的新领域是相对论和量子力学,实验工作大部分集中在探索原子壳层方面。核物理的进展,标志着在这个方向又跨进了一步。
  然而,随着等离子体物理学和空间研究的兴起而出现的新倾向,在某种程度上都是背道而驰的。在这些领域中,量子力学和相对论并不显得十分重要。相反,经典力学恢复了活力,它不但在计算宇宙飞船轨道方面,而且在研究自然界中天体在其演化史中的运动方面,都是必不可少的。经典电磁学对磁等离子体理论也具有决定性的重要意义,而磁等离子体一般来说又是热核研究和天体物理学的基础。但是这并不表明我们应像50年前那样去犯错误,去宣布原子物理和核物理行将过时。它们是不会过时的,它们还有继续前进的巨大惯性,还会产生新的有趣的成果。然而它们已经有了旗鼓相当的竞争者,这就是早些时候被宣传已经陈旧而今天又重新崛起的那些领域。
  很可能,这个新时代还意味着明白易懂的物理学又部分地回来了。对于非专业人员来说,四维空间的相对论和原子结构中的非决定论总是神秘而难以理解的。我认为解释等离子体物理中的33个不稳定性或太阳系的共振结构是比较容易的。进一步强调这些新领域的重要性,在某种程度上意味着物理学的消除神秘化。科学在几个世纪以来作了这么一个螺旋和次摆线式的运动以后,带头的中心又回到了原来出发的地方。几千年前,科学的起点正是那些印度人、苏末人或埃及人所观察到的夜空中的奇观。而几百年前触发了科学蓬勃发展的也正是为什么行星会如此运动的问题。同一对象今天又成为科学的中心,只是我们所提出的问题不同了。现在我们要问的是如何到太空中去,以及这些天体是怎么形成的?如果我们观察天体的那片天空,位于高纬度,就在这演讲厅之外,或者就是在斯德哥尔摩诸岛的某个小岛上方,我们就能在天空中看到极光,那就是宇宙等离子体。这些极光使我们回想起我们所在的世界诞生于等离子体的那个时刻,因为我们的世界一开始正是这种等离子体。