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当拉普拉斯将他的《天体力学》一书送给拿破仑后，拿破仑说：'你写了这本关于世界体系的大书，却一次也没有提到宇宙的创造者。'拉普拉斯反驳说：'陛下，我不需要这个假设。'他决心将上帝赶出宇宙……科普君在数学史话系列中就谈到了拉普拉斯的生平以及他在数学上的成就，今天就再来谈谈他在物理，特别是天体力学上的贡献吧。 皮埃尔·西蒙·拉普拉斯 18世纪70年代，牛顿的万有引力定律早已经被欧洲的物理学界奉为圭臬，但是总是会有一些一时无法用万有引力定律解释的现象出现。比如当时一个非常著名的难题：木星轨道为什么在不断地收缩，而同时土星的轨道又在不断地膨胀。这是一个非常困难的问题，它让人们提出一个非常严重的问题：长此以往，太阳系还能稳定存在吗？拉普拉斯也开始思考这个问题，从1773年直到1786年，一共13年的时间，拉普拉斯终于取得了决定性的成果：他建立起了天体摄动理论，用它来解释木星、土星的轨道运动。拉普拉斯认为：太阳系中既会出现木星轨道变小而土星轨道变大的现象，也会出现木星轨道变大而土星轨道变小的现象，这是一种周期性的变化现象，而它们的周期长达900年。拉普拉斯还进一步指出：太阳系中行星的轨道半径、偏心率等只有周期变化而不存在随时间无限增大或无限减小的长期变化，因此太阳系不会解体，是一个稳定的系统。由于当时拉格朗日也独立于拉普拉斯发现了类似的理论，所以人们就把它命名为太阳系稳定的拉普拉斯-拉格朗日定理。 太阳系 1784-1789年期间，拉格朗日在早年将万有引力定律推广到不同形状物体间吸引的基础上，研究了椭球状天体对外面一质点的吸引，发现了引力在直角坐标或球坐标中的分量可用被称为势函数的偏导数来表示，这个势函数满足一个二阶线性齐次偏微分方程（这个方程后来被称为拉普拉斯方程），这项研究开创了天文学力学中的位势理论。1788年，拉普拉斯用地球轨道偏心率的变化成功讨论了月球运动的长期加速现象。他所提出的方法后来成为了天体力学中的摄动理论的基础。 拉普拉斯方程 1789-1793年，拉普拉斯在讨论黄赤交角变化的基础上，提出了'拉普拉斯不变平面'的概念，认为太阳系内存在一个通过太阳中心的平面，当所有行星轨道投影到此平面上时，行星运动的动量矩总和保持不变。从1799年起，他开始出版他的天文学巨著《天体力学》，直到1825年，才完全出齐。拉普拉斯也因为这本书而被称为法国的牛顿和天体力学之父。1814年拉普拉斯提出科学假设，假定如果有一个智能生物能确定从最大天体到最轻原子的运动的现时状态，就能按照力学规律推算出整个宇宙的过去状态和未来状态。这个智能生物后来就称为物理学界四大神兽之一的拉普拉斯妖（其他三个分别是芝诺的乌龟、麦克斯韦妖和薛定谔的猫，其中芝诺的乌龟我们已经在数学史话中谈到过，另外两个麦克斯韦妖和薛定谔的猫我们在以后的物理史话中都会说到）。 拉普拉斯妖 1796年，拉普拉斯出版了名著《宇宙体系论》，该书通俗介绍了当时天文学领域的各种成果，堪称那个时代的天文学基础教程。在该书中，拉普拉斯提出了一个太阳系起源的假说，他认为太阳系是由一团不断自转着的、巨大的、近似球体的热气体星云逐渐凝聚而成的，即太阳系起源的星云说。在拉普拉斯之前，德国的哲学家康德就曾经出版过《自然通史和天体论》一书，在书中，康德也提出了一个太阳系起源的星云假说，但是康德是从哲学的角度提出的这个假说，因此并为在天文学界和物理学界引起注意。拉普拉斯的星云假说则建立在他的强大的数学逻辑的基础上的，使得其物理图像更加的清晰，再加上拉普拉斯本人巨大的学术声望，使得这个假说很快就产生了广泛的影响，人们常常把他们两人的星云说称为'康德-拉普拉斯星云说'。而康德的《自然通史和天体论》一书也得以在1799年再版。 星云 拉普拉斯在天文学上还有一个重大的贡献，那就是'黑洞理论'。他在18世纪末的时候就曾经预言了光无法从其表面发射出来的'黑暗的天体'的存在，他把牛顿的逃逸速度的概念和光的速度是有限的认识结合了起来，从而发现了万有引力定律的一个最富有魅力的结果--黑洞理论。1796年，拉普拉斯通过计算指出：'天空中存在着黑暗的天体，像恒星那么大，或许也像恒星那么多。一个具有与地球同样的密度，而直径为太阳250倍的明亮的星球，它发射的光将被它自身的引力拉住而不能被我们接收。正是这个道理，宇宙中最明亮的天体很可能却是看不见的。'不过我们现在都知道，黑洞理论是建立在爱因斯坦的广义相对论的基础之上的。根据广义相对论，黑洞周围的空间高度弯曲，光线自然地被局限在此空间内。而拉普拉斯根据牛顿的逃逸速度理论建立的模型是这样的：光线在黑洞表面射到一定高度后，在黑洞的引力作用下被拉回黑洞。尽管这种理论与爱因斯坦的理论是完全不同的，但是拉普拉斯无疑是黑洞理论的先驱。 黑洞 1827年，拉普拉斯在距离巴黎不远的阿格伊的乡间别墅中安然去世，享年78岁。 |
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