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木星、土星与太阳系的稳定性

牛顿用一条定律解释了行星的轨道,但他知道这条定律带来了一个问题。每颗行星都受太阳吸引,也受其他行星的一点点吸引。这些小小的吸引会随时间累积。牛顿怀疑,从长远看,太阳系会变得混乱,需要上帝不时出手,把它重新整理好。 木星与土星之谜 天文学家有理由担心。比较古代和近代的观测,埃德蒙·哈雷在 1695 年注意到,木星似乎走得越来越快,土星越来越慢。如果这是一个永久的趋势,木星最终会掉进太阳,土星会消失在太空中。欧拉和拉格朗日都试图解释这一现象,但没有成功。 1785 年,拉普拉斯找到了答案。这不是趋势,而是一种非常缓慢的振荡,周期将近 900 年。天文学家只看到了其中一小段,把这一段误当成了直线。 五圈对两圈 关键在于周期。木星绕太阳一圈约需 11.86 年,土星约需 29.46 年。也就是说,它们每年前进 $$n_J = \frac{360^\circ}{11.86} \approx 30.35^\circ, \qquad n_S = \frac{360^\circ}{29.46} \approx 12.22^\circ.$$请注意,土星的两圈和木星的五圈几乎一样长:$2 \times 29.46 = 58.9$ 年,$5 \times 11.86 = 59.3$ 年。我们说这两颗行星接近 5 比 2 的共振。起作用的差是 $$2n_J - 5n_S \approx 60.70^\circ - 61.10^\circ = -0.40^\circ \text{ 每年}.$$这个差很小,正因如此,扰动需要很久才能消解:这个角转完整一圈需要 $$\frac{360^\circ}{0.40^\circ \text{ 每年}} \approx 880 \text{ 年}.$$三角形上的合 还有一种直观的方式来看同一件事。两颗行星与太阳排成一线,即发生合,每隔 $$\frac{1}{\frac{1}{11.86} - \frac{1}{29.46}} \approx 19.86 \text{ 年}$$发生一次,每次合都比上一次前移约 $242.7^\circ$。连续三次合前移 $3 \times 242.7^\circ = 728.1^\circ$,也就是两整圈再加 $8.1^\circ$。所以合几乎总是落在天空中同样的三个位置,构成一个近似等边三角形的三个顶点,而这个三角形在缓慢旋转。正是在这些位置,一颗行星对另一颗的拉扯不断重复、叠加:

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星云假说

1796 年的《宇宙体系论》是一本写给没有数学训练的读者的书。拉普拉斯在书里用散文讲述了天体力学的全部发现。在书的末尾,他在一条注释里——他自己说,是“带着对一切非观测或计算结果之物所应有的怀疑”——大胆提出了太阳系起源的解释。 《宇宙体系论》第二版扉页,1798 年(共和历七年)。Pierre-Simon Laplace · Wikimedia Commons · 公有领域 巧合得过分 拉普拉斯从人人皆知的事实出发。当时已知的行星都朝同一方向绕太阳运行,轨道几乎在同一平面上,而且接近圆形。它们的自转方向也相同,卫星绕行星的方向同样如此。把行星、卫星和自转加起来,拉普拉斯数出了 43 个运动,全都朝同一方向。 如果每个运动都可能偶然地朝这边或那边,概率各为 $\frac{1}{2}$,那么它们全部一致的概率是多少?第一个运动选定方向,其余 42 个必须跟随: $$\left(\frac{1}{2}\right)^{42} = \frac{1}{4\,398\,046\,511\,104} \approx \frac{1}{4.4 \times 10^{12}}.$$拉普拉斯写道,可以用“四万亿以上对一”打赌,这种排列有一个共同的原因。这是把概率推理用在天空上,非常有他的风格:他不只是说这个巧合很奇怪,而是把它量了出来。 旋转的云 他提出的原因是这样的。最初,太阳被一层巨大而炽热的大气——一团星云——包围着,它缓慢旋转,延伸到今天各行星轨道之外。云团冷却时会收缩,而收缩时转得越来越快,直到边缘处离心力等于引力,物质环便脱离出来。每个环聚集成一颗行星,旋转方向与原来的云团相同。卫星也以同样方式由行星的大气中产生。 为什么收缩的云会转得更快?这是角动量守恒,和花样滑冰运动员收拢双臂时加速旋转是同一个道理。质量为 $m$、距转轴 $r$、角速度为 $\omega$ 的物体,角动量为 $$L = m\,r^2\,\omega.$$没有外力矩时,$L$ 不变。如果云团收缩到原来半径的一半,$r^2$ 变为四分之一,为了补偿,$\omega$ 变为四倍: $$m\,r^2\,\omega = m\left(\frac{r}{2}\right)^2\omega' \quad\Rightarrow\quad \omega' = 4\omega.$$ 康德、拉普拉斯与角动量问题 四十年前的 1755 年,哲学家伊曼努尔·康德发表过类似的想法,认为太阳系由一团尘埃云形成。拉普拉斯似乎不知道康德的书,但到了 19 世纪,两种设想被合称为康德-拉普拉斯假说。它遇到了一个严重的反驳:太阳拥有太阳系 99.8% 的质量,却只有约 1% 的角动量;如果云团只是单纯收缩,太阳应该转得快得多。答案在 20 世纪才出现:磁场和星风让年轻的恒星减速,把角动量带到外面。今天,望远镜拍到了年轻恒星周围的原行星盘,比如金牛座 HL 星的盘,上面有环和缝隙,似乎正有行星在形成。现代理论与拉普拉斯的版本差别很大,但核心图景保留了下来:恒星和行星诞生于旋转的气体尘埃盘。 练习:收缩的恒星太阳半径约 $700\,000$ 千米,每 25 天自转一圈。如果它在不损失质量和角动量的情况下收缩到半径 10 千米,像一颗中子星那样,新的自转周期是多少?(假设质量分布的形状不变,因此 $L \propto r^2\omega$。) 半径缩小 $\frac{700\,000}{10} = 70\,000$ 倍,所以 $\omega$ 增大 $70\,000^2 = 4.9 \times 10^9$ 倍。周期按同样比例缩短:$25 \text{ 天} = 2\,160\,000$ 秒,$\frac{2\,160\,000}{4.9 \times 10^9} \approx 4.4 \times 10^{-4}$ 秒。不到半毫秒:这正是已知最快脉冲星的数量级。

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数沙者

革隆王啊,有些人认为沙粒的数目是无穷的。我要向你证明,我所命名的数中,有一些不仅超过能填满大地的沙粒数,甚至超过能填满宇宙的沙粒数。 — 阿基米德,《数沙者》,致革隆国王的信 《数沙者》是写给希伦国王之子革隆的一封信,也是阿基米德唯一一部为非数学家读者写的书。问题是要证明:存在一个数,比填满整个宇宙所需的沙粒数还要大。 没有名字的数 难点不在计算,而在命名。希腊的记数法用字母表示数字,实际上只能写到万(myriad),即 10 000。“万万”,即 $10^8$,已经是一个巨大的数了。阿基米德提出继续往上: 不超过 $10^8$ 的数构成第一级; 把 $10^8$ 当作新的单位,不超过 $10^8 \cdot 10^8 = 10^{16}$ 的数构成第二级; 依此类推,直到第 $10^8$ 级,它结束于 $\left(10^8\right)^{10^8} = 10^{800\,000\,000}$。 所有这些级构成第一周期。阿基米德又继续用周期往上数,一直到 $10^{8 \cdot 10^{16}}$。本质上,这就是把底数的幂当作台阶,也正是科学记数法背后的思想。 宇宙的大小 要填满宇宙,就得知道宇宙有多大。阿基米德采用了当时天文学家所提出的最大的宇宙:萨摩斯的阿里斯塔克斯的宇宙,他把太阳放在中心,地球绕着太阳转。在这个模型里,恒星必须远到在一年之中察觉不到它们有任何视位移。 哥白尼之前的日心说 阿里斯塔克斯论述这个问题的著作已经失传。我们对他以太阳为中心的模型的了解,主要来自《数沙者》中的这一段:阿基米德概述了这个假说,把它当作最极端的情形来使用。十八个世纪后,哥白尼知道阿里斯塔克斯的想法,甚至在《天体运行论》的手稿中提到过他,但那一段在印刷版中被删掉了。 接着,阿基米德做了估计,而且总是往安全的一边夸大:一粒罂粟籽里能装多少沙粒,一指宽能排多少粒罂粟籽,一斯塔德(约 180 米)有多少指宽,宇宙的直径有多少斯塔德。把这些全部乘起来,他得出阿里斯塔克斯的宇宙能装下的沙粒少于 $$10^{63} \text{ 粒}.$$这是第一周期中第八级的一个数,离他所发明系统的极限还远得很。 国王为什么想知道这个 这本书是关于无穷本身的一课。许多人把“非常大”和“无穷”混为一谈。阿基米德说明,即使是看似无法想象的数量,也有一个数,数学能给它命名,还能超越它。同时,这本书也汇集了当时的天文知识:太阳、月亮和地球的大小,甚至还有阿基米德本人对太阳视直径的测量。 练习:万用 10 的幂表示一万、万万,以及第二级的最后一个数。 一万:$10^4$。万万:$10^4 \cdot 10^4 = 10^8$,第一级的终点。第二级以 $10^8$ 为单位,一直到 $10^8 \cdot 10^8 = 10^{16}$。 练习:一个现代的数据估计,可观测宇宙中约有 $10^{80}$ 个原子。这个数落在阿基米德系统的哪一级? 第 $k$ 级从 $10^{8(k-1)}$ 到 $10^{8k}$。对 $10^{80}$,需要 $8(k-1) < 80 \le 8k$,即 $k = 10$:$10^{80}$ 恰好是第一周期第十级的最后一个数。阿基米德为数沙而创造的系统,用来数宇宙中的原子仍然绰绰有余。