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“谦虚的、谦逊的、异常聪明的”：一位苏联数学家如何平静的解决了行星形成的秘密

(2023-09-19 16:36:43)

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杂谈

“谦虚的、谦逊的、异常聪明的”：一位苏联数学家如何平静的解决了行星形成的秘密

News

By Dan Levitt

2023/9/19

Planets

“多年来，他有过他已经创造的行星形成的领域。大多数苏联同事是怀疑的和无兴趣的，他的研究似乎是如此推测的，与任何证据相去甚远”。

直到1950年代为止，关于行星形成的想法大多被忽视为奇思妙想，很少有天文学家严肃的对待这个问题。 (Image credit: Andrzej Wojcicki/Getty Images)

我们只需要来掌握我们太阳系中的行星在过去100年中怎样形成了。在下面的"什么已经成了你（What's Gotten Into You" (HarperCollins, 2023) ）摘录中, 丹·莱维特（Dan Levitt）观察这位花了十年时间工作在一个大多数天文学家已经放弃的问题上的苏联数学家，当他最终解决这个问题时遭遇到了不感兴趣和怀疑。

48亿年前，将创造我们的原子扬帆在巨大的气体和尘埃云中，朝向...好吧，什么都没有。没有太阳系，没有行星，没有地球。事实上，很长一段时间科学家们不能够解释我们的固体星球毕竟如何出现了，更不用说一个如此对生命适合的了。我们现在的岩石星球如何像魔法一样出自一团空灵的气体和尘埃呢？地球何时和怎样变得如此欢迎生命的呢？直到生命可以进化之前为止我们的分子被迫来勇敢辛老的呢？

科学家们会了解到我们的原子只有在经历了突然的碰撞、熔毁和轰炸之后才最终创造生命------起码被人类从未见证过的任何毁灭灾难。

解释我们的行星怎样被创造似乎如此困难以至于到1950年代大多数天文学家已经放弃了。他们的理论似乎不引导到任何地方。两个世纪前，德国哲学家伊曼纽尔·坎特（康德）（Immanuel Kant）和法国学者皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）已经开始通过正确的理论化引力在一个巨大的旋转的气体和尘埃云中如此紧密地卷绕以至于凶恶的温度和压力点燃它成一颗恒星------我们的太阳足够承诺的。但行星是如何形成的呢？他们摆出一个杂散的尘埃和气体盘仍然围绕太阳旋转，这分裂成更小的创造了行星的云。然而，没有人能令人信服地解释圆盘如何分裂起来或者行星如何从这些更少的云形成。

1917年，英国人詹姆斯·金斯（James Jeans）采取了一种正如我们看到的塞西莉亚·佩恩（Cecilia Payne）的同时代人赞誉的创造性的新策略。金斯猜测了来自一颗经过的恒星的引力是如此之强以至于它从太阳的表面拧出巨大的气体块------ 这些变成了行星。其他人认为我们的行星是被恒星碰撞留下的碎片。但九颗遥远的行星如何从这样一个碰撞形成是任何人的猜测。这似乎可能宛如你已经在烘干机放入湿洗衣服然后打开它发现你的衣服不仅干了，而且折叠得整整齐齐一样。只有少数天文学家继续严肃的对待这个问题。天文学家乔治·韦瑟里尔（George Wetherill）观察到这是一个仅对“单纯的娱乐”或“蛮横的猜测” 适合的事情。我们只是不清楚我们从来可能看回时间中如此远。

莫斯科国立大学，在那里萨夫罗诺夫在被奥托·施密特（Otto Schmidt）招募到苏联科学院之前就读于该大学 。 (Image credit: ironstuff/Getty Images)

然而，在1950年代末的苏联，在冷战的高峰期，一位年轻的物理学家决定了用数学来正面解决这个问题。他的名字是维克多·萨夫罗诺夫。萨夫罗诺夫身材矮小并与疟疾作斗争，这是他在第二次世界大战期间在阿塞拜疆接受军事训练的遗产。他是谦虚的、谦逊的和异常聪明的。在莫斯科大学，他以物理学和数学中的高级学位出名。认识到他的才华，数学家、地球物理学家和极地探险家奥托·施密特（Otto Schmidt）将他招募到苏联科学院。

施密特本人就像他之前的康德和拉普拉斯一样，确信我们的行星已经被从环绕太阳的气体和尘埃盘创造。他要一个有技术技能的人来帮助他弄清楚如何，而轻声细语说话的萨夫罗诺夫是一位才华横溢的数学家。

事实上，他没有一台电脑甚至可能已经帮助了，迫使他来锐化他的已经可怕的直觉。

在科学院的一个办公室里，萨夫罗诺夫从头开始。他自己承担了艰巨的试图解释数万亿万亿的气体和尘埃粒子如何构建一个太阳系的任务。他会用数学尝试来做到这一点------主要是统计学和流体动力学方程，它们描述气体和液体的流动。所有这些都没有计算机。事实上，他缺乏电脑可能甚至已经帮助了，迫使他来锐化他已经可怕的直觉。

萨夫罗诺夫通过假设我们的太阳系最初当广大的原始尘埃和气体云（这在上一章中我们留下漂浮在太空中）被引力的无情拉力变成恒星时形成。几乎所有的它（99%，我们现在知道）变成了我们的太阳。但萦绕的残余物离得太远不能被拖入太阳，但又不足远的来完全逃脱它的抓住。相反，引力和旋转的向心力将这片云压扁成一个围绕太阳的尘埃和气体盘。

萨夫罗诺夫最终意识到粒子会相互碰撞并粘在一起，最终变得越来越大直到它们完全形成行星为止。(Image credit: rbkomar/Getty Images)

萨夫罗诺夫（Safronov）以他的做出快速数学估计的天赋使同事们眼花缭乱，他开始计算当圆盘内的微小粒子撞击进彼此然后撞击它们的邻居时发生了什么。他拿着铅笔、纸和计算尺，也许是在一个图书馆的安静中，在那里苏联科学家往往从大型公共办公室的喧嚣撤退，他顽强的试图来估计数万亿次碰撞的效果。无论有没有一台电脑，这是一项令人难以置信的不屈不挠的努力。相比较，人们会认为从在云中形成的初始水滴计算一个飓风的路径将是儿戏。

萨夫罗诺夫意识到环绕太阳的宇宙尘埃和气体群将以大致相同的速度和方向正在绕着旅行。有时，当粒子撞进它们的邻居时，它们会像雪花一样粘在一起。更多的碰撞得到越来越大的团块，直到它们像巨石、远洋客轮、山脉一样大和最终微型行星为止。基于他的洞察力，萨夫罗诺夫一手概述了科学家需要来解决为解释我们行星的起源的大部分主要问题。用数学的虚张声势，他攻克了它们中的许多。