寻找太阳系的疆界

作者:卢昌海           一. 远古苍穹

很多故事都会用 “很久很久以前” 作为开始， 仿佛久远的年代是成就一个好故事的要素。 现在让我们也从 “很久很久以前” 开始， 来讲述人类寻找太阳系疆界的故事吧。

在很久很久以前， 一群古希腊的牧羊人孤单单地生活在辽阔的原野上。 他们白天与羊群为伍， 在原野上漫游， 夜晚则与星空为伴， 期待黎明的到来。 渐渐地， 他们注意到在黎明之前， 在晨光渐露、 太阳即将跃出地平线的时候， 天边有时会出现一颗闪烁的星星。 与多数星星不同的是， 那颗星星的位置会一天天地变化， 有时甚至会连续一段时间不出现。 他们把这颗出现在黎明时分的星星叫做 “晨星” (morning star)。 细心的牧羊人还注意到， 在黄昏时分， 在日沉大地、 暮色四合的时候， 天边有时也会出现一颗闪烁的星星， 它的位置也会一天天地变化， 有时也会连续一段时间不出现。 他们把那颗出现在黄昏时分的星星叫做 “晚星” (evening star)。 后来人们用希腊及罗马神话中的太阳神阿波罗 (Apollo) 表示晨星， 用希腊或罗马神话中的信使赫耳墨斯 (Hermes) 或墨丘利 (Mercury) 表示晚星。 很多年之后， 人们意识到晨星和晚星实际上是出现在不同时刻的同一颗星星， 据说毕达哥拉斯 (Pythagoras) 是最早意识到这一点的人[注一]。 在群星之中， 这颗星星的位置变化最为显著， 往来如梭， 仿佛天空中的信使， 信使墨丘利便成了它的名字。



象这样的小故事在人类文明的几乎每一个早期发源地都曾有过。 那时的人们就已经知道， 在浩瀚的夜空中， 多数星星的位置看上去是固定的， 象晨星 (晚星) 这样会移动的星星是十分少见的。 这样的星星被称为行星， 它的英文名 planet 来自希腊文 πλανήτης (planētēs)， 其含义是漫游者。 被远古人类所发现的行星共有五颗， 这个数目在长达几千年的时间里从未改变过， 甚至一度被认为是永恒不变的真理。 在东方的中国及深受中华文化影响的其它东方国家如日本、 韩国及越南， 人们将五颗行星与阴阳五行联系在一起， 并以此将它们分别命名为水星 [即上面提到的墨丘利 (Mercury)]、 金星 [在西方世界中被称为维纳斯 (Venus)， 她是罗马神话中掌管爱情与美丽的女神]、 火星 [在西方世界中被称为玛尔斯 (Mars)， 他是罗马神话中的战神]、 木星 [在西方世界中被称为朱比特 (Jupiter)， 他是罗马神话中的众神之王] 和土星 [在西方世界中被称为萨坦 (Saturn)， 他是朱比特的父亲， 是罗马神话中掌管农业与收获的神]。 很明显， 这种命名方式除了起到命名作用外， 还代表了古代东方文化对行星数目 “五” 的一种神秘主义的解读。 类似的解读方式不仅存在于东方， 也存在于西方； 不仅存在于古代， 也存在于近代。 哥白尼 (Nicolaus Copernicus) 的日心说提出之后， 地球本身也被贬为了行星， 行星的数目由 “五” 变成了 “六”， 对此， 著名的德国天文学家开普勒 (Johannes Kepler) 提出了一个几何模型， 试图将天空中存在六颗行星与三维空间中存在五种正多面体这一几何规律联系在一起[注二]。

诸如此类的对行星数目的神秘主义解读虽然并没有什么生命力， 但除了因日心说导致的地球地位变更外， 行星数目的长期不变却是不争的事实。 一百年、 两百年， ...， 一千年、 两千年， ...， 这个数目是如此地根深蒂固， 天文学家们大都在事实上将之视为了不言而喻， 他们做梦也没想到， 这个数目有一天竟然也会被改变。 这一天是 1781 年 3 月 13 日， 改变这个数目的是生活在一座英国小镇的一位业余天文学家， 他的名字叫做赫歇耳 (William Herschel)， 他发现了太阳系的第七颗行星， 从而成为几千年来发现新行星的第一人。 赫歇耳的发现出乎了包括他自己在内的所有人的意料， 这一发现不仅为他本人赢得了永久的荣誉， 也将观测天文学带入了一个崭新的时代， 一个由赫歇耳 “无心插柳” 而开启的天文学家们 “有心栽花” 的时代， 人类从此开始了寻找太阳系疆界的漫漫征途。

二. 乐师星匠



赫歇耳的一生非常出色地实践了两种截然不同的职业， 其中最出色的职业 - 天文学家 - 不仅出现在对常人来说很难有开创性成就的后半生里， 而且 - 从某种意义上讲 - 就象他对新行星的发现一样， 是一个无心插柳的故事。

赫歇耳于 1738 年 11 月 15 日出生在当时属于英王领地的德国中北部城市汉诺威 (Hanover) 的一个音乐之家[注三]。 赫歇耳具有很高的音乐天赋， 他十四岁就参加乐队， 不仅擅长多种乐器， 而且还能独立作曲， 他亲自创作的交响曲和协奏曲就有几十首之多。 1757 年秋天， 十九岁的赫歇耳移居到了英国[注四]， 以演奏及讲授音乐为生。

赫歇耳的音乐成就以常人的标准来衡量应该说是颇为可观的， 但放在他的简历中， 却无可避免地要被他巨大的天文成就所淹没。 不过他在英国的音乐生涯中有一件事情值得一提。 那是在十八世纪六十年代中期， 当时英国的教会刚刚开始引进风琴， 需要招募一批风琴演奏者， 年轻的赫歇耳也参加了一个风琴演奏职位的竞逐。 当时的竞争颇为激烈， 而赫歇耳在风琴演奏上并无经验。 但他敏锐地发现当时英国教会引进的风琴与欧洲大陆的风琴相比有一个缺陷， 那就是缺少控制低音部的踏板。 为了弥补这一缺陷， 聪明的赫歇耳对两个低音琴键进行了改动， 从而演奏出了通常需要低音踏板的配合才能演奏出的低音部。 他的表演不仅赢得了评审的一致赞赏， 而且让他们深感神秘 (当然， 他顺理成章地成为了优胜者)。 赫歇耳在这一竞争中显示出的过人的动手及设计能力， 将为他日后的天文生涯立下汗马功劳。


1766 年， 赫歇耳迁居到了英国西南部的一座名叫巴斯 (Bath) 的小镇， 在一所教堂担任风琴演奏师， 开始了他在那里长达十六年的生活。 这座当时人口仅有两千的观光小镇因而有幸见证了赫歇耳一生最辉煌的工作。 在巴斯期间， 赫歇耳的音乐生涯达到了巅峰， 他不仅是风琴演奏师， 而且还担任了当地音乐会的总监， 并开班讲授音乐课程。 1772 年， 收入已颇为殷实的赫歇耳给他母亲寄去了足够雇一位佣人的钱， 从而把他妹妹卡洛琳 (Caroline Herschel) 从母亲为她安排的枯燥繁重的家务劳动中解救了出来， 并接到巴斯。

与赫歇耳一样， 卡洛琳也是一位颇有音乐天赋的人， 但她一生注定要跟随哥哥去走一条未曾规划过的道路。 在接卡洛琳到巴斯之前， 已成为镇上知名音乐家的赫歇耳潜心学起了数学。 赫歇耳学数学的本意是想多了解一些和声的数学机理， 从而加强自己的音乐素养。 但结果却因学数学而接触了光学， 又因接触光学而对天文学产生了浓厚的兴趣， 最终走上了一条业余天文学家之路。 而卡洛琳则成为了他在天文观测上不可或缺的助手[注五]。

赫歇耳所走的这条业余天文学家之路， 不仅为他自己走出了一片绚烂的天地， 也成就了业余天文学的一段 - 也许是最后一段 - 黄金岁月。 十八世纪的许多职业天文学家过分沉醉于由牛顿 (Isaac Newton) 所奠定， 并经欧拉 (Leonhard Euler)、 拉格朗日 (Joseph Louis Lagrange)、 拉普拉斯 (Pierre Simon Laplace) 等人所改进的辉煌的力学体系之中。 他们热衷于计算各种已知天体的轨道， 以此检验牛顿力学， 同时也为经纬及时间的确定提供精密参照。 在一定程度上， 当时的许多职业天文学家变得精于验证性的计算， 却疏于探索性的观测。 在这种情况下， 自赫歇耳之后半个多世纪的时间里， 业余天文学家们对天文学的发展起了重要的补充作用， 这一时期天文学上的许多重大的观测发现就出自他们之手。



常言道： “工欲善其事， 必先利其器”。 对天文观测来说， 必备的工具是望远镜。 由于当时高质量的望远镜极其昂贵， 赫歇耳决定自己动手制作望远镜 (也顺便可以实践因学数学而接触的光学知识)。 望远镜的问世是在十七世纪初， 其确切的发明者现已不易追溯， 但德国裔荷兰人利普歇 (Hans Lippershey) 于 1608 年最早为自己制作的望远镜申请了专利， 从而留下了文字记录， 因此人们一般将他视为望远镜的发明者。 1609 年， 科学巨匠伽利略 (Galileo Galilei) 在得知了有关望远镜的消息后， 很快制作出了自己的望远镜。 伽利略制作的望远镜在结构及放大率上都大大优于包括利普歇在内的同时代人制作的望远镜。 他并且也是最早将望远镜用于天文观测的人[注六]。 通过望远镜， 伽利略获得了一系列前所未有的天文发现， 其中包括发现月球上的环形山、 太阳黑子及木星的四颗卫星 (现在被称为伽利略卫星) 等。 不过伽利略所用的是折射望远镜， 这种望远镜由于透镜 (主要是物镜) 所具有的色差等当时技术难以消除的效应而无法达到很高的放大率。 十七世纪后期， 另一位科学巨匠牛顿发明了反射望远镜[注七]， 用反射面替代了折射望远镜中的物镜， 从而避免了透镜色差带来的困扰。 赫歇耳所制作的就是反射望远镜， 这种望远镜的反射面可以用金属制作而无需使用玻璃。

为了制作望远镜， 赫歇耳将自己在巴斯的住所改造成了望远镜 “梦工厂”： 客厅被用来制作镜架与镜筒， 卧室变成了研磨目镜的场所， 厨房里则架起了熊熊的熔炉。 赫歇耳细心试验了许多不同成分的合金， 最后选择了用 71% 的铜与 29% 的锡组成的合金， 作为制作反射面的材料。 在制作望远镜期间， 除妹妹卡洛琳外， 赫歇耳还得到了弟弟亚历山大 (Alexander Herschel) 的帮助。 赫歇耳一生制作的望远镜有几百架之多， 不仅满足了自己的需要， 而且还通过出售望远镜使家庭获得了数目不菲的额外收入。 在长期的制作中， 他的作坊也一度发生过严重的事故， 导致熔融的金属四处飞溅， 幸好大家闪避及时， 奇迹般地未造成人员伤亡。

1778 年， 赫歇耳的家庭作坊制作出了一架直径 6.2 英寸、 焦距 7 英尺的反射望远镜。 这架望远镜在天文史上有着重要的意义， 被后世称为 “七英尺望远镜”。 后来的检验表明， 赫歇耳这架 “七英尺望远镜” 的性能全面超越了当时英国格林威治 (Greenwich) 皇家天文台的望远镜。 赫歇耳用自己的双手制造出了当时全世界最顶尖的观测设备， 为自己的天文观测之路迈出了无比坚实的第一步。 终其一生， 赫歇耳孜孜不倦地建造着更大的望远镜， 一次再次地刷新着自己 - 从而也是整个天文学界 - 的纪录， 他在这一领域的优势不仅在其有生之年从未被反超过， 甚至在去世之后仍保持了很长时间。

三年后的一个春季的夜晚， 一颗略带圆面的星星出现在了赫歇耳那架 “七英尺望远镜” 的视野里， 他一生最伟大的发现来临了。注释

   1. 除墨丘利 (即水星) 外， 另一颗内行星 - 金星 - 也只有在清晨和黄昏才容易被肉眼所看见 (请读者想一想， 为什么水星和金星只有在清晨和黄昏才容易被肉眼所看见？)， 因而也曾被远古的观测者误分成晨星和晚星。 后来也是古希腊人首先意识到它们其实是出现在不同时刻的同一颗行星。
   2. 具体地讲， 开普勒提出的几何模型是这样的： 将六颗行星与三维空间中仅有的五种正多面体按以下顺序自内向外排列： 水星、 正八面体、 金星、 正二十面体、 地球、 正十二面体、 火星、 正四面体、 木星、 正六面体、 土星。 排列的方式是： 每个行星轨道所在的球面都与其外侧的正多面体相内切 (最外侧的土星轨道除外)， 同时与其内侧的正多面体相外接 (最内侧的水星轨道除外)。 开普勒的这一模型虽然精巧， 但与精密的观测以及他自己后来发现的行星运动定律不相符合， 不久之后就被放弃了。 喜欢几何的读者不妨计算一下这一模型所给出的相邻行星的轨道半径之比， 并与观测数值作一个比较。
   3. 赫歇耳出生时的名字是 Friedrich Wilhelm Herschel， 后来所用的名字 Frederick William Herschel 是他移居英国后入乡随俗而改的。 确切地讲， 为了与后文用卡洛琳 (Caroline) 称呼他妹妹 Caroline Herschel， 以及用亚历山大 (Alexander) 称呼他弟弟 Alexander Herschel 相平行， 我们应该称他为威廉 (William) 。 不过由于他是科学史上的著名人物， 对这样的人物， 人们习惯于用姓而不是名来称呼， 就象我们一般不用艾萨克 (Isaac) 和阿尔伯特 (Albert) 来称呼牛顿 (Isaac Newton) 和爱因斯坦 (Albert Einstein) 一样。
   4. 在此之前， 赫歇耳曾在英国逗留过大约九个月， 较好地掌握了英语。
   5. 卡洛琳自己后来也成为了一位天文学家， 她在寻找彗星方面有不俗的成就， 总共发现了八颗彗星。
   6. 值得注意的是， 伽利略在其早期著作《星际使者》(The Starry Messenger) 的开篇曾以第三人称的口吻将望远镜说成是自己的发明 (不过他在正文中提到自己在制作望远镜之前听说过他人制作望远镜的消息)。 由于这段文字的影响， 伽利略曾被一些人视为是望远镜的发明者， 这一说法如今已被否定。 不过平心而论， 伽利略在改进望远镜方面所做的贡献是巨大的， 不仅大大提高了放大率， 而且据说是他首先解决了望远镜成像的上下倒置问题。 另外他在制作自己的望远镜之前只是听说过有关望远镜的消息， 而未见过实物。 因此将伽利略视为望远镜的发明者之一也并不过分。
   7. 反射望远镜的设计在牛顿之前就已存在， 但牛顿最早制作出了具有实用价值的反射望远镜。 牛顿的制作水平之高， 使伦敦的工匠们在几年之后都没有能力加以效仿。

三. 巡天偶得

天文观测在外人看来也许是一项很浪漫的事业， 但实际上虽不乏浪漫， 却也充满了艰辛。 即便拥有高质量的望远镜， 一项天文发现的背后也往往凝聚着天文学家常年累月的心血。 赫歇耳不仅在制作望远镜上走在了同时代人的前面， 在天文观测上也有着常人难以企及的细心和热忱。 他一生仅巡天观测就进行了四次之多， 每一次都对观测到的天体进行了系统而全面的记录。 其中最早的一次是通过一架口径 4.5 英寸的反射望远镜进行的， 涵盖的是所有视星等亮于 4 的天体[注一]。 由于视星等亮于 4 的天体用肉眼都清晰可见， 这样的观测对于他精心制作的望远镜来说无疑只是牛刀小试。 而且， 这类天体既然用肉眼就能看见， 从中做出任何重大发现的可能性显然都是微乎其微的。 用功利的眼光来看， 这样的巡天观测几乎是在浪费时间， 但对赫歇耳来说， 天文观测的乐趣远远超越了任何功利的目的。 从这样一次注定不可能有重大发现的巡天观测开始自己的观测生涯， 极好地体现了赫歇耳在天文观测上扎实、 沉稳、 严谨、 系统的风格。 除了这种极具专业色彩的风格外， 赫歇耳对天文观测的酷爱程度也是非常罕见的。 他对观测的沉醉， 实已达到了废寝忘食的境界。 在他从事观测时， 食物常常是卡洛琳用勺子一小口一小口地喂进他的嘴里， 而睡觉则往往要托坏天气的福。 正是这样的专业风格与忘我热诚的完美结合， 最终成就了天文观测史上的一次伟大发现。

几年下来， 赫歇耳以及他所制造的望远镜在英国学术圈里渐渐有了一些知名度。 “七英尺望远镜” 建成后， 赫歇耳开始用这架举世无双的望远镜进行自己的第二次巡天观测， 这次巡天观测的目的之一是寻找双星 (赫歇耳一生共找到过 800 多对双星， 是研究双星的先驱者之一)， 所涵盖的最暗天体的表观亮度约为 8 等， 相当于上次巡天观测所涉及的最暗天体表观亮度的四十分之一， 或肉眼所能看到的最暗天体表观亮度的六分之一。 显然， 这次巡天观测所涉及的天体数量比上一次大得多， 工作量也大得多。

1781 年 3 月 13 日夜晚 10 点到 11 点之间， 赫歇耳的望远镜指向了位于金牛座 (Taurus) 一 “角” (ζ 星) 与双子座 (Gemini) 一 “脚” (η 星) 之间的一小片天区。 在望远镜的视野里， 一个视星等在 6 左右， 略带圆面的新天体引起了赫歇耳的注意。 那会是一个什么天体呢？ 由于恒星是不会在望远镜里留下圆面的， 因此这一天体不象是恒星。 为了证实这一点， 赫歇耳更换了望远镜的镜片， 将放大倍率由巡天观测所用的 227 倍增加到 460 倍， 尔后又进一步增加到 932 倍， 结果发现这个天体的线度按比例地放大了 (请读者思考一下， 赫歇耳既然有放大率更高的镜片， 在巡天观测时为什么不用？)。 毫无疑问， 这样的天体绝不可能是恒星， 恒星哪怕在更大的放大倍率下也只会是一个亮点， 而不会呈现出圆面。 那么， 它究竟是一个什么天体呢？ 赫歇耳认为答案有可能是星云状物体， 也有可能是彗星。 但就在他试图一探究竟的时候， 巴斯的天公却不作美， 一连几天都不适合天文观测， 赫歇耳苦等了四天才等来了再次观测这一天体的机会， 这时他发现该天体的位置与四天前的纪录相比， 有了细微的移动。 由于星云状物体和恒星一样是不运动的， 因此这一发现排除了该天体为星云状物体的可能性。 于是赫歇耳的选项只剩下了一个， 那就是彗星， 他正式宣布自己发现了一颗新的 “彗星”。



发现新彗星虽然算不上是很重大的天文发现， 但每颗新彗星的发现都能为天文学家们新增一个研究轨道的对象， 而这在当时正是很多人感兴趣的事情。 因此天文学家们一得知赫歇耳发现新 “彗星” 的消息， 便立即对新 “彗星” 展开了观测。 令人奇怪的是， 这颗新 “彗星” 并没有象其它彗星那样拖着长长的尾巴。 用后人的眼光来看， 或许很难理解如此显著的疑点为何没有让赫歇耳意识到自己所发现的其实不是彗星， 而是一颗新的行星。 但在当时， “新行星” 这一概念对很多人来说几乎是一个思维上的盲点。 不过科学家毕竟是科学家， 他们是不会始终沉陷在盲点里漠视证据的。 赫歇耳的发现公布之后， 英国皇家学会的天文学家马斯克林 (Nevil Maskelyne) 在对该 “彗星” 进行了几个夜晚的跟踪观测之后， 率先猜测它有可能是一颗新的行星， 因为它不仅没有彗星的尾巴， 连轨道也迥异于彗星。 当然， 凭借短短几个夜晚的观测， 马斯克林只能对新天体的轨道进行很粗略的推断。 几个月之后， 随着观测数据的积累， 瑞典天文学家莱克塞尔 (Anders Johan Lexell)、 法国科学家萨隆 (Bochart de Saron)， 以及法国天体力学大师拉普拉斯彼此独立地从数学上论证了新天体的轨道接近于圆形， 从而与接近抛物线的彗星轨道截然不同。 与此同时， 赫歇耳本人也借助自己无与伦比的望远镜优势对新天体的大小进行了估计， 结果发现其直径约为 54700 公里， 是地球直径的四倍多[注二]。 显然， 在近圆形轨道上运动的如此巨大的天体只能是行星， 而绝不可能是彗星。 因此到了 1781 年的秋天， 天文学界已普遍认为赫歇耳发现的是太阳系的第七大行星。 这颗行星比水星、 金星、 地球和火星都大得多， 甚至比它们加在一起还要大得多， 它绕太阳公转的轨道半径约为 30 亿公里， 相当于土星轨道半径的两倍， 或地球轨道半径的二十倍。

几千年来， 人类所认识的太阳系的疆界终于第一次得到了扩展[注三]。

赫歇耳的伟大发现立即被英国天文学界引为骄傲， 赫歇耳本人也因此而获得了巨大的荣誉。 1781 年 11 月， 英国皇家学会将自己的最高奖——考普雷奖 (Copley Medal) 授予了赫歇耳， 并接纳他为皇家天文学会的成员。 赫歇耳从此成为了职业天文学家。 为了让赫歇耳有充裕的财力从事研究， 皇家学会免除了他的会费。 不仅如此， 英王乔治三世还特意为他提供了津贴， 并亲自接见了他。 后来乔治三世干脆请赫歇耳迁居到温莎堡 (Windsor Castle) 附近， 以便能时常向皇室成员讲解星空知识。 作为回报， 赫歇耳在皇家学会的提示下写了一封感谢信， 盛赞乔治三世对他的慷慨资助， 并提议将新行星命名为 “乔治星” (Georgian Planet)。 虽然在新天体的命名中发现者通常享有优先权， 但象 “乔治星” 这样一个富有政治意味的名字还是立即遭到了英国以外几乎所有天文学家的一致反对。 赫歇耳本人也私下承认， 这个名字是不可能被普遍接受的。 在新行星的命名竞赛中最终胜出的， 是德国天文学家波德 (Johann Elert Bode)， 他提议的名称是乌拉诺斯 (Uranus)， 这是希腊神话中的天空之神， 也是萨坦 (土星) 的父亲。 这一名称之所以胜出， 是由于它与太阳系其它行星的命名方式具有明显的传承关系： 在其它行星的命名中， 朱比特 (木星) 是玛尔斯 (火星) 的父亲， 萨坦 (土星) 是朱比特 (木星) 的父亲， 有这样一连串 “父子关系” 为后盾， 在土星之外的行星以萨坦 (土星) 的父亲乌拉诺斯来命名无疑是顺理成章的[注四]。 在中文中， 这一行星被称为天王星。

发现天王星的那年赫歇耳已经四十二岁， 一生的旅途已经走过了一半。 在后半生里， 他放弃了音乐生涯， 将全部的精力都投注在了星空里， 孜孜不倦地继续自己的天文事业， 并且作出了卓越的贡献。 除发现天王星外， 他还分别发现了土星及天王星的两颗卫星[注五]。 他在恒星天文学、 双星系统及银河系结构等领域的研究都具有奠基意义。 他所绘制的星图远比以往的任何同类星图都更全面， 同时他还是最早发现红外辐射的科学家。

1822 年 8 月 25 日， 赫歇耳在自己工作了几十年的观星楼里离开了人世。 他的一生只差 3 个月就满 84 岁， 只差 4 个月就是他所发现的天王星绕太阳公转一圈的时间。

四. 命运弄人

听完了发现天王星的故事， 有读者也许会提出这样一个问题， 那就是天王星为什么没有更早被人们发现？ 我们前面提到过， 天王星的视星等在 6 左右， 事实上， 在最亮时它的视星等甚至可以达到 5.5 (请读者想一想， 什么情况下天王星看起来会最亮？)。 这样的亮度连肉眼都有可能勉强看到， 却为何没有更早就被人们发现呢？ 赫歇耳之前的天文学家们虽然没有象 “七英尺望远镜” 那样出色的望远镜， 但他们的望远镜用来观测象天王星这样一个原则上连肉眼都有可能看到的天体却是绰绰有余的。 自伽利略之后的那么多年里， 那么多的天文学家在那么多个晴朗的夜晚仰望苍穹， 却为何会将发现新行星的伟大荣誉留到 1781 年呢？

我们在前面的叙述中已经知道， 赫歇耳发现天王星的过程并不是一个有意寻找新行星的过程， 甚至在发现天王星之后他还一度将之视为彗星。 这一切都表明天王星的发现带有一定的偶然性， 是一个 “无心插柳” 的过程。 与赫歇耳同时代的一些天文学家曾因此而将赫歇耳对天王星的发现视为是好运气之下的偶然发现。 赫歇耳的一生在荣誉上大体是看得比较淡的， 但他对这种将他发现天王星的过程视为偶然的说法还是明确表示了反对。 他写下了这样的文字：

我对天空中的每颗星星都进行了有规律的排查， 不仅包括 [象天王星] 那样亮度的， 还包括许多暗淡得多的， 它 [天王星] 只不过是恰好在那个夜晚被发现。 我一直就在逐渐品读大自然所写的伟大著作， 如今恰好读到了包含第七颗行星的那一页。 假如有什么事情妨碍了那个夜晚， 我必定会在下个夜晚发现它。 我望远镜的高品质使得我一看到它便能感觉出它那可以分辨的行星圆面。

赫歇耳的这段文字不仅为自己发现天王星的必然性做了注解， 而且也很好地说明了为什么在他之前那么多的天文学家都一直没有发现天王星。 要知道， 看到一颗暗淡的新行星虽然困难， 但比这困难得多的则是要判断出它是行星而不是恒星。 天王星被发现之后， 人们对历史上的天文纪录进行了重新排查， 结果发现天王星在赫歇耳之前起码已被记录了二十二次之多， 其中最早的一次可以追溯到 1690 年， 比赫歇耳早了将近一个世纪。 可惜留下这二十二次纪录的天文学家们无一例外地与发现天王星的伟大荣誉擦肩而过。 之所以会如此， 是因为其中没有一位意识到自己观测到的不是恒星， 而是行星。 我们知道， 在气象条件良好的夜晚， 单凭肉眼就可以看到数以千计的星星， 借助小型望远镜的帮助所能看到的天体数量更是多达数十万， 这其中绝大多数都是恒星， 任何人都不可能、 也绝无必要对它们一一进行跟踪观测。 因此除非意识到或怀疑到自己所观测的有可能不是恒星， 天文学家们通常是不会随意对一个天体进行跟踪观测的， 而如果不进行跟踪观测， 就无法发现行星的运动， 从而也就失去了从运动方式上辨别行星的机会。

那么赫歇耳为什么会想到要对天王星进行跟踪观测呢？ 正是因为他意识到了自己所观测的有可能不是恒星。 如我们在上一节中所介绍， 赫歇耳在发现天王星的过程中换用了几种不同的镜片， 放大率从 227 倍增加到 932 倍[注六]， 从而不仅发现了天王星的圆面， 而且还发现其线度随放大率的增加而增加。 因此他在静态条件下就发现了天王星与恒星的区别。 这是历史上所有与天王星擦肩而过的天文学家们从未有过的优势。 以英国的天文学家为例， 当时英国皇家天文台最好的望远镜的放大率也只有 270 倍。 赫歇耳拥有如此巨大的设备优势， 他成为发现天王星的第一人也就绝非偶然了。 而最终使这一伟大发现成为必然的， 是赫歇耳所进行巡天观测。 这样的巡天观测正是赫歇耳所说的 “品读大自然所写的伟大著作”， 在这样周密而系统的 “品读” 中， 一颗象天王星那样的 6 等星的落网是必然的。



不过， 命运有时会跟人开残酷的玩笑。 在赫歇耳之前曾经记录过天王星的所有天文学家中， 最令人惋惜的是一位法国天文学家， 他叫拉莫尼亚 (Pierre Charles Le Monnier)。 自 1750 年之后， 他先后十二次纪录了天王星的位置。 其中从 1768 年 12 月 28 日到 1769 年 1 月 23 日的短短二十几天里， 他不知出于何种考虑， 竟然八次纪录了天王星的位置。 照理说， 这样密集的纪录是足以显示天王星的行星运动的。 但是命运女神却向可怜的拉莫尼亚开了一个最最残酷的玩笑。 我们知道， 由于地球本身在绕太阳运动， 我们在地球上观测到的行星在背景星空中的运动实际上是它们相对于地球的表观运动。 对于象天王星这样轨道位于地球公转轨道之外， 从而轨道运动速度低于地球轨道运动速度的行星来说， 它的表观运动方向有时会与实际的公转方向相反。 这就好比当我们坐在一辆正在行驶的车子里观测其它车辆时， 如果我们自己的车速比较快， 就会看到一些与我们同向行驶的车辆相对于我们在倒退。 在天文学上， 这样的表观运动被称为表观逆行。 表观逆行在行星的表观运动中只占一小部分。 在行星从表观逆行转入正向运动的过程中， 会有一小段时间看上去是几乎不动的。 这就好比一辆倒行的汽车在转为正向行车的过程中， 会有一小段时间看上去速度为零。 拉莫尼亚万万没有想到的是， 他那八次密集纪录竟然恰好是在天王星从表观逆行运动转为正向运动的那一小段时间附近， 那时候的天王星相对于背景星空几乎恰好是看起来不动的[注七]！

如果说赫歇耳成为天王星的发现者有什么偶然性的话， 这也许就是最大的偶然性。

注释

   1. 视星等是描述天体表观亮度的参数， 视星等越低， 天体的表观亮度就越高。 具体地讲， 一等星的表观亮度是六等星的 100 倍 (请读者从中推算一下， 视星等每降低 1 等， 表观亮度会增加多少？)。 正常的肉眼在最佳观测条件下所能看到的最暗天体的视星等约为 6 等。
   2. 赫歇耳得到的这一数值略大于现代观测值， 后者为赤道直径 51118 公里， 两极直径 49946 公里。
   3. 这里我们没有把质量微不足道的彗星计算在内。
   4. 在新行星的命名基本得到公认之后， 一些英国天文学家仍固执地延用着 “乔治星” 这一名称， 直至十九世纪中叶。
   5. 赫歇耳晚年曾认为自己还发现了天王星的另外四颗卫星， 但那些 “发现” 后来要么被证实为是错误的， 要么因存在明显的疑点而未得到公认。
   6. 这还不是赫歇耳当时拥有的最高放大率， 后者高达 2010 倍， 比英国皇家天文台最好的望远镜高出将近一个数量级， 一度让他的同时代人觉得匪夷所思， 有人甚至怀疑那是胡吹。 为了平息怀疑， 赫歇耳应邀将自己的望远镜带到皇家天文台与那里的望远镜进行了比较。 比较的结果是赫歇耳当之无愧地坐上了当时望远镜制作的头把交椅。 在比较的过程中最有戏剧性的是马斯克林 (即那位最早猜测天王星是行星的天文学家) 的反应。 他在刚看到 “七英尺望远镜” 时对它的镜架很感兴趣， 打算为自己的望远镜也配备一个， 但在比较了两架望远镜的性能后， 却沮丧地承认自己的望远镜也许根本就不配拥有一个好的镜架。
   7. 拉莫尼亚的性格比较暴躁， 人缘也不好， 被普遍视为是一位不细心的观测者， 这一点曾被认为是他未能发现天王星的原因。 不过有关他 “不细心” 的某些具体传闻， 比如说他将有关天王星的数据随手写在一个纸袋上， 实际上是讹传。

五. 虚席以待

一颗自十七世纪末以来就被反复观测过的六等星竟会是太阳系的第七大行星， 赫歇耳的这一发现不仅一举击碎了太阳系行星数目亘古不变的神话， 而且激起了人们对寻找太阳系疆界的极大兴趣。 “新行星” 这一概念几乎在一夜间就从被人遗忘的垃圾股变成了万众瞩目的积优股， 引发了天文学家们极大的热情。 在太阳系中， 象天王星这样 “大隐隐于市” 的行星究竟还有多少？ 人们恨不能立刻就揭开谜底。

可星海茫茫， 到哪里去寻找新行星呢？ 难道要再象赫歇耳一样来一次巡天偶得？ 幸运的是， 太阳系行星的分布就象地球上居民的分布， 有一定的规律可循。 其中最显著的规律就是行星轨道大都分布在黄道面 (即地球的公转轨道平面) 附近。 这表明， 寻找新行星不必漫天撒网， 而只需在黄道面附近寻找 - 这就好比在地球上寻找一位居民时， 无需掘地三尺， 也不必潜入深海。 更幸运的是， 行星的分布似乎还有着进一步的规律， 这规律帮了天文学家们的大忙。



这个规律的发现可以回溯到天王星发现之前的 1766 年。 那一年， 德国天文学家提丢斯 (Johann Daniel Titius) 注意到： 如果以地球公转轨道的半径为单位 (这被称为天文单位)， 那么各大行星的轨道半径近似地满足一个非常简单的数学关系式： rn = 0.4 + 0.3 × 2n， 其中

    * 水星对应于 n = -∞， rn = 0.4 (观测值为 0.4)；
    * 金星对应于 n = 0， rn = 0.7 (观测值为 0.7)；
    * 地球对应于 n = 1， rn = 1.0 (观测值为 1.0)；
    * 火星对应于 n = 2， rn = 1.6 (观测值为 1.5)；
    * 木星对应于 n = 4， rn = 5.2 (观测值为 5.2)；
    * 土星对应于 n = 5， rn = 10.0 (观测值为 9.5)。

这个经验法则除了对火星和土星有 5∼7% 的偏差外， 对其它几个行星都很准确[注一]。 提丢斯将这一结果加注在了自己 1766 年翻译的瑞士博物学家波涅特 (Charles Bonnet) 的著作《自然的沉思》中， 但在加注时未曾标明自己的名字[注二]。

提丢斯匿名加注的这些结果起初并未引起什么注意。 但六年后的 1872 年， 德国天文学家波德 - 即我们在 第三节 中提到的那位后来在天王星的命名竞赛中胜出的波德 - 在为自己的热门著作《星空知识指南》准备新版时， 注意到了提丢斯加注在《自然的沉思》中的经验法则。 他立刻被这一法则所吸引， 将之添加到了自己的著作中。 但很不应该的是， 波德在添加这些内容时完全没有提及波涅特或提丢斯的名字。 不提提丢斯倒也罢了， 因为提丢斯在加注那些内容时是匿名的， 可是连波涅特的名字也不提， 波德在这件事情上是有显著的剽窃之嫌的。



波德的《星空知识指南》在当时所受的热烈欢迎， 加上波德本人此后几年的积极宣传， 在客观上大力传播了提丢斯的经验法则。 而波德这位不太光彩的 “热心人” 则成了这一传播的最大受益者， 这个经验法则很快就被张冠李戴成了 “波德定则”。 九年之后， 天王星的发现给了波德定则一个极大的支持， 天王星的轨道半径与波德定则有着极好的吻合， 误差只有 2% (请读者自行查验)， 这一点使得许多原本认为波德定则纯系巧合的天文学家深受震动， 也使波德定则成为后来几十年间天文学家们寻找新行星的重要向导。 随着波德定则重要性的提升， 历史的真相也开始得到了显现。 1784 年， 在 “借用” 提丢斯的结果整整十二年之后， 波德终于承认了提丢斯的贡献。 但那时生米早已煮成熟饭， 波德的名字与提丢斯的定则已变得难舍难分， 后世的天文学家们往往折衷地将这一定则称为提丢斯-波德定则。

现在让我们回到寻找新行星的宏伟大业上来。 细心的读者或许已经从前面列举的行星轨道数据中看出了一个问题， 那就是火星和木星这两个相邻行星的轨道在提丢斯-波德定则中分别对应于 n=2 和 n=4， 中间在距太阳 2.8 天文单位的地方缺了一个 n=3。 大自然怎么会在火星和木星之间留下如此显著的一个空缺呢？ 这个问题提丢斯在提出他的定则时就注意到了。 这个奇怪的空缺似乎是在虚席以待一颗尚未露面的新行星， 但当时天王星尚未被发现， 太阳系六大行星的观念还根深蒂固， 提丢斯未敢在太岁头上动土， 于是他猜测那里可能存在一颗火星或木星的卫星[注三]。 这个猜测很大胆， 但也很荒唐， 且不说如此远离行星的 “卫星” 能否稳定地存在， 即便真有那样的卫星， 又如何能用来填补属于行星轨道的空缺呢？ 这不成了 “指鹿为马” 吗？ 更何况卫星的轨道是以行星为中心的， 它与太阳的平均距离与相应的行星与太阳的平均距离相差无几， 从数值上讲也根本不可能对应于 n=3 的空缺。 波德对这个空缺也很着迷， 不过他在这点上比提丢斯略胜一筹， 在 “借用” 提丢斯的结果时， 他果断地将提丢斯那破绽百出的卫星猜测改成了行星猜测。

显然， 如果提丢斯-波德定则可以信赖， 那么寻找新行星的首选战场就应该是火星与木星之间距太阳 2.8 天文单位的这一神秘空缺。 相对于遥远的外行星， 这一空缺距离地球可算是近在咫尺， 观测起来相对也该容易许多。 于是天王学家们纷纷将目光汇聚到了那里。

在那里， 他们将会发现什么呢？

六. 失而复得

星空的浩淼对于没有真正体验过它的人来说是不容易想象的。 即便知道了距离， 以及大致的轨道平面， 即便离地球如此之近， 寻找一颗新行星依然不是一件容易的事情， 因为行星出现在轨道的哪一段上仍然是未知的。 这就好比警察抓捕逃犯， 即便知道逃犯一定就在某座城市里， 要想抓住依然不是一件容易的事情， 因为逃犯躲在城市的哪个角落仍然是未知的。

当时有意在夜空中抓捕 “逃犯” 的 “警察” 还真不少， 其中有位叫做扎克 (Franz Xaver von Zach) 的匈牙利人尤为热心， 他曾经拜访过赫歇耳， 并从此对寻找新行星产生了浓厚兴趣。 自 1787 以来， 扎克花了整整十三年的时间试图寻找位于火星与木星之间的新行星， 却一无所获。 眼看着 “逃犯” 将要安然度过十八世纪， 扎克意识到单枪匹马抓捕逃犯的效率实在太低， 便决定改变策略。 他找了几位运气跟他差不多坏的伙伴商议了一下， 决定将新行星的轨道区域分为 24 块， 分别交由 24 位 “天空警察” 进行分片搜索。 布下这样的天罗地网， 无论狡猾的 “逃犯” 躲在哪个角落都将会难以遁形。 老实说， 这个分片包干的金点子并非扎克的首创， 而是以前就有人提议过， 只不过从未付诸实施。



出人意料的是， 正当扎克广发英雄帖给欧洲各地的天文学家， 抓捕计划已如箭在弦的时侯， 从意大利的西西里岛 (Sicily) 忽然传来了 “逃犯” 落网的消息！ 勇擒 “逃犯” 的是一位单枪匹马的明星警察， 名叫皮亚奇 (Giuseppe Piazzi)， 他当时从事的工作并不是 “抓逃犯”， 而是 “查户口” —— 为六千七百多颗星星确定坐标。 这是一项枯燥而繁重的工作， 为了完成这项工作， 皮亚奇一片一片有规律地巡视着星空， 在这点上他很象当年的赫歇耳。 他这苦力活一干就是十一年。 1801 年 1 月 1 日， 新世纪来临后的第一天， 皮亚奇的望远镜指向了金牛座。 这个星座真是天文学家们的幸运星座， 二十年前赫歇耳就是在这附近发现了天王星， 而此刻 “户籍警” 皮亚奇也在这里迎来了自己一生的一个重要时刻。 他对这一小片天区中的 50 颗星星的坐标进行了纪录， 第二天， 当他对这些星星进行复核时， 发现其中有一颗暗淡星体的位置发生了移动！ 为了确定这种移动不是观测误差， 皮亚奇立即对这一天体进行了跟踪观测， 结果证实了这种移动的确是天体本身的移动。

1 月 24 日， 皮亚奇写信向同事波德、 拉兰德 (Joseph Lalande)， 及挚友奥里安尼 (Barnaba Oriani) 宣布了自己的发现。 为了谨慎起见， 他在给波德和拉兰德的信中将自己发现的天体称为彗星。 毫无疑问， 这是一个与赫歇耳将天王星称为彗星同样的错误， 不过在经历了天王星的发现后， 皮亚奇比赫歇耳要稍稍大胆一点， 他在给挚友奥里安尼的信中指出这个天体有可能是一个 “比彗星更好” 的东西， 因为它的运动缓慢而均匀， 并且不象彗星那样朦胧。 为了最终确定这个天体的性质， 皮亚奇决定进行更多的观测， 并计算它的轨道。 可惜他的观测只进行到 2 月 11 日就因病中止了。 而这时波德、 拉兰德及奥里安尼尚未收到他的信件。 等那三位收到姗姗来迟的信件， 想要确认皮亚奇的观测结果时， 新天体已经运动到了太阳附近， 消失在了光天化日之中。

虽然失去了当场验证的机会， 但波德 (他直到 3 月 20 日才收到皮亚奇的信) 坚信那就是自己期待已久的新行星。 当然， 相信归相信， 最终的判断只能留给观测。 好在新天体是不可能一辈子躲在太阳背后的， 至多几个月， 它必将重返夜空。 可问题是： 那时候到哪里去找回这颗暗淡的新天体呢？ 事实证明， 这个问题并非杞人忧天， 这颗 “越狱逃亡” 的新天体并没有因为留下过案底就变得容易寻找。 日子一天天流淌着， 无论天文学家们如何努力， 皮亚奇的新天体却再也没有露面。

有读者可能会问： 皮亚奇不是对新天体进行了跟踪观测吗？ 从他的观测数据中把新天体的轨道计算出来不就行了？ 这个想法是一点都不错的， 可实际做起来却绝非易事。 在新天体失踪的那些日子里， 扎克 (他也深信皮亚奇的新天体就是自己想要寻找的新行星) 的学生伯克哈特 (Johann Karl Burckhardt) 就曾对新天体的轨道进行了计算。 按照他的计算， 天文学家们采取了突击搜查， 可惜却扑了个空。 皮亚奇自己也进行过计算， 结果也劳而无功。 计算新天体的轨道之所以困难， 是因为皮亚奇的观测只持续了一个多月， 所涵盖的只是新天体公转周期的 2% 左右， 而且其中还很不凑巧地包含了表观逆行部分， 使结果变得更为复杂。 要从这样的观测片断中推算出整个轨道来， 无疑是很困难的。 更何况观测总是有误差的， 从这么少的观测数据来推断轨道极易造成误差的放大。 最后， 我们也不能忘记当时还没有计算机， 所有的计算都要依靠纸和笔来完成， 这样的计算动辄就要花费很长的时间， 有时甚至还不如拿起望远镜直接碰运气来得快捷。 因此， 推断新天体的轨道， 从而预测新天体的位置虽然不是不可能， 但却需要福尔摩斯般的技巧， 只有第一流的数学高手才能将这种可能性变为现实。

幸运的是， 当时就有一位这样的数学高手前来助人为乐。 此人还不是一般的高手， 他就是人类有史以来最伟大的数学天才之一， 被后人尊称为 “数学王子” 的德国数学家高斯 (Carl Friedrich Gauss)。


当天文学家们为寻找皮亚奇的新天体而忙碌时， 这位当时才二十四岁的数学天才决定助他们一臂之力。 在这个节骨眼上， 由高斯这样的数学巨匠 (虽然当时的高斯还不象后来那么有名) 来帮天文学家们计算一个小小的天体轨道， 简直就象是摇滚巨星跑来替一家小酒馆义演。 高斯仅用两个月的时间， 就不仅计算出了新天体的轨道， 而且提出了比旧方法高明得多的一整套计算轨道的新方法[注四]。 高斯把他的计算结果寄给了扎克， 后者欣喜若狂， 立即公诸于世。 借助高斯的计算结果， 扎克于 1801 年 12 月 7 日重新找到了皮亚奇的新天体。 经过持续观测， 他终于在 1802 年的新年钟声即将敲响的那个夜晚确认了新天体的二度落网， 它的位置与高斯的预测只差半度。 几个小时之后， 德国业余天文学家奥伯斯 (Heinrich Wilhelm Olbers) 也独立地确认了同样的发现。 这颗在 1801 年的第一个夜晚被 “抓获”， 又在同一年的最后一个夜晚被重新 “捉拿归案” 的新天体被称为色列斯 (Ceres)。 这是皮亚奇所取的名字， 它是罗马神话中的谷物女神， 同时也是皮亚奇所在的西西里岛的保护神。 在中文中这一天体被称为谷神星[注五]。

高斯的计算相当精确地给出了谷神星的轨道， 它的半径被确定为 2.77 天文单位， 与提丢斯-波德定则吻合得很好 (误差只有 1%)。 看来人们终于找到了位于火星与木星之间的新行星。 事实上， 早在谷神星被找回之前， 对提丢斯-波德定则深信不疑的波德就已急不可耐地将之称为行星了。 不过在欣喜之余， 天文学家们也感到了一丝困惑： 谷神星被皮亚奇发现时的视星等只有 8， 不仅无法与金、 木、 水、 火、 土五大行星相比， 甚至比遥远的天王星还暗淡得多， 一颗距地球如此之近的行星， 为什么会如此暗淡呢？

注释

   1. 当然， 这里采用是现代的表述方式， 提丢斯本人的表述是这样的： “将太阳到土星的距离分成 100 份， 那么水星与太阳被 4 个这样的部分所分隔； 金星被 4+3=7 个这样的部分所分隔； 地球被 4+6=10； 火星被 4+12=16； ... ... 所分隔”。
   2. 直到 1772 年再版后， 提丢斯才用一个字母 “T” (他的姓氏首字母) 标明自己所注的内容。 而到了 1783 年， 不知是否是出于对波德 “借用” 其成果的不满， 他又过分慷慨地将自己发现的这一经验规律归功给了德国哲学家沃夫 (Christian von Wolff)， 其实沃夫只是曾经列出过行星轨道半径的相对大小， 并未提出或暗示过任何经验规律。
   3. 提丢斯虽然未敢在太岁头上动土， 不过比提丢斯更大胆的人也是有的。 事实上， 早在十六世纪末， 开普勒就曾猜测过火星与木星之间存在着行星 (他还猜测水星与金星之间也存在行星)。 在提丢斯之前大约五年， 德国哲学家兰伯特 (Johann Heinrich Lambert) 也曾猜测过火星与木星之间的行星。
   4. 高斯在计算中采用了他自己 1794-1795 年间发展起来的， 后来被称为 “最小平方法” 的方法。 不过他直到 1809 才发表这一方法， 从发表时间上讲晚于法国数学家勒让德 (勒让德于 1806 发表了最小平方法)。
   5. 确切地讲， Ceres 只是皮亚奇为谷神星所取名字的前半部分， 他提议的全名是 Ceres Ferdinandea， 其中 Ferdinandea 是当时那不勒斯和西西里的统治者。 与赫歇耳当年提议的 “乔治星” 一样， Ferdinandea 这个带有政治意味的名称也立刻就被天文学家们丢弃了。

七. 名份之争

正当人们为谷神星感到困惑的时候， 更大的麻烦出现了： 1802 年 3 月 28 日 - 距离谷神星被重新发现仅仅过了三个多月 - 与扎克几乎同时找回谷神星的奥伯斯在试图观测谷神星的时候， 意外地发现了另外一颗移动的星星。 这个天体后来被他称为派勒斯 (Pallas)， 这是希腊神话中的智慧女神 - 也叫雅典娜 (Athena)。 在中文中， 这一天体被称为智神星。

智神星被发现之后， 高斯立刻用自己的新方法计算了它的轨道， 结果发现它的轨道虽然不太圆， 但平均半径与谷神星几乎完全一样， 也是 2.77 天文单位。 这下麻烦大了， 一个轨道区域居然挤进了两颗行星， 这真是前所未闻的怪事， 简直比缺了一颗行星还让人觉得不可思议。 如果说发现谷神星带给大家的是喜悦， 那么智神星的出现就多少有点令人尴尬了。 谷神星的卧榻之侧居然有智神星酣然沉睡， 这可能吗？ 这可以吗？ 急性子的波德率先对智神星投下了不信任票， 他猜测奥伯斯发现的只是一颗彗星 (彗星真可怜， 总是被人拿来当替代品)。 要说波德的这一怀疑还真是有点厚此薄彼， 想当初谷神星尚在越狱潜逃期间， 他就热情万丈地以行星头衔相赠， 而现在智神星只不过晚来了几个月， 就怀疑人家是彗星世界的奸细。



这时候行星观测的元老级人物赫歇耳出来放话了， 他说依我看这两个天体谁也没资格当行星， 因为它们都太小了， 只能称为小行星 (asteroid)[注一]。 在人们大都期盼新行星的时候， 赫歇耳说出这样的话来多少有些扫大家的兴， 但以他的身份， 说话自然不会是信口开河。 那么他的依据何在呢？ 原来他老人家已经悄悄为这两个暗淡的小家伙度量了 “身材”， 结果发现它们的直径只有两百多公里。 这样的直径还不到月球的十分之一， 又岂能有资格坐在行星的宝座上？ 今天我们知道， 谷神星的直径实际有将近一千公里， 智神星也有五百多公里， 远远大于赫歇耳的估计 (但仍比月球小得多)。 不过这倒也不能怪赫歇耳， 这两个天体实在太小， 小到了就连他的望远镜也无法通过观测其圆面来判断大小， 而只能通过间接手段进行估计， 从而误差很大。 不过一开始人们所不知道的是， 谷神星的小其实让赫歇耳吃了一个不大不小的哑吧亏： 在谷神星 “潜逃” 的那些日子里， 嗜观测如命的赫歇耳也当仁不让地加入到了追捕者的行列， 却也象其他人一样铩羽而归。 他之所以失败， 部分原因就是因为他以为凭借自己天下无双的望远镜， 应该能像发现天王星那样直接从圆面上发现谷神星， 结果却阴沟里翻了船。 谷神星即便在他的望远镜里， 也依然保持了苗条的身材， 丝毫不显山露水。 究其原因， 都是太小惹的祸。

现在该是它为自己的 “小” 付出代价的时候了。

但赫歇耳的这一提议却遭到了很多人的反对。 客气的将之视为文字游戏， 不客气的则干脆认为赫歇耳之所以这样提议， 目的乃是要让自己发现天王星的贡献盖过皮亚奇和奥伯斯发现谷神星和智神星的贡献 (看来荣誉有时还真是一种包袱)。 也许归根到底， 是人们期待新行星已经期待得太辛苦， 实在不想失去已经被发现的新 “行星”。 不过皮亚奇和奥伯斯这两位发现者本人反倒是没有介意， 他们同意了赫歇耳的观点 (皮亚奇提议用 planetoid 取代 asteroid， 但在谷神星和智神星不具有行星资格这点上他并无异议)。

这场早期的行星名份之争并未持续太久。 两年之后， 1804 年 9 月 1 日， 德国天文学家哈丁 (Karl Harding) 在火星与木星之间又发现了一颗新天体， 这颗新天体很快被命名为婚神星 (Juno)， 它的轨道也基本满足提丢斯-波德定则的预期。 这下算是热闹了， 在火星和木星之间抢夺行星宝座的天体由两个变成了三个。 不过热闹是热闹了， 同时却也成为了最终葬送所有候选者荣登行星宝座机会的导火索。 正所谓 “三个和尚没水喝”， 没有新行星虽然令人失望， 可新行星太多了却更让人受不了， 于是大家逐渐同意了赫歇耳的提议， 将这几个小家伙通通贬为了 “小行星”[注二]。 后来的观测表明， 在火星和木星之间存在着成千上万的小行星， 它们环绕太阳组成了一个美丽的小行星带。

不过当时谁也不会想到， 某些小行星的名份会在时隔两个世纪之后又起了微妙的变化， 这是后话。

八. 轨道拉锯

小行星带的发现对提丢斯-波德定则无疑又是一个很大的支持， 同时也填补了行星轨道分布中唯一的空缺。 如果太阳系还存在其它行星， 那么寻找的范围应该是在天王星的轨道之外， 对应于 n=7 的地方。 这一轨道的半径为 38.8 天文单位。 不过， 无论天文学家们对提丢斯-波德定则的信心如何爆棚， 一个再明显不过的事实是： 即便提丢斯-波德定则真的是一个普遍规律 (事实上它并不是)， 它也绝不可能告诉我们太阳系到底会有几颗行星。 提丢斯-波德定则中的 n 可以无限地增加， 太阳系却不可能是漫无边际的。 小行星带由于出现在火星和木星之间的空缺上， 因此很多人有理由相信在那里能有所发现。 但天王星之外是否存在新的行星， 则完全是一个未知数， 这使得天文学家们寻找新行星的兴趣在经历了天王星和小行星带的发现之后有所降温。

可惜树欲静而风不止， 老天爷看来并不想让天文学家们的日子过得太平静。

天王星被发现之后， 摆在天文学家们面前的一个显而易见的任务就是计算它的轨道。 这在当时是很受青睐的工作， 这项工作几乎立刻就展开了。 如我们在 第三节 中所说， 在短短几个月内， 萨隆、 莱克塞尔， 和拉普拉斯就各自计算出了天王星的近似圆轨道， 这对于确定天王星的行星地位起了重要作用。 两年后， 拉普拉斯和他的法国同事梅钦 (Pierre Méchain) 又率先计算出了天王星的椭圆轨道。

计算出了轨道， 人们就可以预言天王星在每个夜晚的位置。 一颗遥远行星在天空中的舞步居然可以用科学家手中的纸和笔来导演， 这是牛顿力学最令人心醉的地方， 也一直是天文学家们在艰苦计算之余最大的欣慰和享受 - 那种惬意的感觉， 宛如是在劳作之后品尝一坛醇香四溢的美酒。 不幸的是， 这美酒在天王星这里却变了味。 当天文学家们放下手中的纸和笔， 将望远镜指向理论预言过的位置， 打算像往常一样欣赏一次理论与观测的完美契合时， 这位太阳系的新成员却出人意料地缺席了。

天王星的缺席让天文学家们感到了一丝意外。 但他们没有想到的是， 这小小的意外竟是他们与天王星之间一场长达数十年的拉锯战的开始。


天文学家们起先并未对天王星的缺席太过担忧， 因为天王星的轨道周期长达 84 年， 而当时积累的观测数据只有区区两年， 还不到轨道周期的 3%， 凭借这么少的数据是很难进行精确计算的。 那么怎样才能改善计算的精度呢？ 显然需要更多的数据。 可积累数据需要时间， 这却是半点也着急不得的。 怎么办呢？ 波德想出了一个好主意， 那就是翻旧账， 看看天王星是否在赫歇耳之前就曾经被天文学家们记录过。 如果记录过， 那么将那些历史记录与自赫歇耳以来的现代数据合并在一起， 就可以既提高计算的精度， 又避免漫长的等待。 这个一举两得的好主意没有让波德失望， 如我们在 第四节 中所说， 天王星的确在赫歇耳之前就曾被反复记录过， 其中最早的记录是英国天文学家弗拉姆斯蒂德 (John Flamsteed) 留下的， 时间是 1690 年， 比赫歇耳早了 91 年。

在历史记录与现代数据的共同帮助下， 奥地利天文学家菲克斯米尔纳 (Alexander Fixlmillner) 率先对天王星轨道作了重新计算， 他的计算包含了 1690 年弗拉姆斯蒂德的记录、 1756 年梅耶 (Tobias Mayer， 德国天文学家) 的记录， 以及 1781 年至 1783 年间赫歇耳和他自己的观测数据。 他计算与观测数据之间的误差只有几角秒[注三]， 这在当时是很不错的结果。 1786 年， 菲克斯米尔纳发表了他的结果。 在天文学家们与天王星的轨道拉锯战中， 菲克斯米尔纳为天文学家们拔得了头筹。

可惜好景不长， 菲克斯米尔纳的计算发表后才过了两年， 天王星就扳回了一城 - 它偏离了菲克斯米尔纳的轨道。 心有不甘的菲克斯米尔纳尽了最大的努力试图挽救自己的计算， 却沮丧地发现历史记录与最新的观测数据仿佛变成了一付跷跷板的两个端点， 一端压下去， 另一端就会跷起来。 看来鱼和熊掌已无法兼得， 菲克斯米尔纳决定舍鱼而取熊掌， 他做了一个在他看来最合理的选择， 那就是抛弃年代最为久远的弗拉姆斯蒂德的观测记录。 做出了这种 “壮士断腕” 的行动后， 菲克斯米尔纳再次计算了天王星的轨道， 总算重新将误差控制在了十角秒以内。

但人们对菲克斯米尔纳的选择并不满意， 因为被他抛弃的弗拉姆斯蒂德的记录虽然年代久远， 观测手段相对简陋， 但信誉却丝毫不容低估。 弗拉姆斯蒂德是格林威治天文台的奠基者， 也是英国第一位皇家天文学家， 不仅拥有显赫的头衔， 而且素以观测细心著称。 他当年曾为牛顿的巨著《自然哲学的数学原理》提供过大量的观测数据[注四]， 他所绘制的星图不仅在当时无与伦比， 甚至在一个世纪之后仍被奉为经典。 在赫歇耳进行天文观测时， 放在他桌上作为参考的正是弗拉姆斯蒂德的星图。 因此抛弃弗拉姆斯蒂德的记录于情于理都很不妥当， 菲克斯米尔纳的新计算能否算是胜利， 实在很难论断。


可要是不抛弃弗拉姆斯蒂德的记录， 跷跷板却又摆不平， 这该如何是好呢？ 简单的逻辑告诉我们， 在观测与理论出现矛盾时， 如果观测没有问题， 那问题就应该出在理论上。 当时的理论确实有一个致命的弱点， 那就是只考虑了太阳的引力， 而没有考虑其它行星的影响， 这其中尤以木星和土星的影响最不容忽视。 1791 年， 法国天文学家达兰伯利 (Jean Baptiste Joseph Delambre) 率先考虑了这两颗巨行星对天王星轨道的影响。 他的计算很好地拟合了当时已知的所有观测数据， 其中包括被菲克斯米尔纳抛弃过的弗拉姆斯蒂德的数据， 以及不久前才被发现的拉莫尼亚的早期观测数据。

在木星和土星这两位老大哥的坐镇之下， 天王星的气焰终于被打压了下去， 天文学家们重新夺回了阵地， 太阳系也重新恢复了往日的循规蹈矩[注五]。 这一 “和谐太阳系” 维持了较长的时间， 直到 1798 年英国天文学家霍恩斯比 (Thomas Hornsby) 视察战场时， 胜利的果实还在枝头挂着。 可就在人们以为战争已然落幕， 刀枪可以入库的时候， 天王星这个注定不肯让天文学家们平静过完十八世纪的家伙， 却将枪口重新探出了大幕！

自 1800 年 (十八世纪的最后一年) 起， 天王星的轨道开始系统性地偏离达兰伯利的计算。

沉默了八年的天王星不鸣则已， 一鸣惊人， 而天文学家们的手中却已无牌可打， 只得仓惶退避。


这一退堪称惨败， 整整二十年没缓过劲来。 直到 1820 年， 才有一位叫做波瓦德 (Alexis Bouvard) 的法国天文学家站出来绝地反击。 这二十年里天文学家们倒也没闲着， 现代数据增加了二十年自不用说， 手头的历史记录也增添了两项： 一项是新发现的弗拉姆斯蒂德在 1712-1715 年间的观测记录， 这项记录很好地填补了弗拉姆斯蒂德 1690 年的记录与拉莫尼亚 1750 年的记录之间原本长达 60 年的数据空白； 另一项则是英国天文学家布莱德利 (James Bradley) 1753 年的观测记录。 这时天文学家手中的数据早已不再匮乏， 不仅不匮乏， 反而多到了能噎死人的程度。 波瓦德稍加检视， 就发现自己面临的局面与 30 年前菲克斯米尔纳曾经面临过的有着惊人的相似： 那就是历史记录与现代数据无论如何也不能匹配。 30 年前的局面还有木星和土星来解围， 30 年后的今天还能依靠什么呢？ 无奈之下， 波瓦德只得效仿菲克斯米尔纳的 “壮士断腕”， 可如今的局面比 30 年前还要糟糕， 连断腕都不够， 得断臂 - 将赫歇耳之前的所有历史记录一笔勾销 - 才行。 就这样， 波瓦德靠着 “壮士断臂” 的悲壮， 于 1821 年计算出了一个新轨道， 这个轨道与自赫歇耳以来的新数据勉强吻合。

可这样的反击能算是成功吗？ 恐怕连惨胜都算不上吧？ 人们还从未在一颗行星的轨道计算上栽过如此多、 如此大的跟斗。 而且这次付出的代价也实在太大了一点， 居然把凝聚了那么多天文学家心血的所有历史记录都丢弃了。 更何况即便如此， 波瓦德的轨道与某些现代数据的偏差也仍然高达 10 角秒左右， 这虽不致命， 却也令人疑惑。 不过对于自赫歇耳以来的新数据而言， 这一轨道毕竟是当时最好的， 并且事实上也是唯一一个尚堪使用的轨道， 聊胜于无， 因此一些天文学家还是勉强接受了它。

可光有天文学家的接受是没有用的， 关键还得看天王星这位 “敌人” 是否赏脸。

那么 “敌人” 的回答是什么呢？



注释

   1. 赫歇耳提出的名称是 “star-like”， 意思是 “象星星一样”， 形容其小。 “asteroid” 是这一名称在希腊文中的对应。
   2. 这一名份之争的完全落幕其实经历了一个较长的时间。 直到 1852 年， 还有天文学教材将当时已发现的小行星与行星合在一起 (共计 23 颗)， 统称为行星。 不过这一趋势在那之后便嘎然而止。
   3. 角秒 (也叫做弧秒) 是非常小的角度， 等于一度的三千六百分之一， 或者圆周 (三百六十度) 的一百二十九万六千分之一。
   4. 弗拉姆斯蒂德后来与牛顿闹翻了， 此后牛顿利用其至高无上的地位， 以种种不甚光彩的手段对弗拉姆斯蒂德进行了打击。
   5. 在这几年中， 天文学家们在人间的日子却过得很不平静， 在法国大革命最血腥狂热的 1794 年， 最早计算出天王星圆轨道的萨隆死于断头台。

九. 众说纷纭

在这个节骨眼上 “敌人” 倒是很沉得住气， 没有立刻表态。 但仗打到这个份上， “敌人” 的不置可否反倒让天文学家们无所适从， 几乎陷入了 “窝里斗”。 事实上， 很多天文学家对波瓦德付出的 “断臂” 代价耿耿于怀， 因为按照波瓦德的轨道， 那些被丢弃的历史记录与计算之间的偏差高达几十角秒[注一]。 这么大的偏差居然同时出现在这么多彼此独立的观测结果中， 难不成留下历史记录的那些天文学家全都在观测天王星的时候喝了酒？ 这实在是令人难以置信的事情。 就连波瓦德本人也不得不承认， 造成历史记录与现代数据无法匹配的真正原因有待于后人去发现。

但耿耿于怀也好， 难以置信也罢， “敌人” 既然没有反对， 天文学家们也不便自己拆自己的台， 于是有人开始为波瓦德抛弃历史记录的做法寻找可能的解释。 其中有一种解释认为天王星曾经被某颗彗星 “撞了一下腰”， 从而偏离了正常的轨道[注二]。 如果是这样， 那么历史记录与现代数据无法匹配就不再是问题了， 因为它们描述的分别是碰撞前和碰撞后的轨道， 本来就应该彼此不同。 由于历史记录一直覆盖到 1771 年 (那是拉莫尼亚的最后一次记录)， 而现代数据则开始于 1781 年 (那是赫歇耳的第一次观测)， 因此人们猜测该撞击发生在 1771-1781 年间。

但是像彗星撞击这样为了特定目的而提出的建立在偶然事件基础上的假设， 是科学家们素来不喜欢的。 因为人们若是时常用这类假设来解释问题的话， 科学就会变成一堆零散假设的杂乱集合， 而丧失其系统性。 更何况彗星撞击天王星不仅概率实在太小， 而且由于彗星的质量与天王星相比简直就是九牛一毛 (事实上比九牛一毛还远远不如)， 即便真的撞上天王星， 也万万不可能对后者的轨道产生任何可以察觉的变化。 反过来说， 倘若真有一个天体可以通过撞击天王星而显著改变其轨道， 那么该天体的质量必定极其可观， 那样的撞击若果真发生在 1771-1781 年间， 绝对会是一个令人瞩目的天象奇观， 又怎可能不留下任何直接的观测记录呢？ 因此， 彗星撞击说从各方面讲都是一个很糟糕的假设。 连这样糟糕的假设都被提了出来， 天文学家们在天王星问题上的处境之绝望可见一斑。

更糟糕的是， 即便在那样的处境下， 天王星还是毫不手软地往天文学家们的伤口上撒了一把盐。 自 1825 年起， 天王星故伎重演， 开始越来越明显地偏离波瓦德的轨道。 几年之后， 两者的偏差已经达到了令人绝对无法忍受的 30 角秒。

“敌人” 那姗姗来迟的回答终于被等到了， 可惜却是一个那么残酷的回答。

这时候天文学家们实已一败涂地， 而且还败得极其难看， 因为天王星早不出手晚不出手， 偏偏是在天文学家们 “臂” 也断了， “血” 也流了， 还煞费苦心地为自己的断臂找了借口之后才出手。 那情形， 怎一个 “惨” 字得了？ 当然， 到了这时候， 人们也已经习惯了， 失败早已不是新闻， 天王星若是乖乖听话了反倒会成为新闻。

屡战屡败之下， 天文学家们开始改换思路。

仔细想想， 彗星撞击说虽然很失败， 却也并非一无是处， 起码在思路上， 它尝试了用外力的介入来解释天王星的出轨之谜。 沿着这样的思路， 天文学家们又提出了另外一些假设， 比如认为天王星的出轨是由某种星际介质的阻尼作用造成的。 这种假设以前曾被用来解释某些彗星的轨道变化， 但用它来解释天王星的出轨却面临一个致命的困难， 那就是介质的阻尼作用只能阻碍天王星的运动， 而绝不可能起到相反的作用。 说白了， 就是只能让天王星运动得更慢， 而绝不可能相反。 但不幸的是， 天王星的运动却有时比理论计算的慢， 有时却比理论计算的快， 这样的偏差显然是不可能用介质的阻尼作用来解释的。

还有一种假设则认为天王星出轨是由一颗未知卫星的引力干扰造成的。 这种假设也有一个致命的弱点， 那就是如果真的存在那样的卫星， 它的质量应该远比当时已知的两颗天王星卫星大得多， 那么大的卫星为何一直未被发现呢？ 这是很难说得通的。 更何况卫星绕行星运动的周期相对于行星的公转周期来说一般都很短 (比如月球绕地球运动的周期只有地球公转周期的十二分之一， 对外行星来说这一比例通常更小)， 由此造成的行星轨道变化应该是短周期的， 可是天王星出轨的方式却呈现长期的变化， 这是卫星假设无法解释的， 因此卫星假设也很快就脸朝下地躺倒了。

除这些假设外， 有些天文学家还提出了另外一种可能性， 那就是万有引力定律也许并不是严格的平方反比律， 甚至有可能与物质的组成有关。 这种可能性虽然很难被排除， 但万有引力定律是一个 “牵一发动全身” 的东西， 一旦被修正， 所有天体的运动都将受到影响， 其中也包括那些一直以来被解释得非常漂亮的其它行星及卫星的运动。 要想对万有引力定律动手脚， 让它解释天王星的出轨， 同时却又不破坏其它行星的运动， 无疑是极其困难的 - 如果不是完全不可能的话。 而且单凭天王星的出轨就在天体力学祖师爷牛顿的万有引力定律头上动土， 也似乎太小题大做了一点， 因此这种假设的支持者寥寥无几。

就这样， 从拉普拉斯、 梅钦、 菲克斯米尔纳、 达兰伯利， 到波瓦德， 一次次的计算全都归于了失败； 从彗星撞击说、 介质阻尼说、 未知卫星说， 到引力修正说， 一个个的假设全都陷入了困境。 天王星出轨之谜的正解究竟在哪里呢？ 到了十九世纪三十年代末， 天文学家们在盘点自己的 “假设仓库” 时发现那里只剩下了一张牌。 这张牌是唯一一个没有倒下的假设， 这个假设已是最后的希望， 可这个希望的背后却是一道令人望而生畏的数学难题。

天王星出轨之谜的正解期待数学高手的横空出世！

十. 数学难题

这个硕果仅存的假设读者们想必已猜出来了， 那就是在天王星轨道的外面还存在另一颗大行星， 正是它的引力作用干扰了天王星的轨道， 使它与天文学家们捉了将近半个世纪的迷藏 (请读者们定性地想一想， 天王星之外存在新行星的假设为何能避免前面提到的介质阻尼说和未知卫星说所遭遇的困难？)。 在天王星之外存在新行星的猜测本身其实并不出奇。 事实上， 自天王星被发现之后， 稍有想象力的人都可以很容易地想到这一点。 不过， 泛泛猜测一颗新行星的存在是一回事， 将这种猜测与已知天体的运动联系起来， 从而形成一种具有推理价值的假设， 乃至于用这一假设来解决一个定量问题， 则是另一回事。 后者无疑要高明得多， 困难得多， 它的出现也因此要晚得多 - 直到 1835 年才正式出现。

1835 年的 11 月， 著名的哈雷彗星经过了将近 76 年的长途跋涉， 重新回到了近日点。 天文爱好者和天文学家们共同迎来了一次盛况空前的天文观测热潮。 就在万众争睹这个多数人一生只有一次机会能用肉眼看到的美丽彗星时， 天文学家们却注意到了一个小小的细节： 那就是哈雷彗星回到近日点的时间比预期的晚了一天。 一个长达 76 年的漫长约会只晚了区区一天， 算得上是极度守时了， 但天文学家们的敏锐目光并未放过这个细小的偏差。 法国天文学家瓦尔兹 (Benjamin Valz) 和德国天文学家尼古拉 (Friedrich Bernhard Nicolai) 几乎同时提出了一个假设， 那就是哈雷彗星的晚点有可能是受一颗位于天王星轨道之外的新行星的引力干扰所致[注三]。 由于当时天王星出轨之谜早已传得沸沸扬扬， 瓦尔兹进一步猜测这颗未知行星有可能也是致使天王星出轨的肇事者， 这便是天王星出轨之谜的新行星假设。


与那些一出道就遭遇致命困难的其它假设相比， 新行星假设没有显著的缺陷， 这个难能可贵的特点使它很快就脱颖而出。 到了 1837 年， 就连波瓦德也开始接受这一假设了。 波瓦德的侄子在给英国皇家天文学家艾里 (George Biddell Airy) 的一封信中提到， 他舅舅 (即波瓦德) 已开始相信天王星出轨的真正原因在于天王星之外的未知行星的干扰[注四]。 艾里当时是英国格林威治天文台的台长， 他在我们后面的故事中将是一位重要人物。 艾里对天王星出轨之谜也非常关注， 他手头掌握着大量的观测数据， 并且还撰写过有关这一问题的详尽报告。 通过对天王星轨道数据的细致分析， 艾里发现了一个当时鲜为人知的问题， 那就是计算所得的天王星位置不仅在角度上与观测数据存在着众所周知的偏差， 而且在径向 - 即天王星与太阳的距离 - 上也与观测数据存在偏差。 艾里认为这种偏差的存在表明理论计算本身还有缺陷， 他把这看成是解决天王星出轨之谜的关键。 至于新行星假设， 艾里则很不以为然。

艾里对新行星假设的不以为然， 以及他对天王星出轨症结的判断后来被证实为是不正确的。 他个人所持的这些观点虽不足以阻挡新行星假设快速流行的步伐， 但由于他在英国天文学界举足轻重的地位， 他的这种日益孤立的见解为后来英国在寻找新行星的竞争中落败埋下了种子。

新行星假设虽然受到了广泛关注， 但要想证实这一假设却绝非易事。 证实它的最直接的方法显然就是找到这颗未知的新行星， 通过观测确定其轨道， 然后再根据其轨道计算它对天王星的影响。 如果这种影响恰好能够解释天王星的出轨， 那么新行星假设就算得到了证实。

可问题是， 究竟该到哪里去寻找这颗未知的新行星呢？ 它离太阳的距离比天王星还要遥远 (如果提丢斯-波德定则有效的话， 它离太阳的距离应该比天王星远一倍左右)， 因此一般预期其亮度要比天王星暗淡得多。 另一方面， 它的移动速度则要比天王星慢得多， 因此不仅搜寻的难度大得多， 而且判断其为行星也要困难得多。 这样的搜寻听起来意义非凡， 实际上却是一项风险很大的工作， 很可能投入了巨大的人力、 物力及时间， 结果却换得竹篮子打水一场空。 另一方面， 当时各大天文台都有相当繁重的观测任务 (其中有些虽号称是天文观测， 其实却是 “为国民经济保驾护航” 一类的测绘及定位任务)， 既没有意愿也没有条件进行这种额外并且高风险的搜寻工作。

既然依靠观测这条路走不通了， 那么对新行星假设的判定就只能通过纯粹的数学计算来实现了。 毫无疑问， 这种执果求因的计算要比计算一颗已知行星对天王星的影响困难得多， 因为新行星既然是未知的， 它的质量、 轨道半径、 轨道形状、 与天王星的相对角度等所有参数也就都是未知的。 因此在计算时既要通过天王星出轨的方式来反推那些参数的数值 (这是相当困难的数学问题)， 也需要对无法有效反推的参数数值进行尽可能合理的猜测， 然后还得依据这些反推或猜测所得到的参数来计算新行星对天王星的影响， 并通过计算结果与观测数据的对比来修正参数 (这是相当繁重的数值计算 - 别忘了那时可还没有计算机)。 这种反推、 猜测、 计算、 对比及修正的过程往往要反复进行很多次， 才有可能得到比较可靠的结果。 因此要求计算者既有丰富的天体力学知识， 又有高超的计算能力， 而且还要有过人的毅力、 耐心和细致。

幸运的是， 历史不仅给了天文学界这样的人物， 而且很慷慨地一给就是两位。



注释

   1. 多数读者可能对天文观测的精度没有概念。 几十角秒的误差是个什么概念呢？ 那相当于丹麦天文学家第谷 (Tycho Brahe) 的观测误差。 第谷是十六世纪的天文学家， 比最早观测天王星的弗拉姆斯蒂德还早了一个世纪， 他的全部观测都是依靠肉眼进行的 (望远镜的发明是他去世之后的事)。 因此几十角秒的误差所对应的精度是肉眼观测的精度 (虽然对于肉眼来说这应该算是最高的精度 - 因为第谷是他那个时代最杰出的天文观测者)。 望远镜发明之后， 天文观测的精度有了数量级的提高。 据分析， 伽利略的观测精度就已达到了两角秒。
   2. 有的读者可能会觉得奇怪， 天文学家们怎么每次碰到问题时， 都会拿彗星说事？ 发现新行星时先说是彗星， 不想让某个天体 (比如智神星) 成为行星时也说是彗星， 现在又说天王星被彗星撞了腰。 原因其实很简单， 因为在那时侯， 天空中最常被观测到的不速之客就是彗星。
   3. 早在 1758 年， 即天王星尚未被发现的时候， 就有天文学家猜测象哈雷彗星这样有机会远离太阳的彗星， 有可能受到遥远的未知行星的影响。 不过那种猜测在当时并未得到任何具体数据的支持。
   4. 据艾里后来回忆， 他甚至在 1834 年就曾收到过一位名叫赫西 (Thomas Hussey) 的英国业余天文学家的类似提议， 不过那个提议没有明说未知天体是一颗行星。

十一. 星探出击


就在波瓦德向天王星轨道问题发起唐吉诃德式冲击的前一年， 即 1819 年， 一个小男孩降生在了英国康沃尔郡 (Conwall) 的一个农夫家庭， 他被取名为约翰•亚当斯 (John Couch Adams)。 这个孩子很早就显露出超乎常人的数学计算能力。 还在孩提时期， 他就自学掌握了大量数学技巧。 在十六岁那年， 他通过复杂的计算相当准确地预言了发生在当地的一次日食， 震动了乡邻， 也预示着他一生的追求。

1839 年， 亚当斯进入剑桥大学的圣约翰学院深造。 两年后的一个夏日， 他在一家书店里看到了艾里有关天王星问题的报告。 那时候， 观测数据与波瓦德轨道的偏差已达到了创纪录的 70 角秒， 天王星出轨之谜比以往任何时候都更尖锐。 已有十八年历史的波瓦德轨道虽已千疮百孔， 却仍象幽灵一般浮现在天文学家们的眼前， 刺痛着他们。 但这一切对于年轻的亚当斯却是一个巨大的机会。 对一位十六岁就能预言日食的年轻数学高手来说， 有什么能比与天王星出轨之谜这样的绝世难题同处一个时代更令人兴奋呢？ 亚当斯立即就被这一问题深深地吸引住了。

不过， 吸引归吸引， 年轻的亚当斯还不能马上就投入到这个问题中去。 为了替自己今后从事真正的学术研究创造尽可能有利的条件， 他必须首先完成剑桥大学的学业， 为两年后将要到来的毕业考试做好准备。 这些虽不是他的终极兴趣， 却对他最长远的学术前途有着至关重要的影响。 现实人生往往就是如此， 你想做一件事， 但生活却用这样那样的其它事情来牵制你的兴趣。 不过处置得宜的话， 这种牵制未必会成为羁绊。 亚当斯的努力没有白费， 1843 年， 他以最优异的成绩通过了毕业考试， 据说他的数学成绩竟比第二名高出一倍以上。 几星期后， 他又获得了剑桥大学的最高数学奖 - 史密斯奖， 并如愿以偿地成为了圣约翰学院的研究员 (fellow)。

1843 年的最后几个月， 亚当斯的生活甚至比考试前还要繁忙。 放在他面前的是三重任务： 一是对天王星轨道进行研究， 这是他的梦想和兴趣， 他终于可以追逐自己的梦想了， 但在时间上却必须与其它任务共享； 二是要完成圣约翰学院的教学任务， 这是生存的需要； 三是替剑桥天文台的台长查利斯 (James Challis) 计算一颗彗星的轨道， 这是他与剑桥学术界的正式交流， 同时也是一次很好的热身， 因为这一计算要求考虑木星对彗星的引力干扰， 而天王星出轨之谜的关键也正在于其它行星的引力干扰， 两者不无相似之处 (当然后者要困难得多)。 亚当斯有关彗星的计算发表于 1844 年初， 他的结果与一位法国天文学家的计算吻合得很好， 这一点很让他高兴。 但他也许做梦也不会想到， 自己与那位法国天文学家的命运在未来几年里竟会交织出那么多的故事和风波。

那位法国天文学家的名字叫做勒维耶 (Urbain Le Verrier)， 他出生在法国的诺曼底， 比亚当斯大八岁。 他正是历史带给天文学界的另一位数学高手！

与完成彗星轨道的计算几乎同时， 亚当斯也完成了对天王星轨道的初步分析。 他首先仔细检查了波瓦德的计算， 发现并纠正了一些错误， 但这些小打小闹并不足以挽救波瓦德的轨道。 在确信波瓦德轨道已经无可救药之后， 亚当斯正式采纳了新行星假设。 那颗神秘的新行星究竟在哪里呢？ 亚当斯开始了用纸和笔寻找答案的艰难历程。 作为计算的起点， 他假定新行星在提丢斯-波德定则所预言的距太阳 38.8 天文单位的椭圆轨道上运动。 他的初步评估得到了令人振奋的结果： 新行星对天王星的影响看来的确可以解释天王星的出轨之谜。 但为了得到可靠的结果， 亚当斯需要更多的数据， 于是他向自己刚刚帮助计算过彗星轨道的查利斯求援。

查利斯此人在我们后面的故事中也是一位重要人物， 他当时很够意思， 立即就写信向艾里索要数据。 艾里这人我们已在 上节 中提到过， 他是当时格林威治天文台的台长， 在英国天文学界算得上是重量级的人物。 在那之前， 他也曾但任过剑桥天文台的台长， 因而是查利斯的前任。 如我们在 上节 中所说， 艾里很关心天王星出轨之谜， 手头也有最新的观测数据， 但他对新行星假设并不看好。 艾里工作一丝不苟， 但为人古板， 缺乏想象力。 在他管束下的格林威治天文台台规森严、 条框众多。 这一切对后来故事的发展有着不可忽视的影响。 亚当斯通过查利斯向艾里索要数据， 也许是他与艾里之间第一次打交道。 这次交道虽然间接， 但却非常顺利， 艾里立刻就寄来了数据。

可惜这也是接下来两年半的关键时间里亚当斯与艾里之间唯一一次顺利的交道。

拿到了数据， 亚当斯立刻就投入到了更精密的计算之中。 不过， 学院的教学任务与彗星计算还是从他那里夺走了一部分时间。 1844 年秋天， 查利斯又让亚当斯帮他计算一颗彗星的轨道 - 那是一颗新发现的彗星。 那时亚当斯对此类计算早已轻车熟路， 秋叶尚未落尽， 他的计算结果就出来了。 但出人意料的是， 亚当斯如此麻利的计算竟然还是慢了一步， 一个已不再陌生的法国名字抢在了他的前面： 勒维耶。

但亚当斯此刻已无暇品味自己与这位法国同行在研究课题上二度撞车的深刻寓意了， 他的精力越来越多地投入到了推测未知行星轨道的计算之中。 如我们在 上节 所说， 这是一项极其复杂的计算。 如果说扎克和他那些试图围捕小行星的朋友是天空警察， 那么亚当斯就应该算是星探 - 当然不是寻找演艺明星的星探， 而是星空侦探， 他要做的是通过 “罪犯” 在 “犯罪现场” - 即天王星轨道 - 留下的蛛丝马迹， 来推断其行踪。

亚当斯从 1780 年到 1840 这 60 年的现代观测数据 (其中很多是艾里提供的) 中以每三年为一个间隔整理出了 21 组数据。 他分别计算了这 21 组数据与波瓦德轨道的偏差， 并与新行星产生的影响进行比较及拟合。 由于新行星的轨道参数中除用提丢斯-波德定则确定的半长径外， 其余全都是未知的， 他需要通过不断调整参数来寻求最佳的拟合效果。 在计算中他还采用了高斯计算谷神星轨道时所用的误差控制方法。 考虑到当时的计算主要依靠手算[注一]， 这实在是一件令人望而生畏的工作。 亚当斯以惊人的专注和毅力进行着计算 - 这也是他一贯的风格。 他的兄弟乔治 (George Adams) 曾有一段时间陪伴他熬夜， 帮他验证一些计算结果。 在乔治撰写的回忆中， 他提到有很多次当他实在熬不下去时， 他想让亚当斯去睡觉 (那样他自己也可以休息)， 亚当斯总是说： 再等一会儿。 而那 “一会儿” 却总是无穷无尽般的漫长。 在亚当斯沉醉于计算的那些日子里， 他几乎神游物外， 甚至在与乔治一起散步时都需要后者提醒他避开障碍物。 经过这样没日没夜的努力， 当下一个秋天来临时， 1845 年 9 月， 亚当斯的计算终于有了结果。

十二. 三访艾里

按照亚当斯的推算， 新行星的质量约为天王星的三倍， 运动轨道则是一个半长径为 38.4 天文单位 (比一开始假定的 38.8 天文单位略小) 的椭圆轨道。 在这样一颗新行星的影响下， 亚当斯将天王星的出轨幅度由原先的几十角秒压缩到了 1-2 角秒， 并预言了新行星 1845 年 10 月 1 将在天空中出现的位置。 由于亚当斯在计算中只用到了现代数据， 因此一个很自然、 并且也很重要的问题是： 他的计算是否也可以解释历史记录？ 为此， 亚当斯进行了验证， 结果发现答案是肯定的。 历史纪录与现代数据的跷跷板第一次被摆平了， 这在很大程度上印证了计算结果的可靠性， 也间接印证了新行星假设的合理性。

亚当斯这些繁复计算的完成， 在时间上与他为预测新行星位置所选的 1845 年 10 月 1 日这一日子已相距不远。 如果他能象当年的赫歇耳那样拥有一流的望远镜， 且精于观测的话， 完全有可能通过几周甚至 - 如果运气好的话 - 几个夜晚的观测， 就亲自发现那颗新行星， 因为他所预测的位置距离新行星当时在天空中的实际位置只相差了不到两度[注二]。 可惜亚当斯并没有那样的条件， 于是他将自己的计算结果告诉查利斯， 再次寻求后者的帮助。

查利斯也再次表现出了够意思的特点， 只不过他的 “意思” 似乎总也离不开书信， 他接到亚当斯的请求后， 于 9 月 22 日替亚当斯写了一封推荐信， 让他面呈给艾里。 查利斯在信中称亚当斯的计算是可以信赖的。 但令人困惑的是， 查利斯身为剑桥天文台的台长， 自己就拥有搜索新行星所需的一切技术条件， 却为何要舍近求远地把亚当斯推荐给艾里呢？ 而且他作为年长者， 居然没有建议亚当斯正式发表那些 “可以信赖的” 的计算结果， 这又是为什么呢？ 对此， 一个可能的解释是查利斯其实并未真正相信亚当斯的结果。 亚当斯的能力虽然已经通过替他计算彗星轨道而不止一次地得到了显现， 但那些计算的难度与通过天王星轨道来反推一颗未知行星的行踪相比， 无疑还相差很远。 不管是出于什么原因， 查利斯这位堪称当时全英国最了解亚当斯的天文学家， 在这个至关重要的历史节骨眼上没有选择直接的帮助和参与， 这是他与发现新行星的机会第一次擦肩而过。


九月底， 亚当斯带着查利斯的推荐信来到格林威治天文台拜访艾里。 这是他第一次拜访艾里， 可惜艾里当时正在在法国开会， 让他扑了一个空。 出师不利的亚当斯只得留下查利斯的推荐信无功而返。 艾里回到天文台后看到了查利斯的推荐信， 他很快就给查利斯回了信， 对错过与亚当斯的会面感到遗憾， 并礼貌地表示对亚当斯的工作很感兴趣， 欢迎后者与他建立通信联络。 亚当斯得知这一消息后决定再次访问艾里。

1845 年 10 月 21 日下午 3 点左右， 亚当斯再次来到了格林威治天文台[注三]。 不巧的是， 艾里居然又不在。 不过这次他只是暂时外出， 于是亚当斯向艾里的管家表示自己过一会儿会再来， 并留下了一张一页纸的计算结果。 亚当斯在附近溜达了大约一个小时后重新来到了艾里家。 不幸的是， 不知是由于管家的疏失还是其它什么原因， 艾里似乎并未收到亚当斯的 “拜山帖”， 也不知道他会返回。 因此当亚当斯第三次登门拜访时， 被告知艾里正在吃午饭， 不见客人[注四]。 因为吃午饭就不见客人， 这听起来似乎有些无理， 其实在英国这样一个礼仪森严的国家里却不足为奇， 尤其是艾里乃是天文界的资深前辈， 而亚当斯只是一位初出茅庐的年轻人， 艾里在吃饭时不见亚当斯丝毫不算出格。 但尽管礼仪如此， 连吃三次闭门羹还是让亚当斯失去了耐心， 他没等艾里吃完午饭就返回了剑桥。

回到剑桥后， 亚当斯把寻求观测支持的事搁到了一旁， 他决定进一步改进自己的计算。 在他第一轮的计算中， 曾将未知行星的轨道半长径假设为 38.8 天文单位， 这是提丢斯-波德定则的预言。 但提丢斯-波德定则虽已接连被天王星和小行星带的发现所支持， 却终究没什么理论基础， 因此亚当斯对建立在提丢斯-波德定则基础上的轨道半长径假设并不满意。 在新一轮的计算中， 他决定放弃这一假设， 而尝试一个稍小一点的轨道半径： 37.3 天文单位。

另一方面， 艾里最终还是看到了亚当斯留下的那一页计算结果。 两个星期之后， 即 11 月 5 日， 他给亚当斯回了一封信。 在回信中， 艾里与亚当斯自己一样， 也质疑了提丢斯-波德定则的有效性， 但他同时还提出了另外一个问题： 那就是如何解释天王星出轨之谜中的径向偏差。 我们在 第十节 中曾经介绍过， 天王星轨道的径向偏差在艾里眼中是很重要的问题， 他甚至认为这很可能就是解决天王星出轨问题的关键。 由于他的这一看法并未得到其他天文学家的重视， 因此艾里一有机会就要重提这一问题， 对亚当斯自然也不例外。

但这回却轮到艾里吃闭门羹了， 因为亚当斯并未对艾里姗姗来迟的信件作出回复。 亚当斯的沉默落在艾里眼中无疑变成了一个信号， 让他以为自己的问题已击中对方的要害， 两人的联系就此中断。

那么， 亚当斯为什么不回复艾里的信件呢？ 据他后来在一封为此事而向艾里表示歉意的信中所说， 那是因为他并未意识到艾里对这一问题如此看重。 很多年后， 他在给一位朋友的信中则表示， 他当时觉得艾里的问题太过简单， 因此没有及时回复。 不过亚当斯的这些解释颇有避重就轻之嫌， 其可信度是值得怀疑的。 艾里怎么说也是前辈， 哪怕他真的提了一个太简单或不重要的问题， 甚至我们把亚当斯对前不久的闭门羹一事还耿耿于怀的可能性也考虑在内， 作为后辈的他似乎也都没有理由用不回信这样失礼的方式来处理。 这样的事情别说在英国， 即便在礼仪相对宽松的其它国家， 恐怕也是不合情理的。

如果亚当斯自己所说的原因不合情理， 那么真正的原因会是什么呢？ 从逻辑上讲， 最有可能的答案恐怕就是： 他是因为无法及时对艾里的问题作出明确回答， 才没有回复的。 这一点后来得到了一些史料的佐证， 因为人们在亚当斯残存的笔记中发现他曾试图解决艾里的问题。 这与他在上述信件中所说的并未意识到艾里对这一问题的看重， 以及认为艾里的问题太过简单显然是有些自相矛盾的。

但无论出于什么原因， 忽视也好、 为难也罢， 甚或只是纯粹的偶然， 亚当斯与艾里三番四次无法建立有效的联系， 无论对他们两人， 还是对整个英国天文学界都是一个极大的遗憾。 就在机遇从亚当斯、 查利斯和艾里的指缝间一次次遗落的时候， 一位法国天文学家把自己的目光投向了天王星的出轨问题。

这已是此人第三次与亚当斯在相同的问题上相遇。



注释

   1. 当然， 对数表等数学表格对部分计算可以起到辅助作用。
   2. 需要提醒读者的是， 这一偏差是指计算位置与实际位置的偏差， 而非计算误差 (请读者想一想， 这两者的差别是什么？)。 后来有人对这一数据， 乃至英国方面的整个故事都提出了质疑， 对此我们将在后文中加以介绍。
   3. 据说人们并未在当时遗留的日记、 信件等文字记录中找到亚当斯第二次访问艾里的确切日期， 因此 10 月 21 日这个日期是后人的推断。
   4. 关于这一点， 艾里夫人曾留下过两个不同版本的书面说法， 后人据此认为有关艾里一家当时正在吃午饭的传言未必确凿。 由于艾里一家当时正在做什么对整个事件的发展并无特殊重要性， 因此本文不予细究， 这里提一下只是为了告诉读者史学界对这一细节存有不同看法。

十三. 殊途同归



这位法国天文学家的名字大家一定猜出来了。 是的， 他就是两次在彗星轨道计算中与亚当斯不期而遇的勒维耶。 勒维耶有着与亚当斯同样杰出的数学技能， 不过他的天文之路却略显曲折。 1830 年， 初出茅庐的勒维耶在报考法国第一流的理工学校巴黎综合理工学院 (École Polytechnique) 的竞争中不幸落败。 由于勒维耶在当地学校的成绩一向十分优异， 他父亲将失败的原因归咎于当地整体教育水平的低下。 望子成龙的他毅然变卖了房产， 将勒维耶送到巴黎复习备考。 第二年， 脱离了山沟沟的勒维耶终于变成了金凤凰， 不负重望地进入了巴黎综合理工学院。

与亚当斯一样， 勒维耶以最优异的成绩通过了学校的毕业考试。 不过毕业后的勒维耶却一度进入了与天文学风马牛不相及的政府烟草部门， 并跟随化学家盖-吕萨克 (Joseph Louis Gay-Lussac) 从事过一些化学方面的研究[注一]。 1837 年， 当巴黎综合理工学院的一个天文学教职出现空缺时， 盖-吕萨克建议并推荐勒维耶获得了这一教职。 虽然对导师建议的转行感到意外， 但勒维耶很快就发现天文学是一个可以充分展现自己数学才华的迷人领域。 转行天文后的勒维耶主要从事天体轨道的计算与分析。 短短几年间， 他便在该领域树立起了自己的名声。

勒维耶的理论研究有着鲜明的系统性， 这一点与当年赫歇耳的观测工作颇有异曲同工之处。 自 1840 年以来， 勒维耶对太阳系天体的运动做了近乎地毯式的研究， 先后考察了水星、 金星、 地球、 火星、 木星、 土星及若干彗星的运动。 1845 年秋天， 在巴黎天文台台长阿拉果 (François Arago) 的提议下， 他将注意力转向了当时已知的最后一个行星： 天王星。

与亚当斯一样， 初涉天王星问题的勒维耶也对波瓦德轨道进行了细致分析， 也发现并纠正了一些错误， 他的结论也和亚当斯一样， 那就是波瓦德轨道已经无可救药了 - 仅凭木星和土星的影响是无论如何也摆不平天王星轨道的。 接下来， 勒维耶又近乎地毯式地逐一分析了我们在 第九节 中介绍过的几种试图解决天王星出轨之谜的假设， 并将它们一一排除。 这样， 他顺理成章地将注意力转向了当时已知的最后一个假设： 新行星假设， 并且与亚当斯一样， 走上了用纸和笔寻找新行星的艰难之旅。

作为计算的出发点， 勒维耶也采用了提丢斯-波德定则， 把新行星的轨道半径假定为 38.8 天文单位 (在计算过程中微调为了 38.4 天文单位， 与亚当斯第一次计算的结果相同)。 不过与亚当斯所用的椭圆轨道不同的是， 他假定新行星的轨道为圆形。 为了确定新行星在轨道上的位置， 他将轨道按角度均匀地分割成了 40 个区段， 每段 9° (因为整个圆周有 360°)。 显然， 在任何一个选定的时刻 - 勒维耶将之选为 1800 年 1 月 1 日 - 新行星必定位于这 40 个区段中的某一个区段内。 那么它究竟位于哪一个区段呢？ 勒维耶再次发挥了自己的系统风格， 他逐一考察了新行星在选定时刻位于 40 个区段中的任何一个区段内所能对天王星轨道产生的影响。 通过极其繁复的计算、 对比和排除， 到了 1846 年 5 月底， 勒维耶终于找到了能够使天王星轨道最接近观测结果的那个区段。 在此基础上， 他预言了 1847 年 1 月 1 日新行星所处的位置。

勒维耶的计算结果与亚当斯的相当接近。 英吉利海峡两边的这两位数学高手的智慧之剑指向了同一个天区， 只不过当时勒维耶和亚当斯谁也不知道对方的工作。

与亚当斯不同的是， 勒维耶公开发表了自己的计算， 从而引起了一定程度的关注， 因为那时天王星出轨之谜已经困扰天文学家们达半个世纪之久， 新行星假设成为解决这一谜团的主流假设也已有差不多十个年头， 这还是第一次有人计算出新行星的确切位置 (亚当斯的结果因为没有发表， 除查利斯和艾里外， 尚处于无人知晓的状态)。 1846 年 6 月下旬， 勒维耶的论文抵达了艾里所在的格林威治天文台。

如果说其他天文学家对勒维耶结果的关注在很大程度上是出于新奇， 那么对艾里来说， 勒维耶的结果则带来了一定的震动， 因为这一结果与他大半年前曾经见过的亚当斯的结果相当接近[注二]。 亚当斯在当时还是一个籍籍无名的年轻人， 但勒维耶已有一定的知名度， 艾里也许可以忽略亚当斯， 但对勒维耶的结果却不能等闲视之。 而且更重要的是， 在这么困难的问题上， 两个人同时算错并非不可能， 但错得如此接近却令人难以置信。 因此， 这时的艾里对亚当斯和勒维耶的结果已不得不刮目相看， 他甚至向包括小赫歇耳 (John Herschel - 发现天王星的老赫歇耳的儿子) 在内的几位朋友及同事提及了这两人的计算彼此接近， 以及在近期内借助计算结果发现新行星的可能性。

不过， 要让艾里信服勒维耶的计算还必须解决他心头的一个老大难问题， 那就是他当年曾问过亚当斯， 却未得到回答的那个天王星轨道的径向偏差问题。 这一问题依然盘亘在艾里的脑海里， 于是他写信给勒维耶， 询问他的计算能否解决这一问题。 1846 年 7 月 1 日， 艾里从勒维耶的回信中得到了非常肯定的答复。 这下艾里终于信服了。 但即便如此， 他却并未采取立即的行动。 从我们这个史话的角度看， 艾里此时的迟钝是一件非常奇怪的事情， 但我们不能忘记， 在这位皇家天文学家的日程中本就有太多的东西需要他去关注 - 虽然那些东西的重要性在事后看来与他错过的东西相比根本就不值一提。 幸运的是， 艾里早年的一位数学老师在关键时候击碎了他的迟钝。 7 月 6 日， 艾里与这位名叫皮考克 (George Peacock) 的数学教授谈及了天王星出轨问题及亚当斯和勒维耶的计算。 老教授对艾里同学的迟钝大为惊讶， 敦促他立即采取行动。

三天后， 艾里终于采取了行动。

而这时候， 勒维耶在做什么呢？ 他和亚当斯一样， 投入到了新一轮的精密计算之中。 在这一轮的计算中， 他决定放弃前一轮计算所采用的两个不太令人满意的假设： 其中一个是提丢斯-波德定则， 勒维耶和亚当斯一样， 认为这是一个没有足够理论基础的假设； 另一个则是圆轨道假设， 这无疑是一个过于特殊的假设。 放弃这两个假设后， 勒维耶将新行星的轨道调整为了半长径为 36.2 天文单位的椭圆轨道。

勒维耶对新计算的沉醉， 在无意间为艾里及英国天文学界创造了一个难得的机会。 因为一方面， 沉醉于计算的勒维耶把寻求观测支持的事情搁到了一边； 另一方面， 勒维耶进行新计算这一消息本身在一定程度上降低了欧洲大陆的天文学家们对他前一轮计算的重视程度。 这样的局面对于艾里以及他的少数英国同事来说无疑是非常有利， 因为只有他们知道亚当斯的结果， 从而也只有他们才知道勒维耶的计算并非孤立结果。 一个复杂的计算， 它是孤立结果还是得到过独立来源的佐证， 其可信度是截然不同的。 英国人曾将亚当斯提供的先机轻轻葬送， 但此刻的他们趁着欧洲大陆的天文学家们对勒维耶的计算将信将疑， 心存观望之际， 提前洞悉了这一结果的可信度， 并决定展开行动， 这无疑是再次将先机揽到了自己身旁[注三]。

那么， 英国绅士们能够把握住这稍纵即逝的先机吗？

十四. 剑桥梦碎

如果要在格林威治天文台的历任台长中评选几位从事天文观测最少的台长， 艾里无疑会名列前茅。 自从 1835 年出任台长以来， 八年的时间里， 艾里参与过的观测仅占同期天文台观测总数的千分之二。 即便在发现新行星的荣誉有可能唾手而得的时候， 艾里仍没有打算亲自参与观测。 他更感兴趣的问题倒是让谁来摘取这一荣誉。 结果他选择了剑桥天文台， 那是他就任格林威治天文台台长之前任职过的地方， 那里有他亲自督建的高品质的诺森伯兰望远镜 (Northumberland telescope)[注四]。 而且， 亚当斯、 艾里自己， 以及剑桥天文台的现任台长查利斯都是剑桥的毕业生， 让剑桥天文台成为新行星的发现地， 无疑可以演绎一出最完美的 “剑桥天文故事”。



不过平心而论， 要说艾里选择剑桥天文台而非自己所在的格林威治天文台是纯粹的心血来潮或浪漫胸怀， 却也并非实情。 事实上， 格林威治天文台的名头虽大， 可是由于承担了太多时间及经纬方面的测定任务， 它所拥有的望远镜已经按这些特殊任务的需要进行了改动， 比方说它的方向已被固定在了特定的子午线 (即经线) 上， 以便能精确测定日月星辰穿越子午线的时间， 而且它的放大倍率也比不上剑桥天文台的望远镜 (格林威治天文台的望远镜口径只有 6.7 英寸， 而剑桥的诺森伯兰望远镜的口径达 11.75 英寸)。 这些都使得格林威治天文台已变得不再适合行星搜索工作了。 因此艾里的选择也可以说是形势使然。

主意既定， 艾里便于 1846 年 7 月 9 日写信给查利斯， 叙述了剑桥天文台搜索新行星的有利条件， 然后请他展开搜索。 艾里并且表示， 如果查利斯本人没有时间的话， 他可以从格林威治天文台抽调一位助理予以协助。 但艾里的信发出之后却变成了泥牛入海， 查利斯并未及时回复。 等了四天没有回信， 艾里终于着急了， 他再次写信给查利斯， 提醒他寻找新行星的重要性应当凌驾于任何不会因推延而失效的其它工作之上。

查利斯居然还是没回信。

原来艾里的这位继任者当时并不在剑桥， 而是在度假。 当年的天文学家既没有电话也没有电子邮件， 更没有个人博客可以随时向外界展示自己的行踪。 艾里对查利斯度假的消息一无所知， 白白着了一场急。 7 月 18 日， 查利斯终于回到了剑桥天文台， 他立刻给艾里回了信， 表示将尽快展开观测。 艾里随即给查利斯提供了一个以勒维耶和亚当斯的计算结果为中心， 东西范围 30°， 南北范围 10° 的区域作为搜索范围。

但查利斯在动作迟缓方面并不比他的前任艾里先前的拖拉来得逊色， 他的 “尽快” 足足经过了十天的时间才付诸实施。 在那期间， 他向亚当斯提及了自己将要搜索新行星的消息。 此时亚当斯的新一轮计算已接近完成， 他向查利斯提供了一些新的数据[注五]。 这时距离艾里收到勒维耶的回信已相隔近一个月， 所幸欧洲大陆的情势并无实质变化， 勒维耶的新一轮计算仍未结束， 欧洲大陆的各主要天文台也仍无动于衷。

7 月 29 日晚， 查利斯的搜索行动正式展开。 英国天文界的成败在此一举。


按照后来查利斯向艾里及英国报刊提供的叙述， 在搜索中， 他首先以亚当斯提供的位置为中心， 观测了宽度为 9 弧分 (弧分也叫做角分， 一弧分等于 1/60 度) 的区域中所有视星等在 11 以上的天体。 几天之后他的观测因天气而受阻。 8 月 12 日天气转好， 查利斯对 7 月 30 日曾经观测过的天区进行了复测。 然后他开始对比 7 月 30 日的观测结果与 8 月 12 日的复测结果。 这种对比是搜索行星的标准手段， 如果在对比中发现任何一个天体的位置发生了变化， 那么这个天体就有可能是查利斯所要寻找的新行星。 一组、 两组、 三组 ... ... 查利斯一连对比了三十九组数据， 全都匹配得完美无缺， 这表明那些都不是他要寻找的新行星。 虽然还剩下一些数据尚未对比， 但查利斯觉得这一天的对比不会有什么收获了。 他想起自己手头还有一些彗星数据需要处理， 于是便提前终止了对比工作。

这一决定酿成了查利斯一生最大的遗憾， 也彻底葬送了艾里梦想的 “剑桥天文故事”。

查利斯完全没有想到， 在这场无形的竞争中， 就在他迎来长久阴霾之后的第一个好天气时， 幸运女神又一次 - 也是最后一次 - 将垂青的目光投到了英国人的头上。 新行星的数据此刻就静静地躺在他 8 月 12 日的复测记录中。 那一天， 查利斯只要再多对比十组数据， 就会发现 8 月 12 日所纪录的第四十九个天体 - 一颗蓝色的 8 等星 - 在 7 月 30 日的纪录中是不存在的。 这说明那个天体 7 月 30 日还不在他所观测的天区中， 8 月 12 日却进入了该区域， 那是一个移动的天体， 那个移动的天体正是艾里要他寻找的新行星！

一招失误， 满盘皆输。

在八月份余下的日子里， 查利斯继续对附近的天区进行搜索， 结果一无所获。 九月初， 他放弃了搜索。



注释

   1. 盖-吕萨克在化学方面有不少贡献， 比如我们在中学化学课上接触过的气体化合体积定律， 即盖-吕萨克定律， 就是以他的名字命名的。
   2. 如果将他们的计算统一折算成平均日面经度 (mean helio longitude) 的话， 那么亚当斯的结果是 1845 年 10 月 1 日新行星位于经度 323.5°； 勒维耶的结果则是 1847 年 1 月 1 日新行星位于经度 325°。
   3. 严格讲， 欧洲天文学界并非铁板一块， 在欧洲的某些地方曾有过一些零星的观测。
   4. 该望远镜是一位诺森伯兰公爵 (Duke of Northumberland) 于 1833 年捐助的， 故而得名。
   5. 关于亚当斯向查利斯提供的究竟是什么数据， 后来有人提出了质疑。 质疑者认为亚当斯当时提供的其实是勒维耶第一轮计算的结果。 如果那样的话， 那些数据与亚当斯当时即将完成的计算应该没什么关系。

十五. 欲迎还拒

查利斯的失败， 宣告了英国人在这场几度领先的无形竞争中丧尽先机、 黯然出局。 虽然此刻他们还不清楚自己究竟失去了什么， 但历史的风标已无可阻挡地偏向了后来居上的欧洲大陆。

就在查利斯终止新行星搜索之前不久， 1846 年 8 月底， 勒维耶完成了他的新一轮计算。 那时候， 他在整个计算中用去的稿纸数量已经超过了 10000 页。 勒维耶的新结果与原先的结果相当接近 (偏差只有 1.5°)， 这是一个好兆头， 它表明勒维耶的计算方法很可能具有良好的稳定性。 按照勒维耶的计算， 虽然新行星的轨道半径比天王星大了将近一倍， 但由于其质量也比天王星大得多， 因此亮度依然可观。 勒维耶很清楚， 再好的计算若是离开了观测的验证， 也只能是空中楼阁。 他已经用了一年的时间来构建这座宏伟的楼阁， 现在是该让一切落地生根的时候了。 于是他开始尽其所能地劝说天文学家们对新行星展开搜索。

而此时的英国几乎只剩下了一个人还在为新行星的命运做最后的奔走， 他就是亚当斯。 比勒维耶晚了几天， 亚当斯也完成了自己的新计算。 只不过， 勒维耶循正常而公开的学术渠道发表了自己的所有计算， 而亚当斯却仍在继续那种曾让自己一再碰壁的私下交流。 9 月 2 日， 他给艾里写了一封信， 一来通报自己的第二轮计算结果， 二来则答复一年前艾里在信中问起过的天王星轨道径向偏差问题 (这封信从一个侧面说明亚当斯当年对径向偏差问题的沉默， 并非是因为没有意识到艾里对这一问题的看重， 或觉得该问题太简单)。 可惜的是， 亚当斯和艾里的每一次重要交往似乎都注定要以失败告终。 亚当斯的信件抵达格林威治天文台时， 艾里又出了远门。 不过这回亚当斯多少也学了一点乖， 不再把宝完全押在艾里一个人身上了， 他决定赶往英国科学进步协会 (British Association for the Advancement of Science) 在南安普敦 (Southampton) 的一次会议， 以便报告自己的结果。

可人要是背了运， 喝凉水都会塞牙。

当亚当斯赶到南安普敦时， 天文方面的会议早已结束。 错过了会期的亚当斯只能郁闷地再次将自己埋首于计算之中， 他将新行星的轨道半径进一步缩小为 34.4 天文单位， 开始了自己的第三轮轨道计算。

另一方面， 勒维耶的命运虽然比亚当斯顺利， 除了艾里等少数人外， 不仅整个欧洲都将他视为新行星位置的唯一预言者， 他的工作甚至还远隔重洋传到了美国。 自八月份以来， 勒维耶预言新行星位置的消息更是越出了学术界的范围， 得到了媒体的宣传。 可当他试图说服各大天文台将那些溢美之词， 以及对新行星的期盼之意转变为货真价实的搜索行动时， 却遭遇了意想不到的困难。 各天文学台的 “老总” 们虽毫不掩饰对他结果的极大兴趣， 以及对他水平的高度赞许， 可一涉及到动用自己手下的人力和设备进行新行星搜索时， 却一个个支支吾吾、 推三推四起来。 甚至连他的本国同行也不例外， 一年前亲自敦促他研究海王星出轨问题的巴黎天文台台长阿拉果只进行了极短时间的搜索就放弃了。

读者也许觉得奇怪， 发现新行星是何等的美事？ 各大天文台应该争先恐后、 抢破脑袋才是啊， 怎么反倒你推我让、 欲迎还拒呢？ 难不成是 “老总” 们突击学习了 “孔融让梨” 的先进事迹？ 各大天文台之所以会有这样奇怪的反应， 主要有两大原因： 第一是信心不足。 谁都知道发现新行星意味着巨大的荣誉， 但同时也都知道寻找新行星是一件很困难的事情。 虽说此次的情况有所不同， 勒维耶已经计算出了新行星的位置， 而且轰传天下。 可这计算新行星位置的壮举， 乃是前所未闻的故事， 天文学家们心里究竟信了几成， 恐怕只有他们自己才清楚。 溢美之词是廉价的， 观测时间却是无价的， 该不该用无价的时间去验证廉价的评语， 这是让 “老总” 们不无踌躇的事情。

第二个原因则是制度死板。 当时各大天文台都有繁重的观测任务， 也都有比较死板的规章制度， 对观测日程作哪怕细微的变更都不太容易， 要想凭空插入一个耗时未知、 结果莫测的行星搜索计划更是难上加难。 格林威治天文台甚至还有过观测助理因擅自寻找新行星而受到艾里惩罚的事情。 因此即便象查利斯那样既得到艾里的嘱托， 又有台长的权力， 并且因知晓亚当斯与勒维耶的双重结果而具备信心优势的人， 也只愿花费很有限的时间和精力进行观测， 且还心猿意马、 草率从事， 以至于功败垂成。 而艾里本人把观测任务交给剑桥天文台， 虽有演绎剑桥故事的美好心愿及其它客观原因， 但心底里 - 据后人分析 - 也是不想打乱格林威治天文台的正常工作。

十六. 生日之夜


一次次客气的回绝让勒维耶很是沮丧， 他搜肠刮肚地寻找关系， 试图找到一个突破口。 这时他忽然想起了自己曾经认得过的一位柏林天文台的天文学家， 此人名叫伽勒 (Johann Gottfried Galle)， 是柏林天文台台长恩克 (Johann Franz Encke) 的助理。 说起来， 勒维耶与伽勒的关系其实疏远得很， 唯一值得一提的联系是一年前伽勒曾给勒维耶寄过一份自己的博士论文。 而忙于计算的勒维耶甚至连封感谢信都没有回。 真所谓此一时彼一时也， 若非如今这档子事， 勒维耶这辈子能否想得起伽勒来都是个问题， 而此刻勒维耶一想到伽勒登时觉得亲切无比， 犹如看到了救命稻草。 1846 年 9 月 18 日， 勒维耶给伽勒写了一封信， 将伽勒的一年前的博士论文狠狠地夸奖了一通， 然后笔锋一转， 谈到了自己预言的新行星位置， 他希望伽勒能帮助寻找这颗行星。

9 月 23 日， 勒维耶的信送到了伽勒手中。

虽然被冷落了一年， 能够收到当时已颇有名气的勒维耶的来信 (而且还是满含赞许的来信) 伽勒还是感到非常兴奋， 并且他也被勒维耶的预言深深吸引了。 勒维耶的信终于落到了能被它打动的人手里， 不过更妙的则是这封信的抵达时间： 9 月 23 日， 这一天正好是伽勒的老板恩克台长的 55 岁生日。 伽勒虽是柏林天文台的资深成员， 但按规矩却仍没有擅自使用天文台的望远镜进行计划外观测的权力， 他想要观测新行星， 必须得到台长恩克的允许。

恩克作为台长， 消息自然是灵通的， 他早就知道勒维耶预言新行星的事， 但和其他天文台的台长一样， 他对此事也一直采取了旁观的态度。 换作是在平时， 伽勒的要求可不是那么容易过关的。 不过人在生日的时候心情通常比较愉快， 而且那天晚上同事们早已约定在恩克家中庆祝他的生日， 并无使用望远镜的计划， 因此在伽勒的软磨硬泡之下， 恩克终于答应给对方一个晚上的时间进行观测。

拿到了尚方宝剑， 伽勒拔腿就往观测台走。 这时一位年轻人叫住了他。 此人名叫达雷斯特 (Heinrich Louis d'Arrest)， 当时还是柏林天文台的一位学生， 他碰巧旁听到了伽勒与恩克的谈话。 达雷斯特请求伽勒允许自己也参加观测。 由于天文观测不仅是观测， 而且还需要进行数据的纪录与比对， 有助手参与显然是非常有利的， 于是伽勒答应了达雷斯特的请求， 两人一同前往观测台。



我们在 第四节 中曾经介绍过， 发现行星的主要途径有两种： 一种是通过行星的运动 (比如小行星的发现)， 另一种则是通过行星的圆面 (比如赫歇耳发现天王星)。 由于通过运动发现行星通常需要对不同夜晚的观测数据进行对比， 而恩克只给了他们一个夜晚的时间， 因此伽勒和达雷斯特将希望寄托在了观测新行星的圆面上。 他们将望远镜指向了勒维耶预言的位置， 以那里为中心展开了观测。

那个夜晚秋高气爽， 万里无云， 是进行天文观测的绝佳天气。 但天气虽然帮忙， 运气却似乎并不垂青于他们。 时间一分一秒地过去， 他们并未发现任何显示出圆面的天体。 夜色越来越浓， 希望却越来越淡， 难道勒维耶的预言错了？ 又或是预言没错， 但误差太大， 从而新行星离预言的位置太远？ 如果是这样， 他们就必须扩大搜索范围， 而这显然不是短短一个夜晚就能搞定的。

百般无奈之下， 达雷斯特提议了一个方法： 他们虽然只有一个夜晚的观测时间， 从而不可能通过对自己的数据进行对比来发现新行星的运动， 但他们搜索的这片天区以前当然也有人观测过 (虽然目的各不相同)。 如果他们刚才观测过的天体中有一颗是行星， 那么在人们以前绘制的星图上， 它显然不会处在同样的位置， 甚至应该完全不在同一片天区里， 因为以前绘制的星图与他们自己的观测在时间上相距较远。

由此看来， 只要他们能在自己的观测中发现一颗不在星图上的天体， 那个天体极有可能就是他们想要寻找的新行星。 这是一个绝妙的新思路。 当然， 他们的运气好坏还取决于星图的详尽程度。

仿佛与他们的机智遥相呼应， 柏林天文台最近恰好编过一份详尽的星图， 那份星图此刻就放在恩克的抽屉里。 伽勒和达雷斯特赶紧找来了那份星图， 然后由伽勒将望远镜中看到的天体的位置一个个报出来， 达雷斯特则在星图上一一寻找 - 找到一个就排除一个。 半个小时过去了， 兴奋的时刻终于来临， 当伽勒报到一颗视星等为 8 等， 与勒维耶预言的位置相差不到 1° 的暗淡天体时， 达雷斯特喊了起来： 那颗星星不在星图上！

此刻的时钟已悄然划过零点， 崭新的一天已经来临[注一]。 在这个不眠之夜里， 一个天体力学的神话已被缔造， 天文学的历史翻开了辉煌的一页。 此时恩克的生日派对仍在进行， 激动不已的伽勒和达雷斯特赶到恩克的住所， 向他报告了这一消息。 恩克立即中断了生日派对， 与他们一同赶往观测台， 三人一直观测到黎明。 第二天， 在同样完美的天气条件下， 他们又仔细复核了一次， 发现那个天体的位置移动了， 并且移动的幅度与勒维耶的计算完全吻合。 毫无疑问， 他们已经发现了勒维耶预言的新行星[注二]。

9 月 25 日早晨， 走下观测台的伽勒写信向勒维耶报告了发现新行星的消息。

这个消息很快就席卷了整个天文学界， 并将在不久之后掀起一场风暴。



注释

   1. 尽管如此， 人们通常仍将 1846 年 9 月 23 日作为新行星的发现日。
   2. 经过仔细的观测， 他们也确定了新行星的圆面大小， 比勒维耶预言的小了百分之二十左右。

十七. 名动天下

虽然近代天体力学史上从来就不乏精密的计算和预言， 比如我们在 第六节 中曾经提到， 高斯预言的谷神星位置与实际观测只差半度。 至于有关日食、 月食及彗星周期等的预言， 则更比比皆是。 但那些计算所涉及的天体， 其存在性及部分轨道数据都是已知的， 所有的计算和预言都只是从有关该天体的已知数据出发， 来推测未知数据。 而象勒维耶这样通过已知行星的运动， 来间接推算一颗远在几十亿公里之外， 没有任何观测数据的未知行星的轨道， 并将其位置确定到如此精密的程度， 这不仅是前所未有的壮举， 而且充满了引人遐想的空间。 一时间， 所有人都被这令人眩目的伟大成就所震撼， 这一成就的 “总设计师” 勒维耶几乎在一夜之间就达到了自己一生荣耀的顶点。 来自欧洲各地的赞美与祝贺如雪片般飞来， 很多人激动地将勒维耶的成就称为天文史上最伟大的成就。

在伽勒给勒维耶报讯的同时， 他的老板恩克也亲自给勒维耶写了信， 在信中， 除了向勒维耶表示 “最诚挚的祝贺” 外， 恩克还写道： “您的名字将永远与对万有引力定律有效性的能够想象得到的最惊人验证联系在一起”。 德国天文学家舒马赫 (Heinrich Schumacher) 的评论则是： “这是我所知道的最高贵的理论成就”， 这位舒马赫曾试图帮助勒维耶联络德国及英国的天文学家进行新行星搜索， 可惜那些被他联络到的天文学家无一例外地丧失了机会。 除天文学界外， 欧洲的媒体也迅速报道了这一消息， 并在公众中激起了极大的兴趣。 10 月 5 日 - 新行星发现后的第十天 - 法国科学院每周一次的例行会议几乎成了勒维耶的明星秀， 闻讯而来的民众把科学院的入口挤得水泄不通， 人人争睹勒维耶的巨星风采， 每张嘴巴都在念叨着勒维耶的名字。 甚至连法国国王也被勒维耶的盛名惊动， 亲自聆听了勒维耶对自己发现的介绍。


在这涌动的热潮中， 许多法国民众开始将新行星称为 “勒维耶星”。 提议以发现者的名字命名行星， 这在行星发现史上并非头一遭， 在法国尤其如此。 当年赫歇耳发现的天王星在法国就一度被称为 “赫歇耳星”， 更何况此次发现新行星的首要功臣就是法国人。 这时候， 倒是勒维耶本人很谦虚地提议了一个不同的名字： 奈普顿 (Neptune)， 这是罗马神话中的海洋之神。 这个名字既符合行星命名的神话惯例， 又与新行星在望远镜里呈现的美丽蓝色珠联璧合， 是一个很漂亮的提议[注一]。 不过这一名字尚未得到公认， 连续几天的 “群众运动” 及 “勒维耶星” 的 “黄袍加身” 就使勒维耶的想法产生了变化。 他觉得新行星若果真被命名为 “勒维耶星”， 倒也是一件很幸福的事情。 这样的命名虽有违惯例， 但考虑到此次的情形是如此地独一无二， 勒维耶觉得自己享受一个独一无二的命名也并不为过。 在他的示意下， 巴黎天文台的台长阿拉果公开提议将新行星命名为 “勒维耶星”。 但这一提议终究没能与已成主流的神话命名体系相抗衡， 更何况此时此刻， 一场巨大的风暴已然来临， 小小的命名之争很快就淹没在了惊涛骇浪之中。 等到风浪平息之后， 最终还是海洋之神成为了新行星的名字， 在中文中， 这一行星被称为海王星[注二]。

海王星被发现时的视星等为 8， 虽然超出了肉眼所能辨别的极限， 但在望远镜所能观测的天体中却是比较亮的。 因此与天王星的情形一样， 天文学家们很快就发现海王星其实也早在其被伽勒和达雷斯特发现之前， 就已被反复记录过。 这其中最该痛哭流涕的无疑是查利斯， 在与新行星擦肩而过的所有人中， 他是唯一一位以搜寻新行星为目的， 并且观测到了目标， 却仍失之交臂的人。 悔恨排行榜上的亚军则属于法国天文学家莱兰德 (Michel Lalande)， 此人的 “冤情” 堪比其同胞拉莫尼亚 (参阅 第四节)。 1795 年 5 月 8 日及 5 月 10 日， 莱兰德两次观测到了海王星。 次数虽不算多， 但与拉莫尼亚不同的是， 莱兰德明确注意到了该天体在两天之中的位置变化。 此时此刻， 新行星的发现实已呼之欲出。 但令人难以置信的是， 莱兰德竟鬼使神差般地认定自己 5 月 8 日的观测是不准确的， 而且连进一步的确认及后续观测都没做， 就将这千载难逢的机会拱手送还给了命运女神， 从而创下了行星观测史上最离奇的失误。

在曾经记录过新行星的人之中， 最让人意想不到的则是伽利略。 1979 年， 人们发现这位科学启蒙时代的宗匠竟然早在 1612-1613 年间 - 即不仅比海王星的发现早了两百三十多年， 甚至比天王星的发现还早一百七十多年 - 就至少两次观测到了海王星。 另外值得一提的是， 小赫歇耳曾在 1830 年的一次天文观测中搜索过距离海王星当时的位置只差半度的天区。 小赫歇耳很好地继承了父亲的事业， 当时已成为英国最有声望的天文学家之一。 以他的观测设备及观测水平， 若当时他的观测区域稍稍扩大一点， 就极有可能缔造一段父子双双发现新行星的佳话。 但这样的佳话假如出现， 勒维耶用笔尖发现海王星的更伟大的奇迹将不复存在。 小赫歇耳在给朋友的信中表示， 如果那样的话， 连他自己都将感到遗憾。 这句话也许是心里话， 也许只是一种风度， 但对于对于行星发现史来说， 这句话倒是千真万确的。 海王星以如今这种方式被发现， 实在是行星发现史上最动人的故事。

不过这故事虽然动人， 却也没有后人渲染的那样完美， 这是后话。

十八. 轩然大波

海王星的发现在知道亚当斯工作的一小部分英国天文学家中引起了极大的震动。 发现海王星的消息传到英国时， 艾里正在欧洲大陆度假， 当时在英国的知情人除亚当斯本人外， 主要有两个： 一个是查利斯， 另一个则是小赫歇耳。


小赫歇耳成为知情人的具体时间史学界尚有争议， 传统的说法是他曾在 6 月 29 日皇家天文台的一次会议期间听艾里提到过亚当斯与勒维耶的计算[注三]。 那是艾里极罕见的一次向他人提及亚当斯的名字， 那个消息给小赫歇耳留下了深刻印象。 9 月 10 日， 他在英国科学进步协会的一次演讲中， 将预言海王星的位置比喻为哥伦布从西班牙海岸直接看到美洲[注四]。 当时海王星尚未被发现， 小赫歇耳并未在这番泛泛之语中提及预言者的名字， 不过由于勒维耶的工作早已广为人知， 几乎所有的听众都以为小赫歇耳指的就是勒维耶的预言。 现在海王星已被发现， 勒维耶也已名动天下， 作为英国天文界的领军人物之一， 小赫歇耳不愿坐视英国在这场无形竞争中一败涂地。 10 月 3 日， 他在伦敦的一份周报上发表文章， 公布了亚当斯在整个事件中的角色。 这是这一事件的英国版首次被公开。 小赫歇耳在文章中除了提及亚当斯的结果外， 还表示正是因为知道亚当斯与勒维耶的结果几乎相同， 才使他有足够的信心将预言海王星的位置比喻为哥伦布从西班牙海岸直接看到美洲[注五]。

在除亚当斯本人之外的三位英国知情人中， 小赫歇耳无疑是最没有心理包袱的， 因为他在这一事件中纯粹是旁观者。 与他不同的是， 艾里与查利斯很早就知道了亚当斯的结果， 因此这两人对英国在这一竞争中的落败很难脱得了干系。 尤其是查利斯， 他的疏失对于一位职业天文学家来说堪称是丑闻。 查利斯是 9 月 30 日得知海王星被发现的消息的， 当时他还不知道自己早在一个多月前的 8 月 12 日就曾观测到过海王星， 因此心中尚无愧意。 不仅没有愧意， 他还有苦水要倒。 因为他在 9 月 29 日看到了勒维耶发表的最新计算结果， 那篇文章重新引起了他对新行星的兴趣， 当天晚上， 他恢复了已中断近一个月的搜索， 并且成功地发现了一个有圆面的天体 - 那正是海王星。 可惜没等他有机会复核， 就传来了海王星已被发现的消息。 查利斯觉得自己实在有点冤， 运气也实在有点背， 因此他立即给剑桥的一份刊物写了信， 除提及亚当斯的工作外， 还着重提到自己过去两个月以来一直在从事着早晚会成功的搜索工作， 并在 9 月 29 日事实上独立地发现了海王星。 查利斯的信也发表于 10 月 3 日。

若干天之后， 当查利斯发现自己一个多月前的重大疏失时， 他的自我惋惜才转变为悔恨与惭愧。

10 月 11 日， 艾里回到了英国， 他在 9 月 29 日就得知了海王星被发现的消息。 无论以学术地位还是实际作用而论， 艾里在整个英国版的故事中都处于中枢地位， 他很快也对事件作出了反应。 不过， 他没有诉诸媒体， 而是直接给勒维耶写了信。 在信中艾里告诉勒维耶， 英国方面在他之前就有过完全相同的预言。 虽然艾里表示自己这封信的目的绝不是要抹煞勒维耶的贡献， 并且他也承认英国方面的工作不如勒维耶的工作来得广泛， 但他对 “时间上更早” 及 “结果相同” 这两点的强调， 还是让勒维耶很受伤。

在英国方面的主要当事人中， 唯一未发表声明的是亚当斯本人， 他虽然很沮丧， 但没有参与优先权之争。 相反， 他将精力投入到了利用已经公布的观测数据计算海王星的真实轨道上来， 并于 10 月份完成了计算， 成为最早在直接观测数据之上完成海王星轨道计算的天文学家。

勒维耶收到艾里的来信时， 小赫歇耳和查利斯的文章也几乎同时传到了法国。 这突如其来的三柄利刃让勒维耶既感震惊又觉震怒。 勒维耶的震惊和震怒是有道理的， 艾里在海王星发现之前与他有过多次信件往来， 如果英国方面早就有过与他平行的工作， 艾里为什么早不提晚不提， 偏偏要等到海王星被发现之后才提？ 查利斯的举止更是可疑， 他在刊物上的声明发表之后， 又于 10 月 5 日给不止一位欧洲大陆的天文学家去信， 讲述自己 9 月 29 日发现却没来得及确认海王星的 “祥林嫂” 故事。 而在那些故事中他却只字未提亚当斯的名字， 这不是前后矛盾又是什么？ 至于小赫歇耳， 他竟然声称对勒维耶结果的信心乃是因为其与名不见经传的亚当斯的结果相吻合， 这对勒维耶来说简直太伤自尊了。


来自英国方面的消息不仅激怒了勒维耶， 也激怒了整个法国天文界。 在他们看来， 这分明是英国方面蓄意捏造事实， 企图抢夺荣誉的卑劣行径。 人不可以无耻到这种地步， 法国天文学家们的心里那是相当的愤怒， 他们立即展开了犀利的反击。 10 月 19 日， 巴黎天文台台长阿拉果在巴黎科学院的会议上发表了声援勒维耶， 讨伐艾里、 小赫歇耳及查利斯的檄文。 在这篇檄文中， 阿拉果大量援引了艾里等人写给法国天文学家的信件， 指出其相互矛盾之处， 并痛斥英国人的卑劣企图。 阿拉果在檄文的最后情绪激昂地指出： 在每一双公正的眼睛里， 这一发现都仍将是法国科学院的辉煌成就， 也将是让子孙后代景仰的最高贵的法国荣誉。

阿拉果的檄文发表后， 法国乃至欧洲其他国家的媒体都迅速跟进， 展开了对艾里等人的围剿。 法国的有些报道干脆将这三人称为 “窃星大盗” (考虑到海王星的大小， 这罪名在理论上可比地球上的 “窃国大盗” 大得多)。 更糟糕的是， 阿拉果所引的艾里等人与法国同行的通信一经曝光， 在英国天文学界也引起了轩然大波。 因为艾里与查利斯不仅从未向法国同行们提及过亚当斯的工作， 也向绝大多数英国同行隐瞒了消息。 这一点让许多英国天文学家也感到了愤怒， 这其中有位天文学家叫作辛德 (John Russell Hind)， 他曾在格林威治天文台当过助理。 伽勒发现海王星的消息传到英国后， 他是第一位重复这一发现的英国人。 但在那之前， 他就曾与查利斯讨论过搜索新行星的问题。 倘若查利斯未曾向他隐瞒亚当斯的工作， 他也许早就展开了认真的搜索。 而如果艾里与查利斯及早向英国天文界全面报告亚当斯的工作， 说不定会有更多的英国天文学家投入搜索行动。 不仅如此， 更有人指出， 倘若艾里与查利斯在 1845 年秋天亚当斯的第一轮结果出来之后就认真对待， 则历史说不定早已被改写， 根本就没法国人什么事。 从这个意义上讲， 艾里与查利斯是导致英国天文学界整体失利的罪魁祸首。 某些激进的英国批评者甚至认为艾里有可能与勒维耶串通一气， 出卖了亚当斯的计算。 这种指控当然是无稽之谈， 但艾里与查利斯一度在欧洲大陆及英国本土同时遭到抨击， “猪八戒照镜子，里外不是人”， 则是不争的事实。

艾里等人掀起的这场轩然大波不仅极大地伤害了法国人民的感情， 而且还严重破坏了英国天文学界自身的和谐， 这场风波该如何落幕呢？



注释

   1. 有关这一提议的由来， 赫歇耳在给伽勒的一封信中声称是法国经度局 (The Bureau of Longitude) 的决定， 但法国经度局却否认了这一说法。 人们一般认为， 这一命名是赫歇耳自己的提议， 至多曾与经度局的人有过非正式的交流。
   2. 海王星这一名称直到 1847 年才基本得到公认， 但为了方便起见， 我们在下文讲述 1847 年以前的事件时也将用这一名称来称呼新行星。
   3. 这一细节是艾里于 11 月 13 日在皇家天文学会就海王星事件召开的质询会上回顾这一事件时提供的， 但史学界对此有一定的争议， 因为人们未能查到支持这一说法的文字记录。
   4. 小赫歇耳是否在那次会议上说过那样的话， 也同样因为没有找到可以作证的文字记录， 而有一定的争议。
   5. 我个人觉得奇怪的是： 史料中没有任何有关那段时间小赫歇耳本人从事新行星搜索的记载， 以他的家世背景 (父亲是天王星的发现者)， 如果他真的对亚当斯和勒维耶的共同预言有那么大的信心， 为何没有亲自搜索新行星呢？

十九. 握手言和

在所有针对艾里和查利斯的抨击中， 有一点无疑击中了要害， 那就是在海王星发现之前， 他们在一定程度上隐瞒了亚当斯的工作。 事先隐瞒， 有荣誉时却突然提出， 这使得他们的声明在外人 - 尤其是在法国天文学界 - 眼里有一种为抢夺荣誉而临时炮制的感觉， 成为他们取信于别人的最大障碍。

如果说一开始艾里对亚当斯的工作还只是忽略而非隐瞒， 那么在他得知了勒维耶的工作 (详见 第十三节) 之后， 这样的理由就不大说得通了。 很多人认为， 艾里和查利斯存了将发现海王星的荣誉留给剑桥的私心， 从而有意向同行们隐瞒了亚当斯的工作。 这一看法虽从未得到艾里和查利斯的承认， 但应该说有一定的合理性[注一]。 艾里本人的说法， 则是坚称他自始至终就不曾对亚当斯的工作有足够的重视， 即便后来因了解了勒维耶的工作而意识到其结果很可能是正确的， 也由于该结果并未正式发表而鲜有提及。 但无论出于何种原因， 法国方面以此为由全面否认英国方面的声明， 甚至认为亚当斯的工作是子虚乌有的骗局， 显然是有欠冷静的。

如果要盘点一下在发现海王星的过程中英国方面几位当事人的个人过失， 那么查利斯显然有着极大的过失。 作为一位职业天文学家兼天文台台长， 在比对观测数据时如此草率， 无论如何是说不过去的。 这一点， 连他的英国同行们也嗤之以鼻， 后来有评论者尖刻地嘲讽道： 查利斯是不朽的——他因失败而不朽。

另一方面， 艾里虽也饱受抨击， 但平心而论， 他前前后后的行为倒是都有说得通的理由。 比方说亚当斯 1845 年秋天吃到的几次闭门羹就不能怪艾里， 因为亚当斯并未预约。 有人也许会对亚当斯第三次登门时艾里正在吃午饭一事感到奇怪， 因为当时已是下午四点， 但这个古怪的午饭时间却是艾里医生的要求。 而艾里看到亚当斯留下的计算结果后隔了两个星期才回复， 则是两个因素的共同结果： 一是他的妻子即将生第九个小孩 (姜昆和李文华的相声说得好： 多子女的坏处， 就是个人受罪、 国家受累)； 二是他手下有位职员正好卷入了一桩谋杀丑闻的调查之中。 任何人同时碰到这样的家事和公事， 恐怕都难免会受到影响。 至于他在自己信中所提的天王星轨道径向偏差问题被亚当斯搁置后， 不再关注对方， 则更是合理的反应。

最后， 亚当斯作为这一事件中唯一保持低调的当事人[注二]， 虽然得到了英国同行的普遍嘉许， 但他没有循正式途径发表自己的计算， 无论是因为信心不足， 还是为了精益求精， 对后来的风波都有直接的负面影响 - 虽然人们很难拿这一点来批评他。



令人欣慰的是， 有关海王星发现的这场轩然大波， 在短短几个月之后就在学术界平息了下来。 这其中小赫歇耳在遭受法国方面猛烈攻击的情况下坚持斡旋， 并用华丽的文字对勒维耶进行安抚， 以及艾里在度过了对法国方面公布其私人信件的短暂愤怒期之后采取的克制态度， 都起了不小的作用。 而英国皇家学会也在这场风波中显示出了非比寻常的气度， 将 1846 年的考普雷奖授予了勒维耶。 六十五年前， 发现天王星的赫歇耳所获得的第一个崇高荣誉就是考普雷奖， 而此时亚当斯尚未获奖， 皇家学会就把奖项授予了勒维耶， 而且还在获奖理由中称勒维耶的工作是 “现代分析应用于牛顿引力理论的最令人自豪的成就之一”， 这对勒维耶无疑是极大的安抚[注三]。 英国人向来珍视自己的荣誉， 这回却将最高荣誉授予了法国方面的竞争者， 但英国皇家学会通过这一行为表现出的泱泱气度又何尝不是一种荣誉呢？

当然， 争论的最终平息还要部分归功于亚当斯的论文。 他的论文发表后赢得了一片赞许， 很多人 (不光是英国人) 甚至认为他的方法在数学上比勒维耶的更为优美。 法国学术界也最终承认了亚当斯的才华[注四]。 1847 年 6 月， 亚当斯和勒维耶在英国科学进步协会的一次会议上首度相遇。 两人用亲切的交谈开始了他们终生的友谊， 也打消了人们对他们会面的担忧。 这正是： 度尽劫波兄弟在， 相逢一笑泯恩仇。

优先权之争的落幕， 也终结了勒维耶用自己名字命名海王星的短暂打算。 因为这一打算不仅有违行星命名的传统， 也与天文学界好不容易达成的亚当斯与勒维耶共享荣誉的共识相违背。

亚当斯与勒维耶这两位当年曾为了请人观测新行星而四处奔走的天体力学高手， 后来都亲自担任了天文台的台长： 勒维耶于 1854 年接替去世的阿拉果担任了巴黎天文台的台长， 亚当斯则于 1861 年接替离职的查利斯成为了剑桥天文台的台长。 不过他们两位在天文台台长的位置上干得并不出色， 亚当斯基本上是把观测事务全都推给了资深助理， 勒维耶则不仅同样疏于观测 (有人认为他甚至从未在望远镜里看过一眼让他名垂青史的海王星)， 而且还因与下属关系恶劣而一度下岗。 亚当斯后来两度担任皇家天文学会的主席， 在那期间， 他亲自向达雷斯特 (即与伽勒一起发现海王星的那位学生， 他的贡献曾被很多人忽视) 和勒维耶颁发过奖项。 不过他颁给勒维耶的奖项 - 如我们在后文中将会提到 - 却是一个乌龙奖项。

海王星事件落幕后， 艾里将他手中有关这一事件的信件及其它资料存入了格林威治天文台的档案之中。 这些档案被后人称为 “海王星档案” (Neptune Files)。 出人意料的是， 这些档案在一个半世纪之后又重新掀起了一场风波。

二十. 秘密档案

海王星的发现在科学界引起了极大的轰动。 自那以来， 这一发现一直被视为天体力学最辉煌的成就， 就象亚当斯与勒维耶的同时代人曾经赞许过的那样。 但是， 过于夺目的历史光环却也掩盖了这一成就背后的不完美性， 以至于后世的很多文章过分渲染了海王星位置与勒维耶的预言相差不到 1° 这一辉煌之处， 却忽略了计算结果中那些与观测不那么相符的地方。

我们在 第十八节 中曾经提到， 在海王星被发现之后， 亚当斯是第一个利用实际观测数据对其轨道进行计算的天文学家。 亚当斯的计算表明， 海王星轨道的半长径只有 30.05 天文单位 (现代观测值为 30.06 天文单位)。 稍后， 海王星的质量也得到了较为准确的测定， 结果表明其质量与天王星几乎相同。 将这些结果与亚当斯及勒维耶的计算相比较， 不难看到彼此间存在不小的差距。 亚当斯的两次计算所采用的天王星轨道半长径分别为 38.4 和 37.3 天文单位； 勒维耶的两次计算所采用的轨道半长径则分别为 38.4 和 36.2 天文单位， 均显著大于实际值。 而且， 除勒维耶的第一次计算采用了圆轨道外， 亚当斯和勒维耶所采用的轨道椭率均在 0.1 以上， 比实际值 (约为 0.011) 大了一个数量级。 此外， 亚当斯和勒维耶所采用的海王星质量为天王星质量的 2 到 3 倍， 远远高于实际值。 因此， 亚当斯和勒维耶的计算无论在天体质量， 还是轨道参数上都存在较大的误差。 不过幸运的是， 对海王星质量的高估， 与对其轨道半长径的高估造成的影响在一定程度上得到了抵消， 从而大大增加了亚当斯和勒维耶的计算与真实情形的接近程度。 但即便如此， 后来的分析表明， 在海王星长达 165 年的漫长公转周期中， 亚当斯和勒维耶的计算只在其中十余年的时间里才是真实轨道的良好近似， 而 1840-1850 年恰好就是这幸运的十年。 从这个意义上讲， 海王星的发现虽然是一个伟大的天体力学成就， 但它在离计算值如此之近的地方被发现却有一定的偶然性[注五]。

海王星的发现过程是动人心魄的， 就连对这一发现过程所做的历史研究也充满了奇峰突起的意外篇章。 海王星事件的落幕虽快， 却落得并不彻底。 一个多世纪以来， 一直有人对事件的真相存有疑虑， 尤其是对英国方面的说法感到怀疑。 终于， 这段暗流涌动的历史在相隔一个半世纪后的二十世纪九十年代末又掀起了一阵新的波澜。



我们在 上一节 的末尾曾经提到， 海王星事件落幕之后， 艾里将后来被称为 “海王星档案” 的一批资料存入了格林威治天文台的档案之中。 这些海王星档案在此后一个多世纪的时间里一直处于秘密保存状态， 直到二战后的 1956 年， 才随着格林威治天文台的搬迁而重现天日。 但颇为离奇的是， 这些档案露面后不久就重新失去了踪影。 1969 年， 海王星研究者罗林斯 (Dennis Rawlins) 在试图查阅海王星档案时， 被告知这些档案已不知去向。 海王星档案的下落从此成为了一个谜， 有人甚至认为这些档案的失踪， 乃是英国方面刻意掩盖历史真相的手段。

几十年的时光悄然流逝， 海王星档案依旧杳无踪影。 1998 年， 这些档案的昔日藏身之地， 有着 323 年辉煌历史的格林威治天文台因为经费方面的原因而走到了关闭的边缘。 世事的变迁似已让这悬案变得越来越没希望了， 但就在这 “山重水复疑无路” 的时候， 事情出现了意想不到的转机。 1998 年 10 月 8 日， 作为关闭工程的一部分， 工人们正准备拆除格林威治天文台的电话线， 这时候资深档案管理员珀金斯 (Adam Perkins) 接到了一个来自遥远的南半球国家智利的电话。 电话是从位于智利拉塞里纳 (La Serena) 的塞罗托洛洛天文台 (Cerro Tololo Observatory) 打来的。 在电话中， 珀金斯听到了一个让人几乎不敢相信的消息： 失踪了几十年的海王星档案在刚刚去世的恒星天文学家艾根 (Olin Eggen) 的遗物中被发现了！

原来， 有藏书癖好的艾根在二十世纪六十年代中期利用其在格林威治天文台工作的机会， 窃取了包括海王星档案在内的重达百余公斤的档案[注六]。

海王星档案的失而复得很快就在史学界掀起了一场新的波澜。 有些人在对那些档案进行研究后， 提出了一个惊人的观点， 即艾里、 查利斯、 小赫歇耳、 亚当斯等人当年讲述的英国版故事是不真实的， 亚当斯在对海王星的预言上不应该享有与勒维耶同等的荣誉。 这其中最主要的一位， 是一度有过伦敦大学学院荣誉研究员头衔的英国人科勒斯特姆 (Nick Kollerstrom)。 2001 年， 科勒斯特姆通过互联网披露了海王星档案的部分内容， 并对艾里等人当年的说法提出了全方位的质疑。 2003 年 7 月及 2004 年 12 月， 美国的两份颇具影响力的主流科普杂志《天空和望远镜》(Sky & Telescope) 及《科学美国人》(Scientific American) 先后刊文介绍了科勒斯特姆的质疑， 并且所取标题颇为惊人。 《天空和望远镜》的标题为： “秘密档案改写海王星的发现”；《科学美国人》的标题则是： “被盗行星之案”。 很多其它媒体也引述或转述了科勒斯特姆的观点， 他的正式论文则发表在了 2006 年 3 月出版的英国学术季刊《科学史》 (History of Science) 上。

一时间海王星的发现史似乎重新陷入了重重迷雾之中， 英国人真的 “盗窃” 了海王星， 历史真的要被改写吗？



注释

   1. 如我们在 第十五节 中所说， 仅凭勒维耶的计算， 多数天文学家采取的只是观望态度。 因此知道亚当斯的结果在很大程度上可以算是 “剑桥帮” 的秘密武器。 不过这一看法无法解释艾里为何曾向小赫歇耳等少数同事提及过亚当斯与勒维耶的计算 (小赫歇耳虽也曾就读于剑桥， 但他并不在剑桥天文台从事观测， 应该与艾里设想的剑桥故事没有关系)， 并明确提出了存在近期内依据这些计算发现海王星的可能性 (参阅 第十三节)。
   2. 后来有人对亚当斯是否真的是一位 "timid" (害羞) 或 "modest" (谦虚) 的人提出了异议。 但无可否认的是， 亚当斯即便在成名之后仍相当低调。 他一生谢绝过两次巨大的荣誉： 一次是 1847 年， 在小赫歇耳等人的推荐下， 维多利亚女王决定授予他爵士头衔， 那是牛顿曾经获得过的头衔； 另一次则是 1881 年艾里退休时， 他受到推选接替艾里的位置 - 那是英国天文学界最尊崇的位置。 找遍全英国， 恐怕也找不出第二位谢绝这两项荣誉的人。
   3. 两年后， 即 1848 年， 亚当斯也获得了考普雷奖。
   4. 与勒维耶不同的是， 亚当斯的计算细节从未被全部发表， 并且他的计算草稿也从未被全部找到。 这使得一直有人对亚当斯的工作存有疑虑。 不过依据曾经公布过的资料， 后人已基本复现了亚当斯的计算方法。
   5. 在后文讲述完冥王星的发现后， 我们还会再次谈及这一问题。
   6. 按格林威治天文台后来的说法， 档案不是被盗， 而是被艾根 “借” 走了。 在艾根去世前， 有人曾怀疑是他带走了海王星档案， 但他一直予以否认。