图:约翰·恩斯特·海因修斯 1784 年油画(拉普拉斯时年 35 岁)/ 公有领域
皮埃尔-西蒙·拉普拉斯
Pierre-Simon Laplace1749–1827 · 生于法国博蒙昂诺日 · 法国
他用五卷书证明太阳系不需要上帝定期检修,也顺手写下了那个被称为「拉普拉斯妖」的念头
「一个智者,若在某一瞬间知晓自然界所有的作用力与所有物体的位置,且其智力足以分析这些数据,那么对它而言,未来与过去都将呈现在眼前。」
—— 《概率的哲学随笔》(1814)导言,据法文原文意译
牛顿把行星运动变成了一道数学题,却留下一个他自己解不掉的麻烦。
他的引力定律只精确处理两个天体。太阳系里有六颗已知行星(当时),彼此之间也有引力。这些相互摄动会不会日积月累,最终把某颗行星甩出去,或者拽进太阳?牛顿算不出答案,他在《光学》的疑问里写下了一个推测:需要神偶尔出手校正。
拉普拉斯用了四十年和五卷书,回答说不需要。
一封被搁置的推荐信
拉普拉斯生在诺曼底一个务农兼营苹果酒生意的家庭,家境说不上好也说不上差。他被送去卡昂大学念神学,在那里遇到两位数学教师,从此改了方向。
一七六八年他到巴黎,带着推荐信去见达朗贝尔——当时法国数学界的中心人物。达朗贝尔没有见他。
他换了个办法:寄去一篇自己写的力学论文。第二天达朗贝尔就约见了他,并把他推荐到巴黎军事学院教数学。据说达朗贝尔的话是:推荐信什么也证明不了,你的论文证明了一切。
二十四岁,他当选科学院院士。
大不等式
最扎眼的一处威胁来自木星和土星。
从开普勒时代起,观测记录就显示木星在缓慢加速,土星在缓慢减速。一个多世纪过去,偏差累积得越来越明显。如果这是长期趋势,那么土星迟早会被甩到太阳系之外。
欧拉和拉格朗日都算过,没有结果。
拉普拉斯 1785 年找到了原因。木星与土星的公转周期之比非常接近 5∶2。这种近共振使得两者的摄动不像通常那样在一圈之内互相抵消,而是逐圈累加,形成一个振幅很大的效应。
但那不是单向的漂移,而是一个周期约 929 年的振荡。人类观测的一个多世纪,恰好落在振荡向同一方向走的那一段上。
再等几百年,它会自己走回来。
沿着同一条思路,他和拉格朗日证明了更一般的结论:行星轨道的半长轴不存在长期漂移,偏心率和倾角的变化被限制在一个有限的范围内来回摆动。
太阳系是稳定的。不需要有人定期来检修。
那句被反复转述的话
拿破仑收到《天体力学》后据说问他:您写了一部关于宇宙体系的巨著,却从头到尾没有提到它的创造者。拉普拉斯答:陛下,我不需要那个假设。
这段对话流传极广,但它是二手记载(经阿拉戈转述,雨果又记了一遍),细节各版本不同,措辞未必可靠。
不过它抓住的意思是准确的。拉普拉斯做的事,正是把牛顿留给神的那份工作收回到方程里。
拉普拉斯妖,与它的下场
一八一四年他写下了那段著名的话:如果有一个智者知道此刻宇宙中一切物体的位置和一切作用力,并且算力足够,那么未来和过去都将像现在一样呈现在它眼前。
这是决定论最清晰的一次表述,而且它不是哲学玄想——它是一个刚刚证明了太阳系稳定的人,对自己方法的合理外推。
有意思的是,写下这段话的人同时也是概率论的奠基者之一。在他看来两者并不矛盾:概率描述的是我们的无知,不是世界的性质。
这只妖后来被两次打断。一次是量子力学:初始条件原则上就无法同时精确确定。另一次更接近他自己的领域——庞加莱在三体问题上发现,即使方程完全确定,初始条件的微小差异也会被指数放大,长期预测在原理上不可能。
而对太阳系稳定性本身的答案,也在二十世纪被修正了。
一个务实到有些难堪的人
拉普拉斯在政治上很能适应。他在大革命中活了下来,被拿破仑任命为内政部长(只干了六周就被免职,拿破仑后来写道他把无穷小的精神带进了行政管理,事事都在找细枝末节),获封伯爵;波旁王朝复辟后他投票赞成废黜拿破仑,又被封为侯爵。
学术上他也不总是慷慨。《天体力学》里大量使用了他人的结果而不注明出处,“容易看出”这个短语在书里出现得非常频繁,而后来的读者往往要花几个小时才能看出。
但他确实带出了人。青年时代的泊松、比奥、以及后来在阿尔克伊他家中定期聚会的那一批人(“阿尔克伊学会”),构成了十九世纪初法国物理学的主力。
一条无处不在的方程
在为引力势做计算的过程中,拉普拉斯写下了那个后来以他命名的算符与方程:在没有物质的地方,势满足 。
它的适用范围远超他的本意。静电场的电势、稳态温度分布、无旋不可压流体的速度势、薄膜的平衡形状——形式完全一样。1813 年泊松把它推广到有源的情形,格林 1828 年引入了”势函数”这个词并发展出格林函数方法,高斯给出了它的积分形式。
一条为了算行星摄动而写下的方程,成了数学物理里出现次数最多的方程之一。
(还有一件他做对了却常被忽略的事:牛顿算出的声速比实测低约 16%,一百多年无人能解释。1816 年拉普拉斯指出,声波中的压缩和膨胀太快,热来不及在压缩区与稀疏区之间流动,应该用绝热而不是等温的压强-密度关系。补上比热比这个系数,结果与实测相符。)
代表方程
拉普拉斯方程
在没有质量或电荷的地方,引力势与静电势满足这条方程。它是物理学中出现次数最多的方程之一——引力、静电、稳态热传导、无旋流体,形式完全一样。
声速的绝热修正
牛顿算出的声速比实测低了约 16%,一百多年无人能解释。拉普拉斯 1816 年指出,声波压缩得太快,热来不及散开,该用绝热而非等温关系——补上系数后与实测相符。
伟大发现
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。
- 1.拉普拉斯《宇宙体系论》(巴黎,1796)——星云假说与「不可见天体」的推论
- 2.拉普拉斯《天体力学》全五卷(巴黎,1799–1825)
- 3.拉普拉斯《概率的哲学随笔》(巴黎,1814)——拉普拉斯妖出处
- 4.拉斯卡尔《太阳系混沌行为的一次数值实验》,《自然》第 338 卷第 237 页(1989)