漢南斯·阿爾文:現代科學背景下的太陽系

漢南斯·阿爾文(1908——),瑞典物理學家。生於烏普薩拉。1934年獲哲學博士學位。1940年起任電學教授、電子學教授、等離子體物理學教授。1970年至1975年任科學與世界事務帕格沃什會議主席。英國皇家學會會員,美國、瑞典、蘇聯等科學院院士。1970年以研究磁流體動力學理論方面的成果,與人共獲諾貝爾物理學獎。著有《宇宙電動力學》等。

物理科學的重心總是轉移著的。每一項新的發現都改變著它的興趣和側重點。同樣重要的是,新的技術手段也為研究工作開闢著新的領域。從科學發展史來看,在很大程度上,科學研究的方法顯然取決於新工具的製成。例如,經典力學和經典電磁學在19世紀發展後,本世紀初,高精度攝譜儀的製成就為物理學開創了一個新時代。這些攝譜儀在當時是一種非常複雜而昂貴的儀器,它使人們有可能探索原子外層。同樣,30年代的複雜而又昂貴的工具迴旋加速器對於人們探索原子核起了主要作用。最後,近10年來人們又親眼目睹了更為複雜、更為昂貴的工具——宇宙飛船,發射這些飛船採用了高度發展的火箭技術,並裝備了最尖端的電子設備。那麼我們就可以問,如果說這些工具為科學研究開闢了新領域的話,究竟是哪些新領域?物理學的重心這一次是否也將隨著重要的工具的製成而轉移呢? 
宇宙研究開始的10年,主要集中探索地球附近的空間,即磁層和行星間空間。這些區域以前都假定為虛空而無結構的,但現在我們知道這些區域中充滿了等離子體,由鞘狀層狀的不連續面交截,並瀰漫著樣式複雜的電流和電磁場。這樣獲得的知識,對於我們一般地理解等離子體特別是宇宙等離子體是十分重要的,因而對於我們的熱核研究、銀河系結構和總星系結構的研究以及宇宙學問題都間接地起著重要作用。在關於宇宙電動力學方面的越來越多的知識將使我們有可能去研究這些領域而比以往更少些猜測。等離子體的知識對於我們理解太陽系的起源和演化也是很重要的,因為我們有充分的理由相信,現在構成天體的那些物質曾經是以等離子態漫布著的。 
看來,空間探索的第二個10年,至少在某種程度上顯示出一種不同的特點。由於磁層和行星際空間的一些基本問題尚未解決,這些領域當然仍將贏得人們很大的興趣,但是,登月和對金星、火星等遙遠空間的探測已給我們提供了許多新的事實,致使空間探索的重點正在轉向對月球、行星和太陽系其他天體的勘探。 
這種勘探的第一階段必然有這樣一種特點,正如對地球上極地和其他難以到達區域的探測那樣,即詳盡的測繪應結合有關地質、地震、磁性、重力的觀測以及大氣層的觀測。不過如把這種研究方式運用到月球和其他行星上去的時候,人們將面臨著另一個問題,即這些天體最初是怎樣形成的。事實上近來許多有關空間探索的報告都以關於太陽系形成和演化的猜測作為結束。由此看來,在不久的將來,這必將成為空間探索要集中解決的問題。美國國家宇航局早就宣稱,空間探索的主要科學目標是搞清楚太陽系究竟是怎樣形成的,這的確是科學研究的基本問題。我們一直在力圖作出一種關於地球和相鄰星球如何「創造」出來的科學解釋。可以說,從哲學觀點來看,正像物質結構問題在本世紀前1/33時期引起了極大的興趣那樣,太陽系起源問題也將佔據同等重要的地位。 
太陽系如何形成的問題,已成了有著大量各執一詞的假設的論題。其原因是在這個問題上我們還缺少足夠的物理基本知識,這些基本知識對於理解自然現象、判斷哪些過程可能發生來說,是必不可少的。 
然而在詳細討論太陽系起源和演變理論之前,有必要確定一下,任何一種這樣的理論應該有哪些一般的特徵。過去人們把太多的注意力集中在太陽周圍行星的形成上,這樣做產生的不幸後果之一,就是許多有關太陽系起源的理論都是以太陽本身早期演化史為基礎的,這個基礎非常不可靠,因為對於太陽和其他恆星如何形成的看法一直是有激烈爭議的。由於認識到木星、土星和天王星的衛星與太陽的行星很相似,至少是一樣有規則,所以看來現在致力於研究中心天體周圍伴星形成的一般理論,要更為恰當些,而把研究行星的形成只看作是這個一般理論的一種應用。 
對太陽系先後順序的研究常常被稱為宇宙演化學,然而這個詞還用在許多其他場合。由於太陽系起源的問題,本質上是主星周圍形成伴星這樣一種過程反覆進行的問題,所以已建議採用「伴星演化學」這個詞。 
導致太陽系形成的過程看來可能是(差不多得到普遍的贊同)初始的等離子體密集在中心天體的某個區域中,凝聚成固態塵粒。塵粒逐漸吸積成星胚,再進一步吸積,形成較大的星體。如果中心天體是太陽,就成了行星,如中心天體是行星,就成了衛星。對小行星在伴星演化圖中的地位人們是有爭議的。這些小行星以前一般被認為是大行星爆炸後的碎塊,但是現在為數越來越多的論據認為,它們就是、或者至少類似於行星形成過程中的中間態。 
在作了這樣一番時間和空間上的奧德賽式漫遊之後,我們將回到問題的出發點——新的技術手段是怎樣轉移了物理科學的重心。本世紀初物理學所發生的重大革命,意味著經典力學和經典電動力學作為一個研究領域,被認為多少已經過時了。引起人們興趣的新領域是相對論和量子力學,實驗工作大部分集中在探索原子殼層方面。核物理的進展,標誌著在這個方向又跨進了一步。 
然而,隨著等離子體物理學和空間研究的興起而出現的新傾向,在某種程度上都是背道而馳的。在這些領域中,量子力學和相對論並不顯得十分重要。相反,經典力學恢復了活力,它不但在計算宇宙飛船軌道方面,而且在研究自然界中天體在其演化史中的運動方面,都是必不可少的。經典電磁學對磁等離子體理論也具有決定性的重要意義,而磁等離子體一般來說又是熱核研究和天體物理學的基礎。但是這並不表明我們應像50年前那樣去犯錯誤,去宣佈原子物理和核物理行將過時。它們是不會過時的,它們還有繼續前進的巨大慣性,還會產生新的有趣的成果。然而它們已經有了旗鼓相當的競爭者,這就是早些時候被宣傳已經陳舊而今天又重新崛起的那些領域。 
很可能,這個新時代還意味著明白易懂的物理學又部分地回來了。對於非專業人員來說,四維空間的相對論和原子結構中的非決定論總是神秘而難以理解的。我認為解釋等離子體物理中的33個不穩定性或太陽系的共振結構是比較容易的。進一步強調這些新領域的重要性,在某種程度上意味著物理學的消除神秘化。科學在幾個世紀以來作了這麼一個螺旋和次擺線式的運動以後,帶頭的中心又回到了原來出發的地方。幾千年前,科學的起點正是那些印度人、蘇末人或埃及人所觀察到的夜空中的奇觀。而幾百年前觸發了科學蓬勃發展的也正是為什麼行星會如此運動的問題。同一對像今天又成為科學的中心,只是我們所提出的問題不同了。現在我們要問的是如何到太空中去,以及這些天體是怎麼形成的?如果我們觀察天體的那片天空,位於高緯度,就在這演講廳之外,或者就是在斯德哥爾摩諸島的某個小島上方,我們就能在天空中看到極光,那就是宇宙等離子體。這些極光使我們回想起我們所在的世界誕生於等離子體的那個時刻,因為我們的世界一開始正是這種等離子體。

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