威廉·赫歇尔与凝缩的宇宙

张嘉懿

(中国科协创新战略研究院，北京 100038)

1 引言

宇宙论(Cosmology)的主要内容是研究宇宙的结构，而宇宙生成论(Cosmogony)的目的则是研究宇宙的发展变化。在18世纪之前，传统意义上的宇宙生成论往往在宗教神学的领域，并不属于天文学的研究范畴。18世纪的天文学开始从几何天文学向天体力学转变，宇宙生成论也渐渐开始摆脱原本的神学色彩，走上哲学思辨与牛顿力学结合的道路。康德、赖特(Thomas Wright)和朗伯特(J. D. Lambert)等人均基于牛顿力学提出了各自的天体演化理论。然而，这些理论仍然不能说是天文学意义上的演化论，它们缺乏天文学最基本的要素——观测证据的支持。

威廉·赫歇尔是真正意义上将宇宙生成论提升到天文观测层面的第一人(1)构成本文写作动机之一的Simon Schaffer教授的文章(见参考文献[5])并不同意赫歇尔真的提出了星云演化理论乃至某种程度上建立了现代天文学，本文同意Simon Schaffer关于赫歇尔在他的天文学研究中事实上扮演了博物学家的角色这一观点，同时本文也认为赫歇尔的理论已经远远超越传统意义上的宇宙生成论转为现代意义上的演化论，赫歇尔恰恰是通过博物学分类法这一前人未曾想象的方法开创了研究天体演化的新纪元。。亚历山大·冯·洪堡(Alexander von Humboldt)曾经在他的《宇宙》(Kosmos)一书中对此做过精准概括——“赖特、康德和朗伯特通过基于推理的结论预测了世界的一般系统和物质在太空中的分布，而赫歇尔通过观测进行了研究”。赫歇尔使用当时最先进的望远镜进行“巡天”以大量观测星云，并引入博物学的分类方法研究天文学，创造了天文学方法上的一次革命。经由不断发现新的观测事实，赫歇尔关于星云本质的观念经历了几次转变，这些转变也直接影响了他的宇宙演化理论。此外，作为18世纪的天文学家，赫歇尔也和众多同时代的哲学家、天文学家一样引入万有引力来作为宇宙生成演化的基本动力，最终形成一个物质不断收缩的凝缩宇宙。

目前专门研究赫歇尔宇宙论的文章不多，本文不仅论述赫歇尔宇宙论的具体内容，更是将其放入其产生的时代背景中去进行对比，从而强调赫歇尔的宇宙论有别于传统意义上的宇宙生成论，从方法论到理论提出都具有体现代宇宙演化论的一些特点。

2 从宇宙生成论到宇宙演化论

长期以来，对于宇宙生成论的讨论事实上不属于天文学家职责的范畴，在18世纪中后期大多数宇宙生成的观点是哲学思辨加上牛顿力学的产物。无论是赖特、康德还是朗伯特都是通过推理来给出宇宙的系统结构和物质在太空中的分布与生成，而区分思辨性质的生成论和天文意义上的演化论重要的一点是天文观测证据(2)尽管西方天文学很早就依据实际观测而提出宇宙模型，如亚里士多德的水晶球模型，但这个长期统治西方天文学的宇宙模型从根本上否定了宇宙中的物质是生成演化的思想。18世纪，康德等人虽然提出宇宙演化思想，但却缺乏观测证据，因此是一种生成论(Cosmogony)，该词不仅指科学意义上的生成演化，还往往具有宗教、神学和神秘主义色彩，比现代天文学中的宇宙演化论更为复杂。赫歇尔比同时代独特之处在于他给出的宇宙图景是建立在两个基本研究原则之上的：(1)依据实际天文观测证据；(2)分类法研究演化理论。这在当时可看作是迈向现代宇宙演化理论的关键一步，是方法论上的革新。本文主要描述天体物理学诞生之前的情况，当代一些宇宙论超越了观测证据，使得观测与思辨之间的关系比之赫歇尔时代更加模糊，这背后的思想虽然同样值得研究探讨，但超出了本文的范畴。，这也正是本文要重点讨论的威廉·赫歇尔的宇宙论不同于前人的地方。

在论证赫歇尔工作之前，有必要回顾一下传统意义上的宇宙生成论，以便理解赫歇尔宇宙论得以提出的时代背景以及它的突破性。

康德是18世纪中前期最重要的宇宙生成论者。康德在他的《宇宙发展史概论》中提到自己的理论受到另一位宇宙生成论者赖特的启发([1]，页11)。赖特在他1750年出版的《起源理论》一书中构建了一个神学等级制的宇宙，整个宇宙空间按照月亮——行星——恒星——恒星系统这个层级递进，恒星不是随机分布的，而是主要集中在一个扁平盘面(flat disk)上，每个恒星系统又受到“神圣中心”(divine centre)的支配[2]，这套宇宙论具有强烈的古希腊“自然阶梯”(scala naturae)(3)古希腊人认为万事万物都在一个连续的层次结构中拥有特殊的位置。和中世纪神学的色彩。但同时赖特也深受牛顿力学的影响，他通过1718年哈雷发现的恒星自行现象推断出恒星系统由中心引力维持，而正是这一点尤为康德所欣赏[2]，康德认为赖特的理论揭示了宇宙的“系统构成”[3]。

不同于一般单纯通过哲学思辨和神学构建的宇宙论，康德的理论依托于牛顿力学，该书前言可看作天体力学的宣言，第一章开头便强调了阅读本书需要了解牛顿学说以便理解。康德在本书中试图解决恒星宇宙的构造和解释天体的起源这两个问题。在康德的宇宙论中，天体处在一个无限的、生成演化的图景中，整个宇宙系统是循环的。“我假定整个宇宙的物质都处在于普遍的分散状态，并由此造成一种完全的混沌”([1]，页5—6)。然而他也强调，他的宇宙图景不同于古代原子论者那种完全随机状态。康德认为物质是受某种必然规律所支配的，进而发展成有序的整体。这种必然规律就是牛顿清楚论述的万有引力和牛顿语焉不详的斥力。康德认为引力是物质尚未形成天体时驱动整个恒星系统动起来的源动力。他假设宇宙当中有着大小不等的固体微粒，而在早期宇宙中存在一个引力最强的地方(也就是康德认为的宇宙中心)将各个微粒吸引凝结过来形成团块，随着团块越来越大，吸引的物质也越来越多，最终形成太阳。外围的微粒又在太阳的引力作用下绕太阳做圆周运动，这些绕太阳做圆周运动的微粒又会形成一个个引力中心吸引其他微粒，最后形成行星。

起初康德的理论并未产生轰动，甚至不为人知。有20世纪的学者(4)Stanley Jaki在1981年发表的康德著作的英译本时对康德的宇宙论地位给出了质疑。批评康德理论不注重数学推演和天文观测事实，给了太多主观判断。不过批评者也承认康德是一位伟大的“宇宙生成论学者”——即使他没有宇宙生成的直接证据[4]。此外，尽管康德开篇就说了自己借助牛顿力学，然而在一些方面康德却是反牛顿主义的[2]，比如在康德的星云假说中不存在牛顿所谓的“第一推动力”。

除了康德和赖特，德国物理学家、哲学家朗伯特也表达了类似演化的观点。朗伯特在1761年出版的《宇宙书简》(CosmologischeBriefeüberdieEinrichtungdesWeltbaues)中提出了一个等级制度的宇宙模型。他认为宇宙体系存在无穷的等级：太阳系是第一级；包含太阳的庞大星团是第二级，第二级星团中央有一个“中心太阳”，其余恒星围绕其运动；银河系是庞大星团的总和，是第三级；而银河这种体系在宇宙中也是无数的，星云就是其他银河，许多银河构成第四级。以上每一级都存在一个中心体支配该级体系。朗伯特的理论直接影响了赫歇尔，后者接受了朗伯特的等级宇宙观和生成论，然而不同于同时代其他人的地方是，赫歇尔观测研究了大量星云标本从而提出基于观测和分类演化理论。通过观测，赫歇尔对星云本质的认识发生了几次转变，这些转变深深地影响了他后来的演化论研究。

3 赫歇尔星云观点的转变

在赫歇尔之前，关于星云的记录只有100多条，赫歇尔正式的星云观测工作开始于1781年，21年后的1802年他和妹妹卡罗琳将这个记录增加到了2500条，极大地拓展了当时人们对于星云的认知。

1781年，赫歇尔的赞助人威廉·沃森(William Waston)送给他一份梅西耶星表[5]，而在此之前赫歇尔在他的天文学日记中记录了他对于猎户座星云的观测。1774年3月1 日，他第一次看到了猎户座星云(即梅西耶星表中的M42)，之前他通过罗伯特·史密斯(Robert Smith)1738年出版的《光学》(Opticks)一书中知道了这个星云[6]。在这本书中史密斯提到猎户座中有6个“明亮的斑点”(lucid spots)，该发现是引自哈雷(Edmond Hally)1715年发表在《皇家学会哲学会刊》(PhilosophicalTransactions)的观测结果[6]。赫歇尔发现他观测到的“亮斑”形状与史密斯书中给出的轮廓图不一样，形状似乎有所改变。这个观测被多次证实，1778年12月他再次观测猎户座星云，声称“亮斑部分有一个可见的改变”，而到了1779年10月则是“很大的改变”[5]。

通过对猎户座星云的观察，赫歇尔的星云研究面临两个显而易见的问题等待他回答：(1)星云是否可以分解成恒星？(2)星云的形状可以改变吗？后面会看到，正是对这两个问题的回答构成了赫歇尔宇宙观和星云研究工作的核心。

除了猎户座，在1779年至1781年间赫歇尔还观测了另外3个星云，记录下来它们的形状和是否从中看到恒星。这3个星云分别是：M31，观测1次，没能看到恒星；M11，观测4次，并宣称该星云由“众多小星星”组成；M31(即仙女座大星云)，观测两次，没有看到恒星[6]。

这些零星的观测尚不能让赫歇尔建立起关于星云的知识体系，此时他并没有明确认为星云全是可分解的星团或是认为部分星云确实是发光流体的观念。1781年他开始观测梅西耶星表上的天体，次年8月赫歇尔兄妹从巴斯(Bath)搬到了位于英格兰东南部的温莎城堡(Windsor Castle)附近，赫歇尔正式成为了一名职业天文学家，英王乔治三世每年给他200英镑的津贴，让他专心天文学研究。

这时的赫歇尔才真正正式开始了他系统性的星云研究工作。尤其1783年10月全新的20英尺反射镜投入使用之后，他用这架望远镜开始观测跨越子午线的星云，赫歇尔负责口述观测到的星云，一旁的卡罗琳将其记录下来，同时也记录下该星云与北极间夹角与经过子午线的时间([7]，p117)。赫歇尔用这架望远镜“扫”过全天星空(也称为“巡天”)，该方法的观测原则基于以下四条假设开展([7]，p182)：(1)恒星在空间分布是均匀的；(2)恒星的光度都是相同的，视亮度取决于距离(5)关于这点，尽管赫歇尔的双星研究揭示了恒星的光度不仅仅与距离相关，然而他一直都坚持距离-光度假设，并且还假设了宇宙空间完全透明，光在其中无损传播，因此亮度与距离存在严格的平方反比关系。；(3)在假设(2)的基础上一等星距离太阳最近，一等星的距离是基本单位；(4)他的望远镜指向任意方向都能看到该方向上银河系最遥远的星。根据这几条假设，他统计了各个方向上望远镜视场内可见恒星的数目，从而得出恒星分布的空间是个形状不规则的“薄层”，并根据假设(2)和(3)得出银河最大程度为850个一等星平均距离，厚度则不超过150个单位[8]，第一次得到了基于统计的银河系结构。

在星云研究方面，“巡天”的方法让他发现了前人没看到过的大量星云，也因为望远镜设备的升级他看到了以前模糊朦胧的星云里确实存在恒星。1784年4月拉朗德(Joseph Jérme Lefrançais de Lalande)给赫歇尔写信询问他是否相信“银河系中那些白点是恒星或是某种产生星云的天体物质”[5]，赫歇尔立即对这个问题表示极大的关心。当时主流的看法一是认为星云是发光流体；二是可分解的星团[6]。如果说之前赫歇尔的态度不明确，在使用20英尺望远镜进行“巡天”后他倾向于星云都是可以被强力望远镜分解成一个个恒星的假设。根据他的观测，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这些从前据说是无星的星云都可分解出恒星(resolvable)[9]。而M1(6)M1即著名的蟹状星云，今天已经知道这是一个公元1054年爆发的超新星遗迹，但在赫歇尔的时代显然不可能认识到这一点。，3，27，33，57，79，82，101尽管不明确但应该也是可分的。而M7和M10，赫歇尔认为“有些朦胧，但我想应该可分”[9]。

他随后写信给博德(Bode)说“所有梅西叶天体都不过是一团团小星星”[5]。

1785年2月3日，赫歇尔发表了著名的《天的结构》(On the Construction of the Heavens)一文，在这篇文章中他探讨了星云形态问题，并且再次肯定了只要有强力望远镜那么所有星云都是可分的这一观点。然而，在这篇文章中他也提到了对他后来星云观念转变有重大影响的一种星云——行星状星云(Planetary Nebulae)。1785年的文章中他这样描述这种天体[8]：

它们的行星外观是如此引人注目，以至于我们很难想象它们是星云; 它们发出的光亮是如此均匀、生动，直径如此之小，使它几乎不可能属于哪一物种的天体(指星云)……

然而赫歇尔很快就发现这种天体也不可能是恒星或是别的已知天体。他写道：“……如果我们认为它们是大直径的单星，我们就会发现它们的亮度不够; 除非我们承认某些恒星的内在发光程度可能远远低于平均，然而这实在很难想象(低到这个程度)……”

赫歇尔也猜测这种天体可能是彗星：“……我们可能会怀疑它们是远日点的彗星; 毕竟，我们几乎找不到任何像星云那样可能的假设。”

而赫歇尔所说的星云的假设就是他在这篇文章中一再宣称的：“……所有星云一定都是以最高程度压缩和聚集的恒星所组成的……”

行星状星云被赫歇尔首次发现于1782年9月，当时他看到了一个“像土星的星云”，他称之为“一个古怪的星云”[6]，并且没有看到恒星。1785年的文章中他已经很清楚地意识到这种星云与他现有的关于星云、恒星的假设存在重大矛盾，如果坚持“所有星云都是由恒星组成的”则无法调和其中的矛盾。

行星状星云自被赫歇尔第一次发现以来，疑问萦绕了近乎十年之久。终于在1790年11月13日他发现了一个新的行星状星云——NGC1514，他称之为“一个奇异的现象!”随后在1791年的一篇文章中他这样描述新发现的星云[10]：

……这个物体看起来自主发光(self-luminous)，它更像是通过凝聚来产生一颗恒星而不是已经存在恒星……

这里包含两个重要信息。其一是赫歇尔承认了存在真正的不可分解成恒星的字面意义上的星云，放弃了他从1782年至1789年间坚持的“所有星云都可以分解出恒星”的假设；其二赫歇尔认为NGC1514类的行星状星云是新恒星诞生的温床。2月10日他在皇家学会宣读论文时也称分散的“发光流体”(luminous fluid)会稳定收缩直到变成行星状星云，然后再形成恒星和星团。

赫歇尔关于星云观点的转变完全依据实测。他不仅证认了真正星云的存在，还由此产生恒星演化的观念，他将不同星云分类，而行星状星云正是赫歇尔星云演化理论里的关键一环。

4 基于博物学分类思想的星云演化理论

赫歇尔星云观点的转变直接影响了他的星云演化理论。1785年那篇《天的结构》中他已经初步论述了演化论的大纲。在对于星云的研究中，赫歇尔不仅仅采用“巡天”的方法大量观测，他更是像一个博物学家那样热衷于给观测到的星云分类，这种分类的基本依据是星团聚集的程度，由此星云呈现形态上的不同以及恒星的多寡、亮度的大小等特点。赫歇尔视不同星云为不同“标本”并分析标本间的联系，每发现新的星云赫歇尔都要将其纳入到他的星云分类体系中。

这里要再次提到猎户座星云。自从观测到猎户座存在形态改变后，这一现象一直困扰着他，1783年1月31日再次观察猎户座时他又提到“星云部分与上一年看到的不同”[6]。1784年10月赫歇尔宣称猎户座是“天空中最不可思议的物体”。因为猎户座独特的特性，他一直希望能够找到连接猎户座和其他星云类型的“中间形态”。1783年7月31日他观测M17星云，认为这个被他称为Omega星云的物体“看起来能建立其他星云和猎户座之间的联系”。8月21日他观察了M30星云，并构建了一个从昴星团(Pleiades)到猎户座演化的6个阶段，而M30大概属于第4阶段[6]。次年6月22日当他再次观察M17星云时更加确定了该星云提供了“乳白色疑似真星云以及可分解星云之间的中间联系”。

在1785年的文章中他根据星云分类的演化过程已经形成基本雏形，1789年对《天的结构》的补充文章中他更是极为超前地写到[11]“……对这些不同大小和形状的球形星团，我倾向于相信，可能不会比属于同一种物种的植物或动物的个体处在不同年龄阶段的差异更大”。 他还更进一步指出“我们能够(通过星团的凝聚程度)判断恒星的相对年龄……”提出恒星朝向中心凝聚趋势的程度揭示整个星团恒星的年龄。

这一观点一经提出立即被他的赞助人沃森先生进行了激烈的批判[5]，这种将博物学方法引入天文学的做法在当时是一种离经叛道的行为。然而于赫歇尔来说，像博物学家那样分类星云，根据引力作用的程度排出一个从疏到密集的星云谱系最终得出聚集程度表示年龄是一件很自然的事。赫歇尔自己从不掩饰作为博物学家的倾向，早在1780年赫歇尔进入巴斯哲学会发表的第一篇论文就是关于讨论林奈的珊瑚分类问题[5]。而他发表的诸多天文学论文中也常常直言自己是作为某种程度的博物学家来研究宇宙，并且多处引入博物学术语来进行星云研究。比如1784年他写道[9]：“……毫无疑问的，我应该能够更自信地谈论天空的内部构造，以及各种星云和恒星的分层(strata)(借用博物学家术语)……”这也就是为什么他将不同形态的星云看成不同标本，并用植物来进行类比(analogy)：“天空……现在看起来像一个华丽的花园，其中包含各式各样的花种……继续我从植物王国借用的比喻，我们是否能够连续地见证植物的发芽，开花，长叶，繁殖，褪色，枯萎和腐败……。”这个比喻不仅仅是生物学的分类(taxonomy)，还很类似于现代天文学里研究恒星演化基于寻找处于不同演化阶段的恒星来作为“快照”，将这些快照排列成一个演化路径的思想。赫歇尔自己也曾经拿人从幼到长来比喻星云演化的一生，1811年关于宇宙论的文章[12]中指出：“……在相邻的两个之间也许没有多大差别(在分类排列时相邻的星云)，但如果我可以做个比喻的话，这就像如果我们对一个人进行年龄记述，它就能给出这个人从刚出生的婴儿到其盛年的成长过程一样。”

赫歇尔的博物天文学和他关于星云演化的假说在当时都遭到了主流天文学界不同程度的抵制。1803年亨利·布鲁姆(Herny Brougham)在《爱丁堡评论》(EdinburghReview)上攻击了赫歇尔的博物学改革[5]，他尤其极力反对那些赫歇尔引入的新术语，不仅抨击赫歇尔于命名小行星上展现的对于分类的热情，更是表示无法接受赫歇尔发明的宇宙学术语，比如“望远镜巡天”(telescopic sweeps)、“天空博物学”(natural history of the heavens)、“天的构建”(construction of the heavens)等等[5]。分析样本间的联系，按照其形态进行分类与描述，再到从术语上创造新的表达方式，这些都是博物学家的工作，现在却构成了赫歇尔星云演化理论的核心。

1785年赫歇尔将星云分成简单的8类，用罗马数字表示：I.明亮星云；II.暗弱星云；III.非常暗弱星云；IV.行星状星云；V.巨大星云；VI.高度压缩星团密集型星云；VII.小型密集型星团星云；VIII.弥散型疏星团。这一分类还十分粗糙，难以从中找出真正的联系，而此时赫歇尔仍然相信所有星云都是恒星组成的假设，对于其中行星状星云难以和其他种类的星云建立起关系，演化仅仅是存在于他头脑中的一个概念。作为博物学家，样本的收集至关重要，赫歇尔分别于1786、1789和1802年三次向皇家学会提交星云星团表，当他结束他的“巡天”工作后已经收集到了足够多的样本可供分析。

最终经过漫长的观测和星云分类，赫歇尔的天体演化理论于1811至1814年间成长为体系。1811年发表的星云演化图示(图1)呈现了一个完整的演化过程。赫歇尔对星云形态给出了具体的描述和名称，从名称上看具有很强烈的博物学分类的特点。

图1 赫歇尔绘制的部分星云形态[12]

如位于5号的星云是一个早期形态，赫歇尔命名为乳状星云。除了表面形态，命名时还考虑到亮度，如20号星云被命名为“中心逐渐变亮的星云”。赫歇尔一共总结了34种类型的星云，并排列成了一个演化序列，由“广泛的弥散性星云”(1号)起始，在引力作用下不断凝缩，直到晚期形态“行星状星云”(位于30号)以及极晚期的恒星状星云(位于32号)。

5 赫歇尔的宇宙

在1811年的文章中，赫歇尔不仅完成了他的星云分类，更是明确论述了他的宇宙生成论，给出了一幅以星云为主的演化图景。

在这篇文章中，赫歇尔对之前观测过的所有星云按照其形态和发光特点进行了梳理和归类，并具此形成一个演化序列。在赫歇尔的宇宙论中，恒星从真正的星云物质(nebulosity)中形成，之后又在引力的作用下聚集成团，形成早期的弥漫星云，引力继续压缩星团，直到形成行星状星云，这是一个很后期的形态，而恒星状星云(stellar nebulae)则是行星状星云的后续形态，整个演化过程也将会以新的恒星形成而走向终点。在赫歇尔给出的宇宙图景中，人们能依据观测到的星云的凝聚、压缩程度知道星云的年龄，星云越是弥散就越年轻，如彗星状星云(第22)的年龄要大于圆形星云(第17)。

除去形态之外，上述34种星云还依据亮度来进行分类，而亮度同样也是反映“凝聚程度”的指标。在早期形态6“凝结的乳状星云”中，赫歇尔提出星云中不是所有的地方都是亮度一致的，光会在一些部分被凝缩(condensed)得更紧，他还称没有比”凝缩”一词更能准确的描述了[12]，而凝缩的原因则毫无疑问是引力。

同大多数18世纪的天体力学信奉者一样，赫歇尔的宇宙演化思想同样是借用万有引力解释整个凝缩过程，所以他的宇宙是一个凝聚、收缩的宇宙而不是一个扩展膨胀的宇宙。根据引力的作用，天体移动形成越来越复杂、紧凑和对称的聚合，他认为这在“球状星团”和“行星状星云”中能够完美观测到，而一类他称之为“有核星云”的星云则存在高度的“凝结力”(condensation power)[12]。引力是永远不会停止作用的，因此星云将不断凝缩导致崩塌，最后形成恒星，进入一个新的循环之中，整个宇宙生生不息，类似自然界的生命循环(life cycle)。

1814年的文章，赫歇尔进一步完善他的演化理论，他将整个演化过程分为“星云部分”和“恒星部分”，并研究它们之间的联系。他在文章中写道[13]：“……一颗大约8等或9等的恒星，在子午线方向上延伸出非常弱的星云状分支，每条分支约1分长……”同时表示这种联系代表着恒星形成于星云之中[13]，“……现在看来，恒星在与星云物质相接触的时候，它们的物质必然会得到补充，所以它们最初是由星云物质形成的可能性是显而易见的……”

在这篇文章中他将恒星作为宇宙中的基本元素，并发展出通过观测星光证认出恒星种类的思想。1798年，赫歇尔在反射望远镜上安装棱镜以观察恒星的颜色和亮度，并记录下不同恒星所包含的颜色种类以及颜色强度，通过颜色反过来证认出不同类型的恒星(7)见参考文献[13]。赫歇尔列举了几颗常见亮星的颜色组成，如他观测到天狼星的光由红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、紫色和蓝紫色组成。参宿四与天狼星有着相同的颜色组成，但红色更强烈，橙色和黄色在比例上不如天狼星丰富。，这一思想和方法与19世纪中后期发展起来的光谱分析已然十分接近。然而，需要指出的一点是，在赫歇尔的宇宙观中构成宇宙的基本单位的恒星本身并未有所变化。根据赫歇尔的理论，恒星会从星云中形成，之后不会出现演化并走向膨胀、爆炸的结局，但会因为引力作用不断聚集、压缩而崩溃并粉碎[14](crash together and shatter)。这种非稳定状态的宇宙同样不被赫歇尔所允许， 因此为了保持一个相对稳恒状态的宇宙，赫歇尔早在1785年的文章中就提到了星团中还存在一种“抛射力”(projectile forces)，这样物质就会再次循环进空间，不会最终塌缩进单一质量中去。

赫歇尔对于星云的观测和他的宇宙演化论也影响了同时代的一些天文学家。比如拉普拉斯在《宇宙体系论》的最后一篇附录中引用了赫歇尔的观测证据来说明太阳系的起源问题，这篇文章整体上没有超出赫歇尔在1791年之前的研究成果，并且仅仅局限在太阳系范畴。拉普拉斯认为太阳系诞生于一团巨大、炙热、转动着的球型气体。气体冷却，星云收缩，因为角动量守恒，收缩使得气体云旋转速度加快，在中心引力和离心力的共同作用下星云逐渐变为扁平盘状。在收缩过程中，每当离心力与引力相等时，就有部分物质留下来，演化成一个绕中心转动的环。星云的中心凝聚成太阳，各个环则凝聚成行星，卫星系统也是同样的原理。

赫歇尔的宇宙生成论大大超出同时代学者的认识边界，涵盖了从星云星团到单个恒星的完整的宇宙图景，并用由引力产生的凝聚效应解释了从恒星诞生到星云成长的整个过程。可以说赫歇尔的宇宙生成论已经彻底摆脱康德、赖特等前人的哲学思辨范畴，开始向着现代意义的宇宙演化论(evolution)靠近。

无论如何，一个凝聚、收缩的宇宙显然是18世纪天体力学的产物，在此框架内宇宙物质可以是生成的，但整个宇宙却是非扩张膨胀的。赫歇尔宇宙论的意义不仅在于用观测事实的方式证明牛顿力学支配的宇宙的动态图景，其用分类法研究星云演化的方法也创造了天文学史上一次革新，19世纪后期诞生的光谱分类与赫歇尔的方法在思想方面是同构的。

6 结语

长久以来，考虑宇宙的开端、天体的生成并不是天文学家的任务，而往往属于宗教神学领域。18世纪流行的宇宙生成论区别于古代的地方在于依托牛顿力学，赖特的神学宇宙观也将牛顿力学充分考虑进去，康德、朗伯特等人的宇宙观中万有引力是宇宙万物生成的基本原动力。然而这些人的宇宙论更多是一种思辨性质的推理，缺少天文学最基本的要素——观测。

真正具有现代天文学意义的宇宙生成论是由威廉·赫歇尔提出的。他也是首先将博物学分类法引入天文学中的第一人，并通过数学统计的方式探索星空的结构。赫歇尔一生观测了超过2500个星云，他将这些星云按照形态和亮度分类，但又不仅仅止于分类，而是探索形态背后的本质，于是他提出了不同星云形态是星云演化的结果，通过引力作用一种形态能够变成另外一种形态最终形成恒星。赫歇尔也认为演化的源动力是引力，原始星云通过不断的引力收缩聚集最终形成一个个天体。因此，赫歇尔的宇宙是一个不断收缩凝聚的宇宙，这个宇宙图景既非古代封闭不变的宇宙也非现代普遍认同的开放膨胀的宇宙，是很典型的18世纪牛顿力学宇宙观。

现代宇宙论不仅依托于天文观测事实，还建立在相对论等理论的基础上。而在赫歇尔时代，支持凝聚宇宙观的同样是大量的天文观测事实，再加上博物学的分类法以及天体力学的运用。从这个角度来说赫歇尔的宇宙论具备超越时代的特点又同时被时代所局限，体现了18世纪末到19世纪初期这段在进入天体物理学时代过渡期间的西方宇宙论的特点。