小人物“揪”出大行星

—— 万有引力发现之后(一)
作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-05-23

海王星的发现,是科学界运用万有引力定律的最辉煌的胜利。促成这个胜利的两个小人物,经过不懈努力,也成长为举世闻名的大人物。

  话说牛顿受一只砸在头上的苹果启发,发现万有引力定律后,科学界为之震动。全世界的科学爱好者们都忙碌起来,有的千方百计证明万有引力定律的合理性,有的则运用它进行科学研究,连名不见经传的大学生也加入其中……

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  “亲爱的艾利先生,我写这封信的目的有两个:一是您提出的‘之所以天王星的实际轨道与万有引力计算轨道不一致,是因为受到未知行星引力的影响’这个观点,我表示赞同;二是结合万有引力定律,经过‘逆摄动推测,我发现天王星外围有一颗未知行星围绕太阳转。希望贵台能根据我提供的结果搜寻这颗未知行星……”公元1845年9月的一天,在英国格林威治天文台的台长办公室里,时任台长的艾利随手撕开一封信。信封上显示的寄信人是剑桥大学天文学教授查里斯。

  艾利台长读完信,看到落款人是“亚当斯”时,他露出不屑的表情,自言自语道:“这亚当斯真不靠谱,连推算的过程都没写,我凭什么安排人手去搜寻未知行星?亏我还给他提供天王星的观测数据!”

  给艾利台长写信的亚当斯(注一),本是剑桥大学的学生。公元1841年,他偶然间读到艾利台长的报告,上面称,科学界没有必要怀疑万有引力定律正确性,目前要做的是,抓紧找到那影响天王星运动轨迹的行星。亚当斯当时暗暗立志,要攻克这一难题。公元1843年,他本科毕业留校任教,通过同事查里斯向艾利台长请求参阅格林威治天文台的天王星观测数据。拿到数据后,亚当斯潜心研究两年,终于通过“逆摄动”推出未知行星的运动轨迹。兴奋之余,他写了一封信,托查里斯转交给艾利台长。

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约翰·柯西·亚当斯(网络图)

  亚当斯信中提到的“逆摄动”,是针对“摄动”而言的。天文学的上“摄动”即是指根据万有引力定律,通过已知大行星的轨迹,计算出对临近行星的运行干扰“逆摄动”则是指通过已知大行星受到的“摄动”推算出未知行星的轨迹。当时,世界上能正确进行“逆摄动”推算的科学家聊聊无几。这就是艾利台长认为亚当斯不靠谱的真正原因。

  尽管艾利台长认为亚当斯只是一个小人物,但出于礼貌,他还是给查里斯简单回了一封信,希望见见亚当斯,当面询问相关情况。

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  话说亚当斯收到回信后,精心准备了一番,于10月下旬两次拜访艾利台长。可惜艾利台长一次在开会,一次出差。无奈之下,亚当斯留下一张列有计算结果的便条:未知行星与太阳的平均距离为28个天文单位(1个天文单位即为地球与太阳的平均距离);1845年101日的位置为黄经32334(注二)

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  天球模拟图,其中东西向曲线为黄经(来源:科普博客)

  艾利台长回到办公室,收到亚当斯的便条后,非常气恼,因为条上并没有他想要的计算过程。于是,他草拟了一封信给查里斯,向亚当斯索要计算过程。可惜由于种种原因,亚当斯并没有回信。此事遂不了了之。幸运的是,艾利台长没有扔掉那张便条,而是把它放进文件袋里。这张便条一直保存到现在,成为天文史上的珍贵文物。

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  当亚当斯第一次拜访艾利台长未果的时候,在离英国不远的法国巴黎,一个名不见经传的人小物,刚发表了一篇关于未知行星对天王星“摄动”影响的论文。此人是巴黎综合理工学院的教授,名叫勒维耶(注三)。他在论文中推算出土星和木星对天王星的摄动影响,并明确表示这两颗大行星都不足以解释天王星的轨道偏离

约瑟夫·勒维耶画像(网络图)

  见论文没多大影响,勒维耶于又1846年6发表了另一篇论文,文中估算出未知行星的大致位置。命运给了艾利台长第二次扬名于世的机会。因为他有幸读到了勒维耶的论文。联想到亚当斯去年的来信,艾利台长认为有必要在天空中搜寻这颗未知行星。考虑到自己视力不佳,不便进行天文研究,他便委托查里斯在剑桥天文台进行秘密观测。查里斯根据亚当斯的结果进行观测,但一无所获,选择放弃。

  与此同时,勒维耶公开发表了第三篇论文,文中除了预测未知行星的质量、亮度和更精确的位置外,还大力呼吁天文学家据此寻找它。可惜,没人理睬。情急之下,勒维耶想起一位见过几次面的德国天文台助理伽勒(注四)。于是,他给伽勒写了一封信。信中开门见山地说,最近在黄经325度区域,将会发现太阳系第八颗大行星,你要抓紧观测云云。

  9月23晚上,收到信件的伽勒亲自用天文望远镜进行观测,助手德莱斯特则在一旁核对星图黄经32590分处,离太阳约21个天文单位的地方,一颗亮度8等的星(注五)”大约两小时后,伽勒在望远镜下面说。“那颗星不在星图上!”德莱斯特大叫道。于是,伽勒让助手来观测,自己核对星图。接下来两天晚上,他们继续观测,确认了前一天的观测结果。伽勒在报告中详细记录了观测的过程,并把报告副本寄给了勒维耶

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  伽勒画像(网络图)

  欣喜若狂的,当即把来信制成多个副本,寄给包括艾利台长在内的一些天文学家,并在信中将新发现的大行星命名为海王星

  收到信件的利台长大吃一惊,随即陷入深深的悔之中。他翻出亚当斯当年留下的便条,与的报告进行对比,发现:亚当斯的计算结果几乎与真实位置准确无误

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勒维耶和亚当斯推算的海王星轨道的比较(网络图)

  “我错失了首先发现海王星的良机”沮丧之余,艾利台长向法国科学院寄去那张便条的副本及相关收信记录。后来,法国科学院回信问,你们既然先发现了,为什么不发表成论文,或者公开资料呢。再后来,关于海王星发现的故事,在英法两国余波荡漾,国际间的舆论最终迫使勒维耶接受亚当斯也是海王星共同的发现者。

  作为题外话的是,海王星的发现,是科学界运用万有引力定律的最辉煌的胜利。促成这个胜利的两个小人物,经过不懈努力,终于成长为举世闻名的大人物:亚当斯1851年当选为英国皇家天文学会会长,1861年任剑桥天文台台长勒维耶1868和1876年英国皇家天文学会金质奖章,其名字被刻在埃菲尔铁塔上,为世人所瞻仰。

太阳系八大行星(网络图)

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  【备注】

  注一:约翰·柯西·亚当斯1819.6.5-1892.1.21),英国天文学家曾任圣安德鲁斯大学、剑桥大学教授。精通数学、天体力学。与勒威耶同时用数学方法推算出当时尚未发现的海王星位置,并研究了地球磁场和狮子座流星群的轨道。

  注二:黄经,即太阳经度或天球经度如地理学家用经度和纬度标记地球位置一样,天文学家用黄经和黄纬标记天球位置。天文学等领域中,天球是一个想象的旋转的球,理论上具有无限大的半径,与地球同心。

  注三:奥本·尚·约瑟夫·勒维耶(1811.3.11-1877.9.23),数学家、天文学家。由于计算出海王星的轨道,柏林天文台的德国天文学家伽勒由此观测到了海王星。海王星的一个环以勒维耶的名字命名。

  注四:伽勒(1812.6.91910),德国天文学家。1830年进入柏林大学学习天文学。1845年获得博士学位。曾任柏林天文台台长、布鲁斯劳大学天文学教授。其主要成就是首先实地观测到了海王星,并且证实了它是一颗新行星。

  注五:星星的亮度,即星等,人们将肉眼能看见地星星分为6等;每相差1等,亮度相差2.512倍。星等值越小,星星就越亮。比6等星更暗的星星,如7、8,要用天文望远镜才能看见。太阳是-26.7等星。 

  【参考资料】

        1、 论文《海王星的发现》,年骏著。

        2、 论文《海王星的发现》,王渝生著。

        3、 《科学史上著名公案——谁是海王星的真正发现者》,方舟子著,《飞碟探索》(200901期)。

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