旅行到时空边缘：彗星的奥秘与万有引力的揭示

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：第6章归来的彗星淡定从容来自对自然规律的认识如约而至1758年，欧洲掀起了一股寻找彗星的热潮，因为早在几十年前就有人预言，一个大彗星将在这一年重现天空。可惜，梅西耶发现的并不是真的彗星，而是蟹状星云。那是彗星的季节，在4年里接连出现了3颗大彗星。哈雷是有抱负的天文学家，决心揭开彗星的奥秘。万有引力是个空前强大的科学武器，哈雷立即把它用来计算彗星的轨道。

第6章　归来的彗星

淡定从容来自对自然规律的认识

如约而至

1758年，欧洲掀起了一股寻找彗星的热潮，因为早在几十年前就有人预言，一个大彗星将在这一年重现天空。法国人梅西耶是寻彗高手，他不放过每一个晴夜，指望摘取第一个发现者的桂冠。

梅西耶1730年出生于法国洛林，12个兄弟姊妹中有6个夭折，童年时父亲也离世了，他只好辍学。14岁时，天空出现了一颗极为壮观的彗星，拥有6条扇形尾巴，这奇异天象深深打动了少年梅西耶的心灵。21岁时梅西耶只身一人到巴黎闯荡，因为能写一手好字，当了一位天文官的助手，第一份工作是复制一张中国大地图，几年后，精明能干的梅西耶接任了天文官的职务。

梅西耶热衷搜寻彗星。彗星刚出现时只是一个很淡的云雾状斑点，星空里有很多位置固定的云雾状天体，有星云，有星团，有星系，那时候人们还区分不了这么清楚，就都称为星云。星云和刚出现的彗星很容易混淆，梅西耶就制作了一个星云列表，列在这个表上的天体后来被称为“梅西耶天体”，以梅西耶名字的第一个字母M表示，比如M1是金牛座蟹状星云，M31是仙女座大星云，M42是猎户座大星云等。

梅西耶的望远镜很一般，口径只有6厘米，就是这样，他还是发现了21颗彗星，被法国国王称为“彗星猎手”，他也因此先后成为柏林科学院院士（1769年）和巴黎学士院院士（1770年）。

1758年的时候，梅西耶还默默无闻，努力地搜寻彗星。几个月后，梅西耶果然发现了一颗，他无比激动，很快发表了自己的观测报告：

“我发现了1758年彗星，8月28晚，它位于金牛座的两个牛角之间，距离天关星只有一小点……”

可惜，梅西耶发现的并不是真的彗星，而是蟹状星云。1759年1月21日，梅西耶终于发现了彗星，可令他沮丧的是，一个德国农夫已经在一个月前发现了它。即便如此，梅西耶还是在法国一举成名，因为这颗彗星的名气实在太大，它就是哈雷在半个多世纪前预言要回归的大彗星。

恐怖的大彗星

哈雷预言的这颗彗星曾在1682年出现。那是彗星的季节，在4年里接连出现了3颗大彗星。首先是1680年大彗星，12月18日它运行到近日点，比满月还亮100倍，紧挨着太阳，巨大的尾巴横贯半个天空。

这天象实在是太奇特，也太恐怖，因为彗星自古就被人们视为灾祸的征兆，每次出现都会给人带来很多恐慌。

1681年春天大彗星刚刚消失，紧接着，1682年和1683年，天空又接连出现了两颗明亮的彗星，社会上又是惊恐不安。自古以来对彗星形成的恐惧之心就一代代流传，在一幅图画里，彗星都被描绘成可怕的刀剑。

淡定需要智慧。古罗马哲学家塞内克对彗星的认识是少有的清醒。他说“彗星按照自然所规定的路径有规律地运行”，并且预言，后代的人会对那些不能认识很明显的真理的愚蠢人感到惊诧。

1680年大彗星出现在天空的时候，哈雷24岁，已经是一位很有名望的天文学家了。4年前，哈雷在牛津大学即将毕业时，遇到了一个难得的观测机会，他果断放弃学位，携带天文仪器来到孤悬于南大西洋的圣赫勒那岛，就是后来流放拿破仑的地方，在那里建立了一座天文台，观测北半球看不到的南天星空。一年之内哈雷便绘制成了第一个南天星表，一举成名，被人誉为“南天第谷”。

哈雷是有抱负的天文学家，决心揭开彗星的奥秘。他仔细观测、记录彗星的位置，以及在星空的逐日变化，要找到自然规定的那个路径规律。

哈雷发现，要是太阳对行星引力的大小与距离平方成反比就好办了，可他无法证明这结论。1684年8月，哈雷来到剑桥拜访牛顿。哈雷问牛顿：“假如行星受到太阳的引力大小与距离平方成反比，行星该以怎样的轨道运动？”牛顿不假思索地回答：“椭圆。”哈雷十分震惊，立刻询问计算方法，牛顿在抽屉里翻找半天，并没有找到，便答应重做一份给哈雷寄去。

万有引力定律

牛顿早在1666年就深入研究过哈雷提出的问题。那年爆发了大瘟疫，剑桥大学关闭，23岁的牛顿回到了林肯郡的家乡，于是就有了著名的苹果的故事。

牛顿想，假设使苹果落下的引力自地心发出，延伸至月球，力的大小与距离平方成反比。因为苹果树到地心的距离是地球的半径，月球与地心的距离是地球半径的60倍。这样，物体在月球轨道处受到的地心引力应该是在地面处的1/3600，月球轨道处的加速度就是地球表面的1/3600。

苹果在落向地心的第一秒里走4.9米。如果把它放到月亮那样高的地方自由落下，在第一秒钟内，它落下的距离是上述距离的1/3600—1.35毫米。月亮的运动正是如此，它在第一秒内也会向地球下落1.35毫米。既然有这样的坠落，为什么月亮没有落到地球上呢？因为月亮有切向的速度，在1秒钟内，月亮在轨道上前行1017米。如果没有地球的引力，月亮便会沿切线方向飞出去。地球的引力是一种向心力，使月亮向下坠落，结果便是月亮环绕地球运行。

天才的牛顿从而领悟到，使物体坠落到地面的地心引力和使月亮在它轨道上运行的力量，实在是同一种力量！可那时的测量水平没有精确到足够给予这个发现以无可辩驳的证明，于是牛顿停留了16年。1682年，牛顿听说法国天文学家皮卡尔测量地球周长的新结果，就立即重新进行计算，万有引力定律由此诞生。

牛顿还利用他发明的微分学方法证明，如果太阳有这样一种力的作用，每个行星会走一个椭圆轨道，太阳就在这些椭圆轨道的一个焦点上，这正是开普勒行星第一定律。

哈雷的预言

回到彗星的研究上来。万有引力是个空前强大的科学武器，哈雷立即把它用来计算彗星的轨道。哈雷想，如果彗星是在一个以太阳为焦点的椭圆轨道上运行，有朝一日它还会转回到太阳附近，地球上的人们可以再次看到它，也就是说，某些彗星会周期性地回归。

哈雷查阅以前的观测记录，发现开普勒1607年观察到的一颗彗星与自己1682年观测的彗星轨道相似，两次彗星出现的间隔是75年。如果这是一颗周期75年的彗星，肯定可以找到它先前的记载。果然，哈雷很快找到一颗1531年的彗星，轨道与前两颗极相似，但时间间隔却是76年。为什么有差异呢？它们是同一颗彗星吗？哈雷很快领悟到，彗星在太阳系空间运行时会受到其他行星，尤其是木星、土星等大行星的引力摄动影响，轨道会发生小小偏离，从而使周期发生改变。哈雷继续不厌其烦地向前搜索，发现1456年、1378年、1301年，一直到1066年，都有大彗星的记录。

1066年大彗星非常著名，它联系着一次重大历史事件。那年9月，诺曼底公爵威廉率领大军，准备横渡英吉利海峡攻打英国，拖着尾巴的彗星在夜空出现。威廉怀着复杂的心情，注视着夜空中的长尾天使，最终解读为是上帝下达的攻击命令。果然，威廉的军队在黑斯廷斯会战中击败英国军队，英王哈罗德阵亡。威廉随后占领伦敦，圣诞节那天在威斯敏斯特教堂加冕为英国国王。威廉的妻子马蒂尔把大彗星的景象绣在一块挂毯上，纪念这次胜利。

彗星在1456年的出现也极为引人注目，那时土耳其人刚刚占领君士坦丁堡，欧洲人正处在惊恐不安中。这年3月，彗星出现在夜空，大而可畏，尾巴之长掩盖了黄道的两宫—约60度，那摇荡的、火焰的形态，仿佛是震怒的天神，教皇命令信徒们更加虔诚地祈祷，来扭转战争局面。

1705年，哈雷发表了《彗星天文学论说》，宣布1682年曾引起世人极大恐慌的大彗星具有大约76年的周期，它将于1758年或1759年再次出现于天空。后来，法国天文学家和数学家拉朗德进行了6个月的细致计算，发现土星的引力影响会使彗星这次回归推迟100天，木星的引力影响会推迟它518天，总共618天，彗星下次回归要比平均周期延迟1年多，应当在1759年4月到达近日点。

76年，对天体来说只是短暂的一瞬，对一个人来说却过于漫长。哈雷做出预言之时已年过五十，而彗星回归还要再等五十多年，哈雷预感有生之年无缘再见到它，就在书中写道：“如果彗星最终根据我们的预言，大约在1758年再现的时候，公正的后代将不会忘记这首先是由一个英国人发现的……”

1742年1月14日，哈雷在平静地等待中离开了人世。17年之后，彗星终于如约出现在天空，在预言的星座之间穿过，1759年3月12日到达近日点，长尾扫过众星，在夜空里熠熠生辉，宣告哈雷的胜利，更宣告了牛顿力学的伟大胜利。这一次，社会上没有出现大规模恐慌，人们因为了解真相而从容淡定，万物遵循自然法则的信念开始深入人心。

旅行到时空边缘：彗星的奥秘与万有引力的揭示

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