天文学家威廉·赫歇尔的新疆域之旅

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：第7章新疆域笔尖上计算出的行星把牛顿力学推上光辉的顶峰乐师出身的天文学家威廉·赫歇尔1738年出生在德国的汉诺威，从小喜欢音乐，跟从父亲学习拉小提琴，吹奏双簧管。连续失败了200多次后，1774年，赫歇尔初尝胜果，制成了一架口径16厘米的反射望远镜，这架小小的望远镜，为太阳系开辟了新的疆域。1792年，英王乔治三世派马戈尔尼使团访问大清国，向乾隆皇帝祝贺八十大寿，附带商谈两国贸易问题。

第7章　新疆域

笔尖上计算出的行星把牛顿力学推上光辉的顶峰

乐师出身的天文学家

威廉·赫歇尔1738年出生在德国的汉诺威，从小喜欢音乐，跟从父亲学习拉小提琴，吹奏双簧管。在晴朗的夜晚，赫歇尔会跟着父亲到户外认识天上的星座，一闪一闪的小星星在赫歇尔的心中种下了天文的种子。16岁时赫歇尔离开了学校，加入了禁卫军乐团，担任小提琴和双簧管演奏员。后来德国卷入了英法七年战争，赫歇尔不堪忍受战争之苦，当了逃兵，偷渡到英国。

34岁时，儿时的种子开始发芽，赫歇尔狂热地爱上了天文学。由于买不起昂贵的望远镜，他决定自己动手磨制镜片，自己制造望远镜。那时的镜片是用铜盘磨制，把坚硬的铜盘打磨成极为光洁的凹面，表面误差比头发丝还要细许多倍，难度可想而知。赫歇尔常常一干就是十多个小时，吃饭甚至由妹妹卡罗琳来喂。连续失败了200多次后，1774年，赫歇尔初尝胜果，制成了一架口径16厘米的反射望远镜，这架小小的望远镜，为太阳系开辟了新的疆域。

1781年3月13日夜，赫歇尔给望远镜配上放大227倍的目镜，对准双子座内的黄道附近，立刻，一颗具有小圆面的星出现在视域里！赫歇尔极为兴奋，他给望远镜换上放大460倍的目镜，那星的圆面变大了，发出淡蓝色的光。赫歇尔持续观测好几个夜晚，发现那颗星在缓慢移动位置。赫歇尔感觉自己捕到了一条大鱼，要知道，所有恒星在普通望远镜里都是针尖般的小点，而且恒定不动，这个会动的小圆面太不寻常了，它肯定是太阳系内的一个新天体。

会是一颗未知行星吗？赫歇尔不敢那样想。自有文明以来，天空中肉眼可见的行星就只有五个，加上太阳和月亮统称七曜。那时候很多人对数字“七”情有独钟，认为“七”是一个圆满的轮回，一个星期有七天，人有七窍，天上的日月五星也正好是七个，如果再出现一颗新行星，岂不破坏了七曜的圆满？千百年来，人们已经习惯了第七重天上的土星是行星的边界，如果再来一颗更远的行星，传统观念将受到巨大冲击。

赫歇尔只好报告说自己发现了一颗新的彗星，可这颗彗星却既无彗尾又无彗发；天文学家测量出它的轨道，很接近圆形，而彗星轨道通常是很扁的椭圆。天文界沉默了一段时间后，终于确认，它的的确确是一颗新行星！

赫歇尔把新行星命名为“乔治星”，以感激他的支持者英王乔治三世，天文学家们则坚决反对，行星都以诸神的名字命名，乔治三世虽为君王，也决不可和众神并列。

叫它什么好呢？既然木星是众神之王朱庇特，土星是朱庇特的父亲萨图恩，新行星比土星更高远，它不就该是土星神萨图恩的父亲吗？对，就是萨图恩的父亲乌拉诺斯，中文翻译为天王星，自此，希腊神话的三代天神在太阳系团聚了。

赫歇尔是幸运的，天王星是一颗肉眼都可以勉强看到的星，在望远镜中当然不算很暗弱，它在幽暗的远方遨游，一次次进入天文学家的视野，又一次次成功逃脱—天文学家们误认为是暗弱恒星而放过它。自1750年至1769年，一位叫勒莫尼埃的天文学家曾经观测到它12次之多，可是这位天文学家有些粗心急躁，没有下工夫整理自己的观测记录，还有几位天文界的大腕，也都观测到过这颗行星，同样未能辨识出来。

赫歇尔很快名扬天下，热心的天文爱好者英王乔治三世召见了他，给以终身俸禄，并赐以住宅，任命赫歇尔的妹妹卡罗琳为助理天文学家。卡罗琳完全配得这样的荣誉和待遇，她一生未婚，协助赫歇尔进行天文观测，并且单独发现了8颗彗星。

英王又赐给赫歇尔4000英镑的巨额资金，让他造更大的望远镜。赫歇尔想造一架口径3英尺（75厘米）的，由于没有厂家能铸造这么大的镜面，赫歇尔依然自己动手，车间就在地下室，用作燃料的马粪在院子里堆积如山。浇铸的日子来到，一开始还算顺利，不料模子耐不住高温突然爆裂，熔化的金属倾泻而出，石板地面猛烈爆炸，碎片击穿屋顶，赫歇尔奔逃到院子里逃过一劫。

1789年，51岁的赫歇尔终于制造出了称雄世界的大望远镜，口径1.22米，镜筒长12米，竖起来有4层楼高，就像一个巨型大炮，光是镜头就重2吨，操作它不但是精密的技术活，更是繁重的体力劳动。1789年8月27日大望远镜开光，第二天赫歇尔就发现土星最大的卫星—土卫六，接着又发现了土卫七。

赫歇尔一生共制作了400多架望远镜。1792年，英王乔治三世派马戈尔尼使团访问大清国，向乾隆皇帝祝贺八十大寿，附带商谈两国贸易问题。使团进贡给乾隆的礼品中，就有一台赫歇尔制造的望远镜，这台望远镜和其他科学仪器一样并未引起大清朝廷的兴趣，被弃置于圆明园。

赫歇尔全身心投入天文观测与研究，直到50岁才结婚，54岁时儿子约翰·赫歇尔出生，后来也成为著名天文学家。1822年8月25日赫歇尔逝世，享年84岁，这恰好是他发现的天王星绕太阳运行的公转周期。

笔尖上发现新行星

1821年，天王星已经发现40年了，天文学家们发现，它不太老实，总是偏离预言的轨道。什么原因呢？天文学家们想到，可能是它里面的土星对它施加了引力影响—这称为摄动，于是就计算土星对天王星的摄动，经过这样修正后预言的天王星位置，依然与实际观测不相符合。而且随着时间推移，天王星的实际位置与理论预言的误差越来越大，问题究竟出在哪里呢？

是牛顿万有引力定律不够准确？还是天王星外面还有一颗未知行星，它的摄动使天王星位置产生了偏差？

多数天文学家倾向于后者。但如何找到这颗未知行星呢？这需要倒推摄动的来源—逆摄动，这个问题要困难得多，当时还无法解决。

恰好这时期天体力学发展起来，一大批常在教科书中出现的耀眼明星集体做出了贡献，如欧拉、达朗贝尔、拉格朗日、拉朗德、泊松、雅可比、汉密尔顿等，其中拉普拉斯的巨著《天体力学》是代表作，计算天体逆摄动有了可能。

1845年夏天，法国的勒威耶开始计算未知行星。一年之后，他有了结果，预言出新行星的位置，呼吁天文学家用望远镜搜寻，可没有什么响应。勒威耶只好写信给柏林天文台的伽勒，请他帮助寻找，信中写道：

“请您把望远镜指向黄经325度宝瓶座内黄道一点上，您将在这个点周围大约1度的范围内发现一个圆面明显的新行星，它的亮度约为9等……”

9月23日上午，伽勒收到勒威耶的来信，当天晚上就开始行动。伽勒用天文望远镜观测，报告星体位置，助手德莱斯特在一旁核对星图。几分钟后，他们就发现了一颗星图上没有的星，正在勒威耶预言的范围内，那是一颗蓝色小星星。第二天晚上，他们继续观测，又找到这颗星—位置移动了一点点，果然是一颗行星！9月25日，激动万分的伽勒写信向勒威耶报告：“先生，您计算出的那颗行星真的在那里！”

天文学家这一次没有迟疑，很快接受了新行星，并按神话命名传统，用罗马神话的海神涅普顿称呼它，就是海王星，太阳系的疆域再一次得到极大扩展。

争论与遗憾

发现海王星的消息在英国引起了震动。原来，英国剑桥大学年轻的亚当斯甚至早于勒威耶计算出了新行星的大致位置。亚当斯是在1843年开始计算的，在法国勒威耶开始动手的1845年，亚当斯已经推算出未知行星的大致轨道，他把结果交给剑桥天文台，希望天文台能据此寻找。然而台长艾里有些疑问，迟迟没有动手；另一位天文学家查利斯倒是寻找过，新行星也确实光临了他的望远镜，而且是两次，他却把观测资料堆积起来没有及时整理，从而错失了优先发现权。

英国人和法国人为了争夺海王星的发现权，激烈笔战了好几年。法国人很生气，他们在《画报》上登了一幅漫画，一个滑稽小人透过望远镜，从另一个小人举起的大书中发现了海王星的计算公式，下面写着：“亚当斯在勒威耶的报告中发现了新行星。”

还有比亚当斯更倒霉的。在勒威耶计算出海王星之前半个世纪，1795年5月8日和10日，天文学家拉朗德的侄子两次把海王星记录下来，并且觉察到两次记录的星星位置有一点儿差异，还在那结果后面加上一个问号，准备再次观察予以证实，可是后来竟然忘了。假使他再去做第三次观测，肯定就会摘取这个巨大荣誉。当然，这样也会使海王星的发现少了这许多传奇经历，也使牛顿力学少了一次绝佳的考验机会。

牛顿力学的辉煌胜利

建议勒威耶从事这项工作的巴黎天文台台长阿腊果这样评述道：

“天文学家有时偶尔碰见一个动点，在望远镜里发现一颗行星。可是勒威耶发现这颗新天体，却没有朝天上投去一瞥，他在笔尖上便发现了这颗行星！”

海王星因此被称为笔尖上发现的行星，它把牛顿力学推上了最辉煌的科学巅峰，成为牛顿力学理论的最高荣誉和最后印证，万物遵循自然法则的思想更加深入人心。牛顿的形象也如神一般光芒万丈，如诗人亚历山大·蒲柏广为传颂的那首诗中所写：

自然与自然的法则隐藏在黑夜里，

上帝说：“让牛顿降生吧！”

于是一片光明。

天文学家威廉·赫歇尔的新疆域之旅

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