張嘉懿

(中國(guó)科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院，北京 100038)

1 引言

宇宙論(Cosmology)的主要內(nèi)容是研究宇宙的結(jié)構(gòu)，而宇宙生成論(Cosmogony)的目的則是研究宇宙的發(fā)展變化。在18世紀(jì)之前，傳統(tǒng)意義上的宇宙生成論往往在宗教神學(xué)的領(lǐng)域，并不屬于天文學(xué)的研究范疇。18世紀(jì)的天文學(xué)開(kāi)始從幾何天文學(xué)向天體力學(xué)轉(zhuǎn)變，宇宙生成論也漸漸開(kāi)始擺脫原本的神學(xué)色彩，走上哲學(xué)思辨與牛頓力學(xué)結(jié)合的道路?？档?、賴特(Thomas Wright)和朗伯特(J. D. Lambert)等人均基于牛頓力學(xué)提出了各自的天體演化理論。然而，這些理論仍然不能說(shuō)是天文學(xué)意義上的演化論，它們?nèi)狈μ煳膶W(xué)最基本的要素——觀測(cè)證據(jù)的支持。

威廉·赫歇爾是真正意義上將宇宙生成論提升到天文觀測(cè)層面的第一人(1)構(gòu)成本文寫(xiě)作動(dòng)機(jī)之一的Simon Schaffer教授的文章(見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5])并不同意赫歇爾真的提出了星云演化理論乃至某種程度上建立了現(xiàn)代天文學(xué)，本文同意Simon Schaffer關(guān)于赫歇爾在他的天文學(xué)研究中事實(shí)上扮演了博物學(xué)家的角色這一觀點(diǎn)，同時(shí)本文也認(rèn)為赫歇爾的理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)意義上的宇宙生成論轉(zhuǎn)為現(xiàn)代意義上的演化論，赫歇爾恰恰是通過(guò)博物學(xué)分類法這一前人未曾想象的方法開(kāi)創(chuàng)了研究天體演化的新紀(jì)元。。亞歷山大·馮·洪堡(Alexander von Humboldt)曾經(jīng)在他的《宇宙》(Kosmos)一書(shū)中對(duì)此做過(guò)精準(zhǔn)概括——“賴特、康德和朗伯特通過(guò)基于推理的結(jié)論預(yù)測(cè)了世界的一般系統(tǒng)和物質(zhì)在太空中的分布，而赫歇爾通過(guò)觀測(cè)進(jìn)行了研究”。赫歇爾使用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行“巡天”以大量觀測(cè)星云，并引入博物學(xué)的分類方法研究天文學(xué)，創(chuàng)造了天文學(xué)方法上的一次革命。經(jīng)由不斷發(fā)現(xiàn)新的觀測(cè)事實(shí)，赫歇爾關(guān)于星云本質(zhì)的觀念經(jīng)歷了幾次轉(zhuǎn)變，這些轉(zhuǎn)變也直接影響了他的宇宙演化理論。此外，作為18世紀(jì)的天文學(xué)家，赫歇爾也和眾多同時(shí)代的哲學(xué)家、天文學(xué)家一樣引入萬(wàn)有引力來(lái)作為宇宙生成演化的基本動(dòng)力，最終形成一個(gè)物質(zhì)不斷收縮的凝縮宇宙。

目前專門(mén)研究赫歇爾宇宙論的文章不多，本文不僅論述赫歇爾宇宙論的具體內(nèi)容，更是將其放入其產(chǎn)生的時(shí)代背景中去進(jìn)行對(duì)比，從而強(qiáng)調(diào)赫歇爾的宇宙論有別于傳統(tǒng)意義上的宇宙生成論，從方法論到理論提出都具有體現(xiàn)代宇宙演化論的一些特點(diǎn)。

2 從宇宙生成論到宇宙演化論

長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于宇宙生成論的討論事實(shí)上不屬于天文學(xué)家職責(zé)的范疇，在18世紀(jì)中后期大多數(shù)宇宙生成的觀點(diǎn)是哲學(xué)思辨加上牛頓力學(xué)的產(chǎn)物。無(wú)論是賴特、康德還是朗伯特都是通過(guò)推理來(lái)給出宇宙的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)在太空中的分布與生成，而區(qū)分思辨性質(zhì)的生成論和天文意義上的演化論重要的一點(diǎn)是天文觀測(cè)證據(jù)(2)盡管西方天文學(xué)很早就依據(jù)實(shí)際觀測(cè)而提出宇宙模型，如亞里士多德的水晶球模型，但這個(gè)長(zhǎng)期統(tǒng)治西方天文學(xué)的宇宙模型從根本上否定了宇宙中的物質(zhì)是生成演化的思想。18世紀(jì)，康德等人雖然提出宇宙演化思想，但卻缺乏觀測(cè)證據(jù)，因此是一種生成論(Cosmogony)，該詞不僅指科學(xué)意義上的生成演化，還往往具有宗教、神學(xué)和神秘主義色彩，比現(xiàn)代天文學(xué)中的宇宙演化論更為復(fù)雜。赫歇爾比同時(shí)代獨(dú)特之處在于他給出的宇宙圖景是建立在兩個(gè)基本研究原則之上的：(1)依據(jù)實(shí)際天文觀測(cè)證據(jù)；(2)分類法研究演化理論。這在當(dāng)時(shí)可看作是邁向現(xiàn)代宇宙演化理論的關(guān)鍵一步，是方法論上的革新。本文主要描述天體物理學(xué)誕生之前的情況，當(dāng)代一些宇宙論超越了觀測(cè)證據(jù)，使得觀測(cè)與思辨之間的關(guān)系比之赫歇爾時(shí)代更加模糊，這背后的思想雖然同樣值得研究探討，但超出了本文的范疇。，這也正是本文要重點(diǎn)討論的威廉·赫歇爾的宇宙論不同于前人的地方。

在論證赫歇爾工作之前，有必要回顧一下傳統(tǒng)意義上的宇宙生成論，以便理解赫歇爾宇宙論得以提出的時(shí)代背景以及它的突破性。

康德是18世紀(jì)中前期最重要的宇宙生成論者?？档略谒摹队钪姘l(fā)展史概論》中提到自己的理論受到另一位宇宙生成論者賴特的啟發(fā)([1]，頁(yè)11)。賴特在他1750年出版的《起源理論》一書(shū)中構(gòu)建了一個(gè)神學(xué)等級(jí)制的宇宙，整個(gè)宇宙空間按照月亮——行星——恒星——恒星系統(tǒng)這個(gè)層級(jí)遞進(jìn)，恒星不是隨機(jī)分布的，而是主要集中在一個(gè)扁平盤(pán)面(flat disk)上，每個(gè)恒星系統(tǒng)又受到“神圣中心”(divine centre)的支配[2]，這套宇宙論具有強(qiáng)烈的古希臘“自然階梯”(scala naturae)(3)古希臘人認(rèn)為萬(wàn)事萬(wàn)物都在一個(gè)連續(xù)的層次結(jié)構(gòu)中擁有特殊的位置。和中世紀(jì)神學(xué)的色彩。但同時(shí)賴特也深受牛頓力學(xué)的影響，他通過(guò)1718年哈雷發(fā)現(xiàn)的恒星自行現(xiàn)象推斷出恒星系統(tǒng)由中心引力維持，而正是這一點(diǎn)尤為康德所欣賞[2]，康德認(rèn)為賴特的理論揭示了宇宙的“系統(tǒng)構(gòu)成”[3]。

不同于一般單純通過(guò)哲學(xué)思辨和神學(xué)構(gòu)建的宇宙論，康德的理論依托于牛頓力學(xué)，該書(shū)前言可看作天體力學(xué)的宣言，第一章開(kāi)頭便強(qiáng)調(diào)了閱讀本書(shū)需要了解牛頓學(xué)說(shuō)以便理解。康德在本書(shū)中試圖解決恒星宇宙的構(gòu)造和解釋天體的起源這兩個(gè)問(wèn)題。在康德的宇宙論中，天體處在一個(gè)無(wú)限的、生成演化的圖景中，整個(gè)宇宙系統(tǒng)是循環(huán)的?！拔壹俣ㄕ麄€(gè)宇宙的物質(zhì)都處在于普遍的分散狀態(tài)，并由此造成一種完全的混沌”([1]，頁(yè)5—6)。然而他也強(qiáng)調(diào)，他的宇宙圖景不同于古代原子論者那種完全隨機(jī)狀態(tài)?？档抡J(rèn)為物質(zhì)是受某種必然規(guī)律所支配的，進(jìn)而發(fā)展成有序的整體。這種必然規(guī)律就是牛頓清楚論述的萬(wàn)有引力和牛頓語(yǔ)焉不詳?shù)某饬??？档抡J(rèn)為引力是物質(zhì)尚未形成天體時(shí)驅(qū)動(dòng)整個(gè)恒星系統(tǒng)動(dòng)起來(lái)的源動(dòng)力。他假設(shè)宇宙當(dāng)中有著大小不等的固體微粒，而在早期宇宙中存在一個(gè)引力最強(qiáng)的地方(也就是康德認(rèn)為的宇宙中心)將各個(gè)微粒吸引凝結(jié)過(guò)來(lái)形成團(tuán)塊，隨著團(tuán)塊越來(lái)越大，吸引的物質(zhì)也越來(lái)越多，最終形成太陽(yáng)。外圍的微粒又在太陽(yáng)的引力作用下繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)，這些繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)的微粒又會(huì)形成一個(gè)個(gè)引力中心吸引其他微粒，最后形成行星。

起初康德的理論并未產(chǎn)生轟動(dòng)，甚至不為人知。有20世紀(jì)的學(xué)者(4)Stanley Jaki在1981年發(fā)表的康德著作的英譯本時(shí)對(duì)康德的宇宙論地位給出了質(zhì)疑。批評(píng)康德理論不注重?cái)?shù)學(xué)推演和天文觀測(cè)事實(shí)，給了太多主觀判斷。不過(guò)批評(píng)者也承認(rèn)康德是一位偉大的“宇宙生成論學(xué)者”——即使他沒(méi)有宇宙生成的直接證據(jù)[4]。此外，盡管康德開(kāi)篇就說(shuō)了自己借助牛頓力學(xué)，然而在一些方面康德卻是反牛頓主義的[2]，比如在康德的星云假說(shuō)中不存在牛頓所謂的“第一推動(dòng)力”。

除了康德和賴特，德國(guó)物理學(xué)家、哲學(xué)家朗伯特也表達(dá)了類似演化的觀點(diǎn)。朗伯特在1761年出版的《宇宙書(shū)簡(jiǎn)》(CosmologischeBriefeüberdieEinrichtungdesWeltbaues)中提出了一個(gè)等級(jí)制度的宇宙模型。他認(rèn)為宇宙體系存在無(wú)窮的等級(jí)：太陽(yáng)系是第一級(jí)；包含太陽(yáng)的龐大星團(tuán)是第二級(jí)，第二級(jí)星團(tuán)中央有一個(gè)“中心太陽(yáng)”，其余恒星圍繞其運(yùn)動(dòng)；銀河系是龐大星團(tuán)的總和，是第三級(jí)；而銀河這種體系在宇宙中也是無(wú)數(shù)的，星云就是其他銀河，許多銀河構(gòu)成第四級(jí)。以上每一級(jí)都存在一個(gè)中心體支配該級(jí)體系。朗伯特的理論直接影響了赫歇爾，后者接受了朗伯特的等級(jí)宇宙觀和生成論，然而不同于同時(shí)代其他人的地方是，赫歇爾觀測(cè)研究了大量星云標(biāo)本從而提出基于觀測(cè)和分類演化理論。通過(guò)觀測(cè)，赫歇爾對(duì)星云本質(zhì)的認(rèn)識(shí)發(fā)生了幾次轉(zhuǎn)變，這些轉(zhuǎn)變深深地影響了他后來(lái)的演化論研究。

3 赫歇爾星云觀點(diǎn)的轉(zhuǎn)變

在赫歇爾之前，關(guān)于星云的記錄只有100多條，赫歇爾正式的星云觀測(cè)工作開(kāi)始于1781年，21年后的1802年他和妹妹卡羅琳將這個(gè)記錄增加到了2500條，極大地拓展了當(dāng)時(shí)人們對(duì)于星云的認(rèn)知。

1781年，赫歇爾的贊助人威廉·沃森(William Waston)送給他一份梅西耶星表[5]，而在此之前赫歇爾在他的天文學(xué)日記中記錄了他對(duì)于獵戶座星云的觀測(cè)。1774年3月1 日，他第一次看到了獵戶座星云(即梅西耶星表中的M42)，之前他通過(guò)羅伯特·史密斯(Robert Smith)1738年出版的《光學(xué)》(Opticks)一書(shū)中知道了這個(gè)星云[6]。在這本書(shū)中史密斯提到獵戶座中有6個(gè)“明亮的斑點(diǎn)”(lucid spots)，該發(fā)現(xiàn)是引自哈雷(Edmond Hally)1715年發(fā)表在《皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)會(huì)刊》(PhilosophicalTransactions)的觀測(cè)結(jié)果[6]。赫歇爾發(fā)現(xiàn)他觀測(cè)到的“亮斑”形狀與史密斯書(shū)中給出的輪廓圖不一樣，形狀似乎有所改變。這個(gè)觀測(cè)被多次證實(shí)，1778年12月他再次觀測(cè)獵戶座星云，聲稱“亮斑部分有一個(gè)可見(jiàn)的改變”，而到了1779年10月則是“很大的改變”[5]。

通過(guò)對(duì)獵戶座星云的觀察，赫歇爾的星云研究面臨兩個(gè)顯而易見(jiàn)的問(wèn)題等待他回答：(1)星云是否可以分解成恒星？(2)星云的形狀可以改變嗎？后面會(huì)看到，正是對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題的回答構(gòu)成了赫歇爾宇宙觀和星云研究工作的核心。

除了獵戶座，在1779年至1781年間赫歇爾還觀測(cè)了另外3個(gè)星云，記錄下來(lái)它們的形狀和是否從中看到恒星。這3個(gè)星云分別是：M31，觀測(cè)1次，沒(méi)能看到恒星；M11，觀測(cè)4次，并宣稱該星云由“眾多小星星”組成；M31(即仙女座大星云)，觀測(cè)兩次，沒(méi)有看到恒星[6]。

這些零星的觀測(cè)尚不能讓赫歇爾建立起關(guān)于星云的知識(shí)體系，此時(shí)他并沒(méi)有明確認(rèn)為星云全是可分解的星團(tuán)或是認(rèn)為部分星云確實(shí)是發(fā)光流體的觀念。1781年他開(kāi)始觀測(cè)梅西耶星表上的天體，次年8月赫歇爾兄妹從巴斯(Bath)搬到了位于英格蘭東南部的溫莎城堡(Windsor Castle)附近，赫歇爾正式成為了一名職業(yè)天文學(xué)家，英王喬治三世每年給他200英鎊的津貼，讓他專心天文學(xué)研究。

這時(shí)的赫歇爾才真正正式開(kāi)始了他系統(tǒng)性的星云研究工作。尤其1783年10月全新的20英尺反射鏡投入使用之后，他用這架望遠(yuǎn)鏡開(kāi)始觀測(cè)跨越子午線的星云，赫歇爾負(fù)責(zé)口述觀測(cè)到的星云，一旁的卡羅琳將其記錄下來(lái)，同時(shí)也記錄下該星云與北極間夾角與經(jīng)過(guò)子午線的時(shí)間([7]，p117)。赫歇爾用這架望遠(yuǎn)鏡“掃”過(guò)全天星空(也稱為“巡天”)，該方法的觀測(cè)原則基于以下四條假設(shè)開(kāi)展([7]，p182)：(1)恒星在空間分布是均勻的；(2)恒星的光度都是相同的，視亮度取決于距離(5)關(guān)于這點(diǎn)，盡管赫歇爾的雙星研究揭示了恒星的光度不僅僅與距離相關(guān)，然而他一直都堅(jiān)持距離-光度假設(shè)，并且還假設(shè)了宇宙空間完全透明，光在其中無(wú)損傳播，因此亮度與距離存在嚴(yán)格的平方反比關(guān)系。；(3)在假設(shè)(2)的基礎(chǔ)上一等星距離太陽(yáng)最近，一等星的距離是基本單位；(4)他的望遠(yuǎn)鏡指向任意方向都能看到該方向上銀河系最遙遠(yuǎn)的星。根據(jù)這幾條假設(shè)，他統(tǒng)計(jì)了各個(gè)方向上望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)內(nèi)可見(jiàn)恒星的數(shù)目，從而得出恒星分布的空間是個(gè)形狀不規(guī)則的“薄層”，并根據(jù)假設(shè)(2)和(3)得出銀河最大程度為850個(gè)一等星平均距離，厚度則不超過(guò)150個(gè)單位[8]，第一次得到了基于統(tǒng)計(jì)的銀河系結(jié)構(gòu)。

在星云研究方面，“巡天”的方法讓他發(fā)現(xiàn)了前人沒(méi)看到過(guò)的大量星云，也因?yàn)橥h(yuǎn)鏡設(shè)備的升級(jí)他看到了以前模糊朦朧的星云里確實(shí)存在恒星。1784年4月拉朗德(Joseph Jérme Lefran?ais de Lalande)給赫歇爾寫(xiě)信詢問(wèn)他是否相信“銀河系中那些白點(diǎn)是恒星或是某種產(chǎn)生星云的天體物質(zhì)”[5]，赫歇爾立即對(duì)這個(gè)問(wèn)題表示極大的關(guān)心。當(dāng)時(shí)主流的看法一是認(rèn)為星云是發(fā)光流體；二是可分解的星團(tuán)[6]。如果說(shuō)之前赫歇爾的態(tài)度不明確，在使用20英尺望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行“巡天”后他傾向于星云都是可以被強(qiáng)力望遠(yuǎn)鏡分解成一個(gè)個(gè)恒星的假設(shè)。根據(jù)他的觀測(cè)，梅西耶星表中M2，5，9，10，12，13，14，15，16，19，22，24，28，30，31，37，51，52，53，55，56，62，65，66，67，71，72，74，92這些從前據(jù)說(shuō)是無(wú)星的星云都可分解出恒星(resolvable)[9]。而M1(6)M1即著名的蟹狀星云，今天已經(jīng)知道這是一個(gè)公元1054年爆發(fā)的超新星遺跡，但在赫歇爾的時(shí)代顯然不可能認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)。，3，27，33，57，79，82，101盡管不明確但應(yīng)該也是可分的。而M7和M10，赫歇爾認(rèn)為“有些朦朧，但我想應(yīng)該可分”[9]。

他隨后寫(xiě)信給博德(Bode)說(shuō)“所有梅西葉天體都不過(guò)是一團(tuán)團(tuán)小星星”[5]。

1785年2月3日，赫歇爾發(fā)表了著名的《天的結(jié)構(gòu)》(On the Construction of the Heavens)一文，在這篇文章中他探討了星云形態(tài)問(wèn)題，并且再次肯定了只要有強(qiáng)力望遠(yuǎn)鏡那么所有星云都是可分的這一觀點(diǎn)。然而，在這篇文章中他也提到了對(duì)他后來(lái)星云觀念轉(zhuǎn)變有重大影響的一種星云——行星狀星云(Planetary Nebulae)。1785年的文章中他這樣描述這種天體[8]：

它們的行星外觀是如此引人注目，以至于我們很難想象它們是星云; 它們發(fā)出的光亮是如此均勻、生動(dòng)，直徑如此之小，使它幾乎不可能屬于哪一物種的天體(指星云)……

然而赫歇爾很快就發(fā)現(xiàn)這種天體也不可能是恒星或是別的已知天體。他寫(xiě)道：“……如果我們認(rèn)為它們是大直徑的單星，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的亮度不夠; 除非我們承認(rèn)某些恒星的內(nèi)在發(fā)光程度可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于平均，然而這實(shí)在很難想象(低到這個(gè)程度)……”

赫歇爾也猜測(cè)這種天體可能是彗星：“……我們可能會(huì)懷疑它們是遠(yuǎn)日點(diǎn)的彗星; 畢竟，我們幾乎找不到任何像星云那樣可能的假設(shè)。”

而赫歇爾所說(shuō)的星云的假設(shè)就是他在這篇文章中一再宣稱的：“……所有星云一定都是以最高程度壓縮和聚集的恒星所組成的……”

行星狀星云被赫歇爾首次發(fā)現(xiàn)于1782年9月，當(dāng)時(shí)他看到了一個(gè)“像土星的星云”，他稱之為“一個(gè)古怪的星云”[6]，并且沒(méi)有看到恒星。1785年的文章中他已經(jīng)很清楚地意識(shí)到這種星云與他現(xiàn)有的關(guān)于星云、恒星的假設(shè)存在重大矛盾，如果堅(jiān)持“所有星云都是由恒星組成的”則無(wú)法調(diào)和其中的矛盾。

行星狀星云自被赫歇爾第一次發(fā)現(xiàn)以來(lái)，疑問(wèn)縈繞了近乎十年之久。終于在1790年11月13日他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的行星狀星云——NGC1514，他稱之為“一個(gè)奇異的現(xiàn)象!”隨后在1791年的一篇文章中他這樣描述新發(fā)現(xiàn)的星云[10]：

……這個(gè)物體看起來(lái)自主發(fā)光(self-luminous)，它更像是通過(guò)凝聚來(lái)產(chǎn)生一顆恒星而不是已經(jīng)存在恒星……

這里包含兩個(gè)重要信息。其一是赫歇爾承認(rèn)了存在真正的不可分解成恒星的字面意義上的星云，放棄了他從1782年至1789年間堅(jiān)持的“所有星云都可以分解出恒星”的假設(shè)；其二赫歇爾認(rèn)為NGC1514類的行星狀星云是新恒星誕生的溫床。2月10日他在皇家學(xué)會(huì)宣讀論文時(shí)也稱分散的“發(fā)光流體”(luminous fluid)會(huì)穩(wěn)定收縮直到變成行星狀星云，然后再形成恒星和星團(tuán)。

赫歇爾關(guān)于星云觀點(diǎn)的轉(zhuǎn)變完全依據(jù)實(shí)測(cè)。他不僅證認(rèn)了真正星云的存在，還由此產(chǎn)生恒星演化的觀念，他將不同星云分類，而行星狀星云正是赫歇爾星云演化理論里的關(guān)鍵一環(huán)。

4 基于博物學(xué)分類思想的星云演化理論

赫歇爾星云觀點(diǎn)的轉(zhuǎn)變直接影響了他的星云演化理論。1785年那篇《天的結(jié)構(gòu)》中他已經(jīng)初步論述了演化論的大綱。在對(duì)于星云的研究中，赫歇爾不僅僅采用“巡天”的方法大量觀測(cè)，他更是像一個(gè)博物學(xué)家那樣熱衷于給觀測(cè)到的星云分類，這種分類的基本依據(jù)是星團(tuán)聚集的程度，由此星云呈現(xiàn)形態(tài)上的不同以及恒星的多寡、亮度的大小等特點(diǎn)。赫歇爾視不同星云為不同“標(biāo)本”并分析標(biāo)本間的聯(lián)系，每發(fā)現(xiàn)新的星云赫歇爾都要將其納入到他的星云分類體系中。

這里要再次提到獵戶座星云。自從觀測(cè)到獵戶座存在形態(tài)改變后，這一現(xiàn)象一直困擾著他，1783年1月31日再次觀察獵戶座時(shí)他又提到“星云部分與上一年看到的不同”[6]。1784年10月赫歇爾宣稱獵戶座是“天空中最不可思議的物體”。因?yàn)楂C戶座獨(dú)特的特性，他一直希望能夠找到連接獵戶座和其他星云類型的“中間形態(tài)”。1783年7月31日他觀測(cè)M17星云，認(rèn)為這個(gè)被他稱為Omega星云的物體“看起來(lái)能建立其他星云和獵戶座之間的聯(lián)系”。8月21日他觀察了M30星云，并構(gòu)建了一個(gè)從昴星團(tuán)(Pleiades)到獵戶座演化的6個(gè)階段，而M30大概屬于第4階段[6]。次年6月22日當(dāng)他再次觀察M17星云時(shí)更加確定了該星云提供了“乳白色疑似真星云以及可分解星云之間的中間聯(lián)系”。

在1785年的文章中他根據(jù)星云分類的演化過(guò)程已經(jīng)形成基本雛形，1789年對(duì)《天的結(jié)構(gòu)》的補(bǔ)充文章中他更是極為超前地寫(xiě)到[11]“……對(duì)這些不同大小和形狀的球形星團(tuán)，我傾向于相信，可能不會(huì)比屬于同一種物種的植物或動(dòng)物的個(gè)體處在不同年齡階段的差異更大”。 他還更進(jìn)一步指出“我們能夠(通過(guò)星團(tuán)的凝聚程度)判斷恒星的相對(duì)年齡……”提出恒星朝向中心凝聚趨勢(shì)的程度揭示整個(gè)星團(tuán)恒星的年齡。

這一觀點(diǎn)一經(jīng)提出立即被他的贊助人沃森先生進(jìn)行了激烈的批判[5]，這種將博物學(xué)方法引入天文學(xué)的做法在當(dāng)時(shí)是一種離經(jīng)叛道的行為。然而于赫歇爾來(lái)說(shuō)，像博物學(xué)家那樣分類星云，根據(jù)引力作用的程度排出一個(gè)從疏到密集的星云譜系最終得出聚集程度表示年齡是一件很自然的事。赫歇爾自己從不掩飾作為博物學(xué)家的傾向，早在1780年赫歇爾進(jìn)入巴斯哲學(xué)會(huì)發(fā)表的第一篇論文就是關(guān)于討論林奈的珊瑚分類問(wèn)題[5]。而他發(fā)表的諸多天文學(xué)論文中也常常直言自己是作為某種程度的博物學(xué)家來(lái)研究宇宙，并且多處引入博物學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)進(jìn)行星云研究。比如1784年他寫(xiě)道[9]：“……毫無(wú)疑問(wèn)的，我應(yīng)該能夠更自信地談?wù)撎炜盏膬?nèi)部構(gòu)造，以及各種星云和恒星的分層(strata)(借用博物學(xué)家術(shù)語(yǔ))……”這也就是為什么他將不同形態(tài)的星云看成不同標(biāo)本，并用植物來(lái)進(jìn)行類比(analogy)：“天空……現(xiàn)在看起來(lái)像一個(gè)華麗的花園，其中包含各式各樣的花種……繼續(xù)我從植物王國(guó)借用的比喻，我們是否能夠連續(xù)地見(jiàn)證植物的發(fā)芽，開(kāi)花，長(zhǎng)葉，繁殖，褪色，枯萎和腐敗……?！边@個(gè)比喻不僅僅是生物學(xué)的分類(taxonomy)，還很類似于現(xiàn)代天文學(xué)里研究恒星演化基于尋找處于不同演化階段的恒星來(lái)作為“快照”，將這些快照排列成一個(gè)演化路徑的思想。赫歇爾自己也曾經(jīng)拿人從幼到長(zhǎng)來(lái)比喻星云演化的一生，1811年關(guān)于宇宙論的文章[12]中指出：“……在相鄰的兩個(gè)之間也許沒(méi)有多大差別(在分類排列時(shí)相鄰的星云)，但如果我可以做個(gè)比喻的話，這就像如果我們對(duì)一個(gè)人進(jìn)行年齡記述，它就能給出這個(gè)人從剛出生的嬰兒到其盛年的成長(zhǎng)過(guò)程一樣?！?/p>

赫歇爾的博物天文學(xué)和他關(guān)于星云演化的假說(shuō)在當(dāng)時(shí)都遭到了主流天文學(xué)界不同程度的抵制。1803年亨利·布魯姆(Herny Brougham)在《愛(ài)丁堡評(píng)論》(EdinburghReview)上攻擊了赫歇爾的博物學(xué)改革[5]，他尤其極力反對(duì)那些赫歇爾引入的新術(shù)語(yǔ)，不僅抨擊赫歇爾于命名小行星上展現(xiàn)的對(duì)于分類的熱情，更是表示無(wú)法接受赫歇爾發(fā)明的宇宙學(xué)術(shù)語(yǔ)，比如“望遠(yuǎn)鏡巡天”(telescopic sweeps)、“天空博物學(xué)”(natural history of the heavens)、“天的構(gòu)建”(construction of the heavens)等等[5]。分析樣本間的聯(lián)系，按照其形態(tài)進(jìn)行分類與描述，再到從術(shù)語(yǔ)上創(chuàng)造新的表達(dá)方式，這些都是博物學(xué)家的工作，現(xiàn)在卻構(gòu)成了赫歇爾星云演化理論的核心。

1785年赫歇爾將星云分成簡(jiǎn)單的8類，用羅馬數(shù)字表示：I.明亮星云；II.暗弱星云；III.非常暗弱星云；IV.行星狀星云；V.巨大星云；VI.高度壓縮星團(tuán)密集型星云；VII.小型密集型星團(tuán)星云；VIII.彌散型疏星團(tuán)。這一分類還十分粗糙，難以從中找出真正的聯(lián)系，而此時(shí)赫歇爾仍然相信所有星云都是恒星組成的假設(shè)，對(duì)于其中行星狀星云難以和其他種類的星云建立起關(guān)系，演化僅僅是存在于他頭腦中的一個(gè)概念。作為博物學(xué)家，樣本的收集至關(guān)重要，赫歇爾分別于1786、1789和1802年三次向皇家學(xué)會(huì)提交星云星團(tuán)表，當(dāng)他結(jié)束他的“巡天”工作后已經(jīng)收集到了足夠多的樣本可供分析。

最終經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的觀測(cè)和星云分類，赫歇爾的天體演化理論于1811至1814年間成長(zhǎng)為體系。1811年發(fā)表的星云演化圖示(圖1)呈現(xiàn)了一個(gè)完整的演化過(guò)程。赫歇爾對(duì)星云形態(tài)給出了具體的描述和名稱，從名稱上看具有很強(qiáng)烈的博物學(xué)分類的特點(diǎn)。

圖1 赫歇爾繪制的部分星云形態(tài)[12]

如位于5號(hào)的星云是一個(gè)早期形態(tài)，赫歇爾命名為乳狀星云。除了表面形態(tài)，命名時(shí)還考慮到亮度，如20號(hào)星云被命名為“中心逐漸變亮的星云”。赫歇爾一共總結(jié)了34種類型的星云，并排列成了一個(gè)演化序列，由“廣泛的彌散性星云”(1號(hào))起始，在引力作用下不斷凝縮，直到晚期形態(tài)“行星狀星云”(位于30號(hào))以及極晚期的恒星狀星云(位于32號(hào))。

5 赫歇爾的宇宙

在1811年的文章中，赫歇爾不僅完成了他的星云分類，更是明確論述了他的宇宙生成論，給出了一幅以星云為主的演化圖景。

在這篇文章中，赫歇爾對(duì)之前觀測(cè)過(guò)的所有星云按照其形態(tài)和發(fā)光特點(diǎn)進(jìn)行了梳理和歸類，并具此形成一個(gè)演化序列。在赫歇爾的宇宙論中，恒星從真正的星云物質(zhì)(nebulosity)中形成，之后又在引力的作用下聚集成團(tuán)，形成早期的彌漫星云，引力繼續(xù)壓縮星團(tuán)，直到形成行星狀星云，這是一個(gè)很后期的形態(tài)，而恒星狀星云(stellar nebulae)則是行星狀星云的后續(xù)形態(tài)，整個(gè)演化過(guò)程也將會(huì)以新的恒星形成而走向終點(diǎn)。在赫歇爾給出的宇宙圖景中，人們能依據(jù)觀測(cè)到的星云的凝聚、壓縮程度知道星云的年齡，星云越是彌散就越年輕，如彗星狀星云(第22)的年齡要大于圓形星云(第17)。

除去形態(tài)之外，上述34種星云還依據(jù)亮度來(lái)進(jìn)行分類，而亮度同樣也是反映“凝聚程度”的指標(biāo)。在早期形態(tài)6“凝結(jié)的乳狀星云”中，赫歇爾提出星云中不是所有的地方都是亮度一致的，光會(huì)在一些部分被凝縮(condensed)得更緊，他還稱沒(méi)有比”凝縮”一詞更能準(zhǔn)確的描述了[12]，而凝縮的原因則毫無(wú)疑問(wèn)是引力。

同大多數(shù)18世紀(jì)的天體力學(xué)信奉者一樣，赫歇爾的宇宙演化思想同樣是借用萬(wàn)有引力解釋整個(gè)凝縮過(guò)程，所以他的宇宙是一個(gè)凝聚、收縮的宇宙而不是一個(gè)擴(kuò)展膨脹的宇宙。根據(jù)引力的作用，天體移動(dòng)形成越來(lái)越復(fù)雜、緊湊和對(duì)稱的聚合，他認(rèn)為這在“球狀星團(tuán)”和“行星狀星云”中能夠完美觀測(cè)到，而一類他稱之為“有核星云”的星云則存在高度的“凝結(jié)力”(condensation power)[12]。引力是永遠(yuǎn)不會(huì)停止作用的，因此星云將不斷凝縮導(dǎo)致崩塌，最后形成恒星，進(jìn)入一個(gè)新的循環(huán)之中，整個(gè)宇宙生生不息，類似自然界的生命循環(huán)(life cycle)。

1814年的文章，赫歇爾進(jìn)一步完善他的演化理論，他將整個(gè)演化過(guò)程分為“星云部分”和“恒星部分”，并研究它們之間的聯(lián)系。他在文章中寫(xiě)道[13]：“……一顆大約8等或9等的恒星，在子午線方向上延伸出非常弱的星云狀分支，每條分支約1分長(zhǎng)……”同時(shí)表示這種聯(lián)系代表著恒星形成于星云之中[13]，“……現(xiàn)在看來(lái)，恒星在與星云物質(zhì)相接觸的時(shí)候，它們的物質(zhì)必然會(huì)得到補(bǔ)充，所以它們最初是由星云物質(zhì)形成的可能性是顯而易見(jiàn)的……”

在這篇文章中他將恒星作為宇宙中的基本元素，并發(fā)展出通過(guò)觀測(cè)星光證認(rèn)出恒星種類的思想。1798年，赫歇爾在反射望遠(yuǎn)鏡上安裝棱鏡以觀察恒星的顏色和亮度，并記錄下不同恒星所包含的顏色種類以及顏色強(qiáng)度，通過(guò)顏色反過(guò)來(lái)證認(rèn)出不同類型的恒星(7)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[13]。赫歇爾列舉了幾顆常見(jiàn)亮星的顏色組成，如他觀測(cè)到天狼星的光由紅色、橙色、黃色、綠色、藍(lán)色、紫色和藍(lán)紫色組成。參宿四與天狼星有著相同的顏色組成，但紅色更強(qiáng)烈，橙色和黃色在比例上不如天狼星豐富。，這一思想和方法與19世紀(jì)中后期發(fā)展起來(lái)的光譜分析已然十分接近。然而，需要指出的一點(diǎn)是，在赫歇爾的宇宙觀中構(gòu)成宇宙的基本單位的恒星本身并未有所變化。根據(jù)赫歇爾的理論，恒星會(huì)從星云中形成，之后不會(huì)出現(xiàn)演化并走向膨脹、爆炸的結(jié)局，但會(huì)因?yàn)橐ψ饔貌粩嗑奂?、壓縮而崩潰并粉碎[14](crash together and shatter)。這種非穩(wěn)定狀態(tài)的宇宙同樣不被赫歇爾所允許， 因此為了保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)恒狀態(tài)的宇宙，赫歇爾早在1785年的文章中就提到了星團(tuán)中還存在一種“拋射力”(projectile forces)，這樣物質(zhì)就會(huì)再次循環(huán)進(jìn)空間，不會(huì)最終塌縮進(jìn)單一質(zhì)量中去。

赫歇爾對(duì)于星云的觀測(cè)和他的宇宙演化論也影響了同時(shí)代的一些天文學(xué)家。比如拉普拉斯在《宇宙體系論》的最后一篇附錄中引用了赫歇爾的觀測(cè)證據(jù)來(lái)說(shuō)明太陽(yáng)系的起源問(wèn)題，這篇文章整體上沒(méi)有超出赫歇爾在1791年之前的研究成果，并且僅僅局限在太陽(yáng)系范疇。拉普拉斯認(rèn)為太陽(yáng)系誕生于一團(tuán)巨大、炙熱、轉(zhuǎn)動(dòng)著的球型氣體。氣體冷卻，星云收縮，因?yàn)榻莿?dòng)量守恒，收縮使得氣體云旋轉(zhuǎn)速度加快，在中心引力和離心力的共同作用下星云逐漸變?yōu)楸馄奖P(pán)狀。在收縮過(guò)程中，每當(dāng)離心力與引力相等時(shí)，就有部分物質(zhì)留下來(lái)，演化成一個(gè)繞中心轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)。星云的中心凝聚成太陽(yáng)，各個(gè)環(huán)則凝聚成行星，衛(wèi)星系統(tǒng)也是同樣的原理。

赫歇爾的宇宙生成論大大超出同時(shí)代學(xué)者的認(rèn)識(shí)邊界，涵蓋了從星云星團(tuán)到單個(gè)恒星的完整的宇宙圖景，并用由引力產(chǎn)生的凝聚效應(yīng)解釋了從恒星誕生到星云成長(zhǎng)的整個(gè)過(guò)程?？梢哉f(shuō)赫歇爾的宇宙生成論已經(jīng)徹底擺脫康德、賴特等前人的哲學(xué)思辨范疇，開(kāi)始向著現(xiàn)代意義的宇宙演化論(evolution)靠近。

無(wú)論如何，一個(gè)凝聚、收縮的宇宙顯然是18世紀(jì)天體力學(xué)的產(chǎn)物，在此框架內(nèi)宇宙物質(zhì)可以是生成的，但整個(gè)宇宙卻是非擴(kuò)張膨脹的。赫歇爾宇宙論的意義不僅在于用觀測(cè)事實(shí)的方式證明牛頓力學(xué)支配的宇宙的動(dòng)態(tài)圖景，其用分類法研究星云演化的方法也創(chuàng)造了天文學(xué)史上一次革新，19世紀(jì)后期誕生的光譜分類與赫歇爾的方法在思想方面是同構(gòu)的。

6 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)久以來(lái)，考慮宇宙的開(kāi)端、天體的生成并不是天文學(xué)家的任務(wù)，而往往屬于宗教神學(xué)領(lǐng)域。18世紀(jì)流行的宇宙生成論區(qū)別于古代的地方在于依托牛頓力學(xué)，賴特的神學(xué)宇宙觀也將牛頓力學(xué)充分考慮進(jìn)去，康德、朗伯特等人的宇宙觀中萬(wàn)有引力是宇宙萬(wàn)物生成的基本原動(dòng)力。然而這些人的宇宙論更多是一種思辨性質(zhì)的推理，缺少天文學(xué)最基本的要素——觀測(cè)。

真正具有現(xiàn)代天文學(xué)意義的宇宙生成論是由威廉·赫歇爾提出的。他也是首先將博物學(xué)分類法引入天文學(xué)中的第一人，并通過(guò)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方式探索星空的結(jié)構(gòu)。赫歇爾一生觀測(cè)了超過(guò)2500個(gè)星云，他將這些星云按照形態(tài)和亮度分類，但又不僅僅止于分類，而是探索形態(tài)背后的本質(zhì)，于是他提出了不同星云形態(tài)是星云演化的結(jié)果，通過(guò)引力作用一種形態(tài)能夠變成另外一種形態(tài)最終形成恒星。赫歇爾也認(rèn)為演化的源動(dòng)力是引力，原始星云通過(guò)不斷的引力收縮聚集最終形成一個(gè)個(gè)天體。因此，赫歇爾的宇宙是一個(gè)不斷收縮凝聚的宇宙，這個(gè)宇宙圖景既非古代封閉不變的宇宙也非現(xiàn)代普遍認(rèn)同的開(kāi)放膨脹的宇宙，是很典型的18世紀(jì)牛頓力學(xué)宇宙觀。

現(xiàn)代宇宙論不僅依托于天文觀測(cè)事實(shí)，還建立在相對(duì)論等理論的基礎(chǔ)上。而在赫歇爾時(shí)代，支持凝聚宇宙觀的同樣是大量的天文觀測(cè)事實(shí)，再加上博物學(xué)的分類法以及天體力學(xué)的運(yùn)用。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)赫歇爾的宇宙論具備超越時(shí)代的特點(diǎn)又同時(shí)被時(shí)代所局限，體現(xiàn)了18世紀(jì)末到19世紀(jì)初期這段在進(jìn)入天體物理學(xué)時(shí)代過(guò)渡期間的西方宇宙論的特點(diǎn)。