追捕祝融星:爱因斯坦如何摧毁了一颗行星(河马老师高爽翻译并撰写导读,一颗不存在的行星,一场五十年的猎星传奇!)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:托马斯·利文森

出版社:民主与建设出版社

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追捕祝融星:爱因斯坦如何摧毁了一颗行星(河马老师高爽翻译并撰写导读,一颗不存在的行星,一场五十年的猎星传奇!)

追捕祝融星:爱因斯坦如何摧毁了一颗行星(河马老师高爽翻译并撰写导读,一颗不存在的行星,一场五十年的猎星传奇!)试读:

译者导读

科学的历史,毫无疑问是人类历史的组成部分。

但科学史作为特定类型的专门史,在历史学专业的本科教育乃至研究生课程中,所占比例极少。有关科学史的教育和研究,反倒是哲学专业感兴趣的主题。这样的事实意味着,科学的历史与社会史、政治史、科学研究本身,都有着显著的差别,对科学史的理解往往需要借助人与自然的关系、人类的认知模式、知识和学习的方法等哲学内容。

通俗地说,我们今天对这个世界和我们自身的理解,构成我们常说的三观;而三观的形成和变化,很大程度上是科学发展促成的,这一点在有文字记载的历史阶段尤为明显。结构稳固而转动精密的仪器让人类获得了优质的行星位置数据,严谨完备的数据推理出了行星运动的定律(所以自然应该符合秩序),定律所描述的椭圆轨道和太阳位置打破了根深蒂固的地心说传统(所以运动才是主旋律),望远镜的光学能力再次给人类呈现前所未见的宇宙深处(所以我们未知的远远超过已知的)……在本书所讲述的故事发生之前,人类已经凭借着天文学的进步一次又一次地革新了自己的三观。在此基础上,伟大的牛顿登上舞台,为人类带来了最耀眼的光芒。是牛顿的光,让人类可以用简单的数学公式描绘宇宙的规则。从我们身边的一颗苹果,到遥远的哈雷彗星,这一切物体的运动过程都可以被我们掌握,而领会这些知识并不十分困难。在今天的中国教育体系里,17岁的少年应该已经掌握了三大定律和万有引力定律的基本概念,并将其应用于常见环境的计算中。高考物理试卷上全是这样的题目。

你看,人类记忆中的科学和三观按理说是充满了变革的。人类(社会)不会因此养成盼望变革、接纳变革的习惯吗?本书试图用非虚构写作的方式,讲述历史细节,从而回答这个问题。恰恰和大部分人的想象相反,科学界(以天文学和物理学为代表)可能是人类社会中最保守、最不愿意接受变革的群体。

2017年8月22日,美国境内可以观测到日全食。国内不乏自费前往观测的天文爱好者,其中也有不少人计划借此机会重复一项历史上著名的科学实验。这项实验,曾经刷新了人们对时空观念的认识,也塑造了今天人们对科学本质的理解,这一实验的影响范围甚广。在介绍近代以来的物理学、天文学发展史的资料中,在入门的教科书上,总能见到这个实验。本书是科学史非虚构写作的优秀作品,自然不可能对如此重要的实验视而不见。实际上,作者正是用这个实验给全书画了句号。

在我们心目中,早已习惯科学故事具有这样一种框架:伟大的科学家提出了革命性的新思想,没有人接纳他;个别的英雄单枪匹马突破封锁,终于验证了这一切。人们最终接纳了新思想,战胜了传统的束缚。

但事实,是这样简单吗?实验已经过去了100年,争吵却没有停止。前 言1915年11月18日,柏林

一个从西郊来的男人正在赶路,他的目的地是城中心。这个男人的头发通常总有一些蓬乱(这头蓬乱的头发未来将和他本人一样出名),但今天却因为一场公开讲座而被收拾得相当服帖。他走上菩提树下大街,这条大街穿过勃兰登堡门,向东一直延伸到施普雷河。他径直走进菩提树下大街8号,这里通往普鲁士科学院。

这是一战打响后的第二年,秋天的一个星期四。科学院的成员们赶来聆听一场学术讲座。这个系列讲座一共有四场,这一天进行的是第三场。这个系列讲座的主讲人是他们的一位新同事,这位尚年轻的男子走到房间前方,掏出他的笔记——仅仅是几页稿纸,就开始了演讲。

这位年轻人便是阿尔伯特·爱因斯坦,当天的演讲以及随后一周进行的又一次演讲,成就了这位20世纪最伟大的天才。我们现在把他的这些思想称为广义相对论:这是关于引力的理论,也是宇宙学的基础。宇宙学是把宇宙作为一个整体,研究它的诞生和演化的学科。爱因斯坦的结果标志着孤独思考者的胜利:他战胜了同行的偏见与怀疑,也超越了历史上最著名的科学家,艾萨克·牛顿爵士。

虽然爱因斯坦的理论横扫一切,但在18日那天的演讲中,他只重点讲了一个小东西:水星。这是当时已知的最小行星。具体说来,他讲的是水星轨道原因不明的微小异常——科学家观测到水星的轨道不太稳定。但是直到爱因斯坦的演讲之前,关于水星轨道的异常现象,科学家一直没有合理的解释。

到1915年为止,水星这种不安分的行为已经被发现了六十余年了。在这期间,天文学家在探索水星古怪行为的道路上越走越远。一切工作都建立在牛顿引力理论的经典框架内(这是科学革命最伟大的胜利),对此最早、看上去也最明显的解释是,在太阳的烈焰附近隐藏着一颗全新的行星,它产生了足够大的引力,使水星偏离了“正确”的轨道。

行星由于受到干扰而偏离轨道是个完全合理的假设。事实上,的确存在这样的先例,最初看起来不合逻辑,但最终被证明是正确的。随着水星轨道问题变得众所周知,业余爱好者和职业天文学家都热衷于在太阳的光芒中探寻和辨认这颗“潜伏”着的行星。在二十多年的时间里,它被反复发现了十多回。人们计算了它的轨道,根据古老记录中无法解释的天象还原了它的历史,甚至还赋予了它名字:祝融星①(Vulcan)。

然而,唯一的问题是:

这颗行星,从来都不存在。

本书讲述了祝融星的故事:它的身世、诞生,它在热切的追捕者眼中古怪而又难以捉摸的经历,它被打入炼狱的日子,以及最终在1915年11月18日命定爱因斯坦之手。

初见之下,这似乎有些许讽刺,似乎这是一个关于19世纪天文学家的愚蠢和维多利亚时代的绅士们执着地追逐一个谬误的故事。但祝融星的故事绝不只是一场荒唐可笑的事件,它有着更深刻的内涵。它触及了科学发展的真正核心,与我们在学校里学到的全然不同。

理解物质世界是一项艰巨的事业,它带来一个关键问题:如果某些观测现象不能用人类现有的知识体系加以解释,我们该何去何从?标准答案是:我们需要修正科学理论以解释那些新的事实。毕竟,科学才是精确认识事物的唯一利器。所有的科学结论,即便是那些最受人们欢迎的,最终都将接受事实的检验。在人们对科学方法的常见描述中,任何有悖于实证结果的理论都是站不住脚的,人们需要建立新的理论来解释这些实证结果。

但是人们难以改变已经根深蒂固的理论观念,牛顿理论便是典型的例子。数十年里,传统的引力理论如此强大,以至于观测者们冒着视网膜被烧穿的危险、前仆后继地在太阳附近寻找祝融星。并且,仅仅是水星轨道异常这样与流行科学图景相反的事实,还不足以撼动牛顿理论的大厦。纵观人们对祝融星的探索历史便能发现,如果不是在极度紧迫或者存在另一种“替补”理论的情况下,没有人会心甘情愿地放弃强大、优美,或者仅仅只是熟悉且实用的理论概念。

在一战爆发后,第二年11月的第三个星期四,爱因斯坦终结了祝融星的历史。为了提出这个全新的引力图景,爱因斯坦花费了近十年光阴。在新图景中,物质和能量告诉空间和时间如何弯曲,而空间和时间告诉物质和能量如何运动。在那个星期四下午,爱因斯坦向同事展示了他的证明:考虑相对论效应后,水星貌似“偏离”,实则遵循它的自然轨道。这个结果在经过一系列的数学推理后浮现出来,是客观事物服从于数学的完美结果。

在此背景下,祝融星成为广义相对论的第一个测试对象,它的命运决定了爱因斯坦的理论是否真正洞察了我们这个宇宙的某些运行方式。但要做到这一点,也就是通过古怪的广义相对论来预测祝融星的命运,需要大胆而又精细的推理:爱因斯坦奋斗了八年多才了结了这颗幽灵之星。这一部分故事充分展现了一个思考者需要具备多强的能力,才可以在前人的智慧之上独自做出伟大的发现。

通常,爱因斯坦是一个相当冷静的人,但在这一件事上,他极为激动。他告诉朋友,当完成水星轨道计算、看到正确的数字出现在一长串单纯的推理之后,发现自己的方程轻而易举地就解决了水星的运动问题时,他整个人仿佛被击中了。他感到心跳加速:“好像有什么东西从身体里迸发出来。”

祝融星早已成为过去,几乎完全被今人遗忘。从今天看来,那可能只是科学界的花边新闻,是我们的先辈犯过的又一个错误,而我们现在对它有了更深的理解。但对于如何面对科学中的失败这一问题,在科学革命甫一开始便很棘手,至今依然如此。我们或许,也的确比古人知道得更多,但并不能因此就免于落入思维的窠臼和想象的瓶颈,也不能避免前人的错误。人类具有发现和自我欺骗的双重能力,祝融星的故事就是这样的一个例子。它提供了一个机会,告诉我们认识真实的自然界有多么不容易,改变固有的观念是多么困难。

摒弃经验,拥抱新知。当我们这样做的时候,这便是一个越发有趣的传奇。

注释①伏尔甘(Vulcan)为希腊神话中的火神。中国上古神话中,火神的名字为祝融。因此,中文将其译为“祝融星”。——译注第一部分从牛顿到海王星(1682—1846年)第1章“牢不可破的世界秩序”1684年8月,剑桥

埃德蒙·哈雷(Edmond Halley)刚刚经历了一个悲伤而又焦躁的春天。3月,他的父亲失踪了。在斯图亚特王朝统治的最后几年中,政局混乱,这算不上多么稀奇的事。哈雷的父亲在五个星期之后被发现,当时已经死亡,也没有留下任何遗言。在接下来的几个月里,年轻的哈雷不得不处理麻烦的后事:教区牧师欠他父亲12英镑;作为房地产交易费用的一部分,每年要付给一位女士3英镑;还要收租、安抚托管人。这些痛苦的差事几乎耗费了哈雷整个夏天。最后,他还必须跑到剑桥镇,当面处理一些在伦敦理不清的细节。

这趟旅行起初没有什么快乐可言,但交代清楚那些法律事务之后,意想不到的好运找上了他。早在1月,哈雷遭遇这些变故之前,他巧妙地对天体进行了分析,计算表明,驱使行星围绕太阳运行的作用力满足这样一种性质:力的大小与它们到太阳的距离的平方成反比。但紧接着问题就来了,这个被称为平方反比定律的数学表达,可以解释我们观测到的所有行星的运动轨道吗?

这看起来只是个技术问题,但欧洲最聪明的头脑意识到,它将带来一场变革。平方反比定律的确成了科学革命的高潮,在那场漫长的斗争中,数学取代拉丁语成为科学的语言。1684年1月14日,哈雷和两位老友在一次皇家学会会议之后聊了起来。这两位分别是博学的罗伯特·胡克(Robert Hooke)和皇家学会前任主席克里斯托弗·雷恩(Christopher Wren)爵士。当他们把话题转到天文学的时候,胡克宣称他已经得出了指导宇宙万物运动的平方反比定律。雷恩不相信他,因此用一本在今天价值300美元的书作为赌注:哈雷和胡克之中,如果谁能在两个月之内给出这一定律的严格证明,谁就能得到这本书。哈雷很快就承认无法做到,而胡克尽管虚张声势,却也没能在雷恩的截止日期之前提供书面的证明。

事情就卡在了这里,直到哈雷与亲属一起料理完父亲的后事。当时,哈雷就在伦敦东边的剑桥—为什么不顺路去剑桥大学呢?在那里至少可以享受一下午讨论自然哲学的乐趣,缓解之前的悲伤与烦躁。哈雷走入圣三一学院,大门的左侧是学院广场,右侧的楼梯把哈雷领到一个房间。在这里面的,正是卢卡斯数学教授——艾萨克·牛顿。

对牛顿的大部分同时代人来说,1684年的夏天是一个谜。伦敦的自然哲学家们往往视牛顿为智慧非凡的圣人,但哈雷是牛顿为数不多的熟识的人,更是他寥寥无几的朋友之一。关于牛顿工作的公开记录非常稀有。他的名望基于少数几个杰出的研究结果,这些成果大部分都体现在17世纪70年代初他写给皇家学会秘书的信件中。牛顿暴躁、骄傲,动辄就生气,还记仇。早年间,他与胡克的纠纷让他不愿意再冒险进行烦人的公开辩论;往后的10年间,他的大部分研究成果都没有公开。因此,正如为他立传的传记作家理查德·韦斯特福尔(Richard Westfall)所言,如果牛顿死于1684年的春天,那他为人们所记住的将是他非凡的天赋和古怪的性格,仅此而已。但那些到三一学院巨庭(Great Court)东北角房间访问的人却会发现,这里有一颗热情的、整个欧洲都无人能与之匹敌的头脑。

上流社会的肖像画家内勒(Godfrey Kneller)于1689年为牛顿绘的肖像,这是已知最早的牛顿肖像

埃德蒙·哈雷,由穆雷(Thomas Murray)绘于《原理》出版期间

很久之后,牛顿同另一位朋友提到那个夏天哈雷到访的故事。如果老年牛顿的记忆还不错的话,他当时和哈雷寒暄了好一阵。但最终,哈雷抛出了从1月开始就困扰自己的问题:平方反比会产生什么结果?“假设行星指向太阳的引力与它到太阳的距离的平方成反比”,那么行星的轨道曲线会是什么形状?“椭圆。”牛顿立即回答道。

哈雷“简直呆住了”,他问牛顿为何如此确定。“我计算过。”牛顿回答道。当哈雷要求看一看手稿的时候,牛顿在自己的笔记中翻找起来。但那一天,牛顿表示他没能找到那份笔记。他答应找到之后马上把结果寄给在伦敦的哈雷。几乎可以肯定的是,牛顿当时有所隐瞒。相关的计算后来在他的论文里被发现。当哈雷急切地在房间里等待的时候,牛顿其实可能已经意识到,他原来的设想有错误。

没关系。牛顿重新进行了计算,并且加紧努力。11月,他将满满9页的数学推导寄给了哈雷,标题是《论物体在轨道上的运动》(De motu corporum in gyrum)。这篇论文证明了人们后来熟知的“牛顿万有引力定律”(平方反比关系)。该定律要求,在特定的情况下,天体围绕另一天体运动的轨迹必须是椭圆,太阳系中行星的轨道就是这样。此外,牛顿还进一步地勾画了一般的运动学雏形:一组定律横空出世,它们描述了宇宙万物的运动行为——何时、何地、如何运动。

这9页纸的内容超越了哈雷最初的期待。他读完后立刻明白了这其中更为深刻的意义:牛顿不仅仅解决了行星动力学中的一个问题,他还勾画出更加宏伟的图景——宇宙万物运动的新科学。

牛顿抓住了面前的机会。他是出了名的沉默寡言的人,甚至到了神秘的地步——最近十多年几乎没发表过任何东西。但这一次,他在哈雷的鼓励下“投降”了,开始著书,明确地向世人讲述自己掌握的知识。在接下来的三年里,牛顿基于量化的物理定律发展了一套描述自然的方法,并将这些思想应用于一系列运动问题。完成书的前两部分后,牛顿将手稿交给哈雷。他知道,这将是一本划时代的书。哈雷当仁不让地肩负起了双重责任:一方面整理牛顿密密麻麻的数学内容准备付印,另一方面不断地激励牛顿继续写作。1687年,哈雷收到了牛顿寄来的第三部分,也是著作的终卷,他毫不谦虚(但很准确)地将这部分命名为《论宇宙的体系》(英语为“On the system of the world”)。

这部著作的主要内容是对包罗万象的新科学进行阐释论证,书中所有的方程、几何图示、证明细节都用于描述运动。牛顿还由此对整个星空的行为做了详细的、数学上的精确描述:从木星的卫星开始,到整个太阳系,最后回到我们所生活的地球。书中优雅地展示了地球表面复杂的潮汐现象是如何产生的:牛顿通过严格的科学计算得出,海水的潮涨潮落源自月球引力和太阳引力的相互博弈。

牛顿本可以就此打住,这也合情合理。读者已经来到了迄今为止最伟大的故事的自然结尾:上至苍穹,那些围绕木星运动的、肉眼看不见的小星星;下至我们的家园地球,“沿途”景观都能由几个简洁的定律描述。

话虽如此,但在把最后几页手稿交付给哈雷之前,牛顿选择继续耕耘。他和哈雷最初因彗星而结缘:初次见面之前,他俩就都追踪过①1682年出现的那颗明亮的彗星,即现已广为人知的哈雷彗星。但在牛顿写作的最后几个月,另一个天体引起了他的注意:1680年大彗星。这颗彗星最先由德国天文学家、日历出版商戈特弗里德·基尔希(Gottfried Kirch)发现。

从某种意义上来说,基尔希的彗星算得上是科学革命的里程碑。就在1680年11月14日夜晚,基尔希开始了他的常规观测。他正在寻找某些全新的目标,并在星图上描绘它们的位置。这是他长期观测计划中的一部分。那天夜里,一切都按照以往的步骤进行着:基尔希将望远镜指向第一个目标,记录位置,并标注在星图上;然后将望远镜稍稍偏了一下,于是他就有了新发现:“一个模糊的斑点,看起来不同寻常。”他被激起了好奇心,对这个目标跟踪了好长一阵才确定,他发现的不是一颗恒星,而是太阳系中的流浪汉——彗星。这是人类首次使用望远镜发现彗星。

对牛顿来说,1680年大彗星提供了一个独特的机会。利用新的数学定律,他已经分析出行星轨道的形状——但这个过去未知的访客挑起了新的问题:牛顿的万有引力可以用于描述之前没发现过的天体的运动吗?牛顿首先利用几份可信的观测报告,画出基尔希彗星的路径:他用线将每个观测位置连接起来,以获得运动轨迹。结果显示,这是一条特殊的曲线:抛物线。牛顿之前分析过的行星、月球的轨道都是椭圆。抛物线与椭圆在数学上有相似之处,二者的主要区别在于椭圆是封闭曲线,地球、行星、哈雷彗星、美国纳斯卡车赛②(NASCAR)都会在椭圆的轨迹上绕圈;抛物线却不是这样,它是开放的:在遥远的起点处接近于直线,在焦点(对1680年大彗星来说,焦点就是太阳)附近拐弯,然后再次向远处延伸。沿着抛物线运动的天体离开之后就再也不会重回故地了。

牛顿尽力使每位读者都能真正地理解,1680年大彗星沿着抛物线进入太阳系并离开。在长篇巨著的最后,他用了好些篇幅来书写彗星“猎手”的观测细节。他事无巨细的描述,似乎没给任何人留下质疑的余地。最后,没有人还会怀疑这个事实:1680年大彗星从遥远的地方呼啸而来,绕过太阳之后慢慢远离,消失在观测所及之外,再也不会回来。

接着,牛顿进行了最后的精彩展示。他仅仅从观测记录中抽取了三条,也就是彗星轨道上的三个点,利用力和运动的数学模型,计算出那颗彗星的轨道。计算结果完美地符合所有观测连成的轨迹:一条③抛物线。抛开复杂的技术——圆锥曲线和难懂的微积分——不谈,这一结果不光是牛顿本人的胜利,也是理解物质世界新方法的胜利。

关于1680年大彗星的篇章让他的著作达到了巅峰,漂亮地证明了相同的定律可以普遍应用于——苹果落地、弓箭飞行、月亮不变的轨迹—宇宙的一切,万物尽在基本定律的限制之下。抛物线无始无终:一端开始于无限远处,另一端结束于同样的无穷远。在物质世界中,彗星围绕太阳的运动形成了这条曲线。1680年大彗星的抛物线运动轨道不仅发生在我们身边,而且穿越了整个宇宙——从宇宙深处而来,再回到宇宙深处。

牛顿完全清楚自己的成就。他在有关彗星一节的结尾处写道:“这一理论与跨越宇宙的不同寻常的轨道相符,与行星运动理论的规律一致,与天文观测完美吻合。这样的理论完全没有可能不成立。”

哈雷完全赞同。三年之前,他向牛顿寻求的仅仅是一个简单的证明;三年之后,他为牛顿交付印刷了这本巨著的最后部分。这部巨著的名字同样毫不谦虚,但是准确——《自然哲学的数学原理》(Philosophiae Naturalis Principia Mathematica,以下简称《原理》)。自1684年开始,哈雷无暇自己的工作,全身心地投入到整理牛顿的大量手稿中,并处理与这位坏脾气的作者相关的事情。但现在,在终点线上,哈雷收获了他自己的胜利。《原理》出版的时候,哈雷运用自己身为编辑的特权,为牛顿的史诗撰写了序言。他用诗意的语言高度评价了这本著作和它的作者:“我们此刻获准加入众神的盛宴/我们已然运用天上的律法行事;我们用/秘密的钥匙开启了幽微的大地;我们洞悉了牢不可破的世界秩序/……和我一起歌唱牛顿,他揭开了这一切/他打开了真理的宝盒。”

第一版《原理》的封面

宝盒中的真理朴素直白,无须诗意。在所有关于神与天空的言论中,哈雷无疑是对的。牛顿许诺给读者一个世界体系,而读者实际收获的恰恰是一种研究运动的方法。它的适用范围贯穿整个宇宙,直到时空尽头。正如18世纪伟大的法国数学家约瑟夫-路易·拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange)所说:“牛顿是有史以来最伟大的天才,也是最幸运的一个。因为我们无法再为世界找到别的体系了。”

艾萨克·牛顿爵士于1727年去世。亚历山大·蒲柏(Alexander Pope)献上了那段著名的悼词:“自然和自然的规律隐没在黑暗中/上帝说,让牛顿去吧!于是便有了光明。”直到下一个世纪之交来临之前,蒲柏夸张的诗句看起来也不过是英国式的谦逊。

注释①哈雷彗星沿着椭圆轨道运行——不过它的轨道是普通行星轨道的加长版——大约每66年绕行太阳一周。哈雷后来利用牛顿引力分析了过去的观测数据,预言这颗彗星会回归地球。牛顿引力是新科学早期的胜利之一。②根据记录,纳斯卡车赛的封闭轨道并非完美的椭圆。③牛顿后来重新考虑过1680年大彗星的轨道问题。他想到了抛物线以外的轨道形式,比如被拉长的、运行周期非常长的椭圆。虽然他相信彗星将在575年后回归,但一直没能算出可信的轨道。后来的分析表明,这颗彗星可能的周期是万年量级的。第2章“快乐的思想”1781年3月,巴斯

威廉·赫歇尔(William Herschel)出于工作原因,从汉诺威移居到了巴斯。他是一名音乐家,从1780年开始担任巴斯管弦乐团的指挥。如果说音乐是用以养家糊口的工作,那么星空则是他的爱好。就像他之前和之后的很多天文爱好者一样,他欣赏土星的光环,光彩而动人。

源于这种热爱,赫歇尔自学了建造望远镜(在他妹妹卡罗琳·赫歇尔的帮助下进行,据说妹妹比哥哥更善于对镜片进行精细加工)。早在1774年,赫歇尔的身份便从观星爱好者转变为天文学的行家。在巴斯,赫歇尔沉迷于一项看上去乏味的工作:分析双星。他的目标是区分那些彼此靠得很近的双星,从中判断哪些是真正亲密的“伴侣”,哪些只是毫无联系、恰好落到同一视线方向上的“陌路人”。

1781年3月13日,星期二。18世纪的上流社会,晚餐后女士们会离开餐桌,以便男人们吸烟喝酒。赫歇尔则通常在那个时段观星。他①转动最大、最新的望远镜——一台6.2英寸口径的牛顿式望远镜,也是英格兰最好的望远镜——对准金牛座和双子座之间的一处双星。这对双星中的一个是普通的光点,也就是说,这是一颗恒星。但另一个呢?它看起来模模糊糊的,特别奇怪。最重要的是,放大之后,它的样子也跟着变化。赫歇尔记录下这一夜观测到的异象:“两颗星中较低的一颗很古怪,可能是星云状的恒星,也可能是彗星。”

托马斯·迪格斯(Thomas Digges)绘制的哥白尼宇宙图,首次发表于1576年。图中描绘了直到1781年春天人们已知的所有宇宙要素

来源:Wellcome Library, London

接下来的一个月中,赫歇尔反复观测这个目标,最终相信这很可能是颗彗星,会在星空中移动。但赫歇尔发现这颗彗星的行为怪异:随着时间的推移,它没有变大(或者变大得不多,赫歇尔有一阵子竭力让自己相信测量到了它的直径增长),也没有显现出拉长的尾巴。赫歇尔将这一发现报告给皇家学会,于是其他观测者也开始注意这一目标。

5月,两位分别来自法国和俄国的数学家,各自独立地利用日积月累的观测资料算出了它的真实轨道。他们证明了这个“旅行者”不是什么彗星(赫歇尔没能做到这一点):它有着近乎圆形的轨道,与太阳的距离比天文学家所痴迷的、带着神圣光环的土星还要远。

在巴斯的那个夜晚之前,人类一直以为自己清楚地知道天空中有多少游走的行星:首先是距离太阳最近的水星,然后是金星,再就是我们的地球,接下来是火星、木星和最遥远的土星,一共六颗。即便到了1609年,伽利略利用他那台新设备——一根两端装有透镜的管子——为太阳系的家谱增添了木星的卫星,也没有撼动行星家族的阵容。终于,改变的时刻到了,天王星闯入了行星的行列。天文史学家通常把发现天王星的时间追溯到赫歇尔第一次瞥见它的那天:1781年3月13日。

毫无意外,这一空前的发现让赫歇尔成了那个时代的英雄,国王乔治三世给赫歇尔提供了200英镑的津贴,并加封他为爵士,条件是只要他愿意把自己的观测台搬到温莎城堡。同赫歇尔一样发现天王星的天文学家也纷纷获得了奖励。天王星给人们创造了独特机会:它是能够独立检验牛顿理论的第一个重大发现。换句话说,这个新发现为天文学界提供了一次机会,去看看他们(用于计算)的基本工具能否适用于这个新天体。

皮埃尔-西蒙·拉普拉斯,由苏菲亚·费塔伍德(Sophie Feytaud)在拉普拉斯逝世后绘制

来源:© RMN-Grand Palais / Art Resource, NY

在应对这一挑战的前锋中,有一位年轻而优秀的法国数学家:皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)。拉普拉斯是个天才,早在8年前就已入选为巴黎皇家科学院成员,那时他才24岁。自那时起,他在纯粹数学、引力论、概率论等领域均发表过前沿成果。当他得知赫歇尔观测到的现象后,便立即加入大批欧洲思想家的行列:利用牛顿理论分析新天体。和赫歇尔一样,拉普拉斯也曾以为这个新天体是一颗彗星(这很正常,因为在望远镜时代伊始,人们观测到了大量彗星,但从未发现过新的行星)。

起初,拉普拉斯计算合理的彗星轨道的尝试并未成功,但当天王星被确认为行星后,拉普拉斯重新查看了观测数据,并于1783年初提出了分析天体运动的新方法。这种方法的适用范围更具普遍性。他将新方法应用于天王星后,便得到了对天王星轨道的最佳描述。对拉普拉斯来说,这些计算不仅展现了他的分析能力,更是他之后毕生研究工作的开端:使用更成熟的数学语言来描述牛顿物理学,完成牛顿奠基的工作——建立一个能够细致描述世间万物运动的体系。

在此后三十多年的光阴里,拉普拉斯都致力于这项工作。从18世纪80年代到19世纪初,他建立了关于太阳、行星、卫星之间相互作用的最全面的描述方法。随着数学语言越来越成熟,对于天体运动行为的表述也愈加严密。拉普拉斯改变了牛顿用于证明“宇宙可以被理解”的体系,用史诗般的叙述书写了宇宙的真实行为。

研究工作并不总能得到完美的结果。18世纪末,太阳系动力学研究面临着一些尚未解决的问题,有些问题持续了数十年都没有得到解决。其中最重要的一个问题是,17世纪末木星的运动速度比早些时候的记录加快了,而土星却似乎慢了下来。最简单的分析(正如牛顿本人在《原理》中表述的)暗示,这种现象不可能发生。但证据就摆在那里,而记录这些观测结果的正是牛顿的好友,哈雷。

科学革命发生之后,拉普拉斯闪亮登场:他用精湛的数学技巧展示了如何创造新的知识。牛顿的引力理论可以简练地概括为一个公式,它精确地告诉你两个天体如何影响彼此。如果知道几个基本参数,比如两个天体的质量、它们之间的距离,就可以计算出它们之间的引力②大小。根据引力来计算天体的运动轨迹、彗星轨道,虽然复杂一点,但也不会太费劲。

但这种计算往往是理想的情况,实际情况要复杂得多,对基本定律的最简单应用无法满足现实世界的需求。因此,牛顿科学思想真正面临的考验在于,宇宙中天体运动的真实情况和计算所得的理想情况不一致。如果计算时忽略了现实的复杂性,那么对土星和木星运动的计算结果必然与事实不符。这种矛盾意味着什么?这是个难题,还是个好机会?

拉普拉斯秉持他的信条:“在物理学中,”他写道,“观测与计算的一致性清晰、明确地证明了天体之间相互吸引。”这就是牛顿的伟业,“自然哲学有史以来最重要的发现”的成果。虽然这么说有一点奉承的嫌疑,但在拉普拉斯看来,问题的关键在于观测和计算必须与牛顿的发现一致。事实上呢?拉普拉斯清楚地知道,当真实情况与理论解释发生冲突的时候,理论可能出错了。但也还有另一种可能性。拉普拉斯解释道,如果测量值不符合理论,下一步就该寻找些新东西,也可能是重新理解数学本身,从而让真实世界与其数学表达保持一致。换言之,不一致意味着未知事物亟待发现,它可能存在于自然中,也可能存在于理解自然的抽象思想中。

1785年,拉普拉斯开始研究木星和土星。根据牛顿定律,土星和木星应该相互吸引,其结果是它们的引力之舞与观测到的运动一致,即较大的行星加速,而较小的慢下来。他重新进行了计算,并且得到了与前人相同的答案:加速和减速的量级差不多是对的,但仍存在微小的偏差。这说明偏差的来源并不在于牛顿的理论,而是人们忽略了一些问题。

接下来,拉普拉斯进行了全新的尝试:构建数学方法,把木星和土星处理为相关系统的连续变量。每当两颗行星的相对位置发生变化,引力方程便有了一组新的输入条件,输出的结果就是行星运动发生的相应变化。如果这种方法奏效,那么木星一点点额外的加速度这一小“错误”将得到完美的解释,它是描述天体运动的引力数学的自然结果。拉普拉斯将观测到的天体运动转化为数学图像,并以此来模拟天体的行为。真是十分精巧!

1791年出版的儿童系列科学丛书《汤姆望远镜》(Tom Telescope)中的太阳系图。在这本英式图书中,天王星依然被称为“乔治之星”——这种星际民族主义并没有持续太长时间

但这其中存在一大困难。为了描述三维空间中两颗行星的相对位置并让它们随着时间演化,拉普拉斯建立了格外复杂的方程组。求解这组方程的过程同样复杂。最后,仅仅凭借一些数学技巧,拉普拉斯花了整整三年才完成这项工作,并于1788年宣布破解了土星、木星的运动谜题。他说,木星加速和土星减速是二者之间的引力发生微小变化造成的,而引力变化源于它们的轨道发生偏移。这些变化会以929年为周期重复发生。根据历史上对这两颗行星的轨道的观测记录(可以一直追溯到公元前228年),人们发现当时精度最高的观测和理论计算符合得非常好。拉普拉斯也由此证明了土星、木星的运动遵循牛顿的理论。

这项杰出的工作展示了数学技巧所能达到的顶峰。拉普拉斯的工作不仅确认了牛顿理论是“无可争辩的真理”,还充分体现了科学革命自身的革命性。拉普拉斯发展的数学工具扩展了牛顿基本定律的适用范围,使得对物理行为的描述更加精确。最重要的是,它还带来了新的信息和更多的细节。土星与木星那缓慢的千年之舞便是例证。

因此,在拉普拉斯和他的同时代人看来,牛顿理论的深刻力量便是新发现的引擎,它的驱动力来源于严谨的数学推理。探索没有终点,比如太阳系新成员天王星的加入,就表明科学技术的每次进展都会让我们发现几块“新大陆”。但随着牛顿的追随者们在重塑自然哲学的道路上越走越远,他们也越来越清楚,利用数学也可以探索世界:思想跃出书本,指引探索者寻找新发现。

这种转变同样体现在拉普拉斯接下来的工作中。他的里程碑式的著作《天体力学》(Celestial Mechanics)皇皇五卷,整整1500页,满满的都是分析和计算。这部巨著想要证明,牛顿的万有引力能够“运用严格的计算,使天空中的一切现象都得到完整的解释,人们对于天体运动的描述将变得完美”。

完成了大量的计算工作后,拉普拉斯自认为已经实现目标:太阳系的动力学——也暗示着整个宇宙的动力学——都在牛顿首先提出的引力定律掌控之下。他现在得出了结论:太阳系是一个稳定的整体(他所发现的土星和木星轨道变化的周期为900年正符合这一点)。无论从哪个时间尺度进行检验,太阳系的运动都遵循系统内部引力的“指挥”。这样的稳定性支持了拉普拉斯的第三个结论:太阳系,乃至整个宇宙的运动都从一开始就已确定,这也就是所谓的“决定论”。人们见到、测量或者观察到的万事万物,都是一些特定过程或原因导致的结果,而且是唯一的结果。

这个结论包括一条明显的暗示,而且这个暗示在拉普拉斯所处的时代显得非常独特。传说在1802年的短暂和平期间,拿破仑曾与一些聪明的学者有过接触,其中包括威廉·赫歇尔爵士,杰出的物理学家伦福德伯爵(Count Rumford,原名Benjamin Thompson),拿破仑的内政部长、化学家让-安托万·夏普塔尔(Jean-Antoine Chaptal),以及拉普拉斯。礼貌地与赫歇尔寒暄之后,拿破仑转向了当时刚刚出版了《天体力学》第三卷的拉普拉斯。拿破仑喜欢刁难自己的客人,于是他告诉拉普拉斯,自己读过牛顿的著作,并且看到牛顿在书中多次提及上帝。但是“我也钻研了您的书,却没有找到上帝的名字,这是为什么呢?”拿破仑问道。

这个故事的经典结局是,拉普拉斯回答道:“上帝?我不需要这个假设。”

听上去完美得令人不可置信!不过在对话发生的时代,辩论如同决斗,拉普拉斯当场如此机警地还击也并非不可能。但即便被修饰过,两人之间的对话也大抵如此。赫歇尔在他的日记中这样记录:拿破仑问“谁创造了这一切”?拉普拉斯表示“希望能证明是自然的因果律建造并维持了整个系统”。

后人对于拉普拉斯话中的真意争论不休。他真的否认上帝的存在吗?或者他只是温和地表达众神与现实生活无关?我们可能低估了神的意义,它甚至可能被视作整个因果链条的第一环,即宇宙最初的起源。但在这之后,拉普拉斯的理论中就不再需要神来解释宇宙的演化了。牛顿早就意识到自然哲学的数学原理有此倾向,但他否认这种可能性。相反,牛顿在他对自然的研究中看见了上帝造物的可能性,自然规律向牛顿展示了上帝之手。牛顿在天体力学中没能解决的不确定性更是加强了这一思想:我们仍然需要全能的神来保持整个系统按部就班地运转。

当拉普拉斯终于完成对太阳系运动方程的求解后,他对牛顿系统的改进使得太阳系能自主地运转。几个世纪以来的分析表明,行星不需要外力的帮助就可以在正确的轨道上运行。“自然的因果链”可以解释土星轨道的摇摆,木星卫星的运动,所有行星轨道长期稳定的存在,以及太阳系的起源。在拉普拉斯的理论中,上帝的确没有存在的必要了。“神力”成为一种数学假设,甚至是多余的。就像历史学家罗杰·哈恩(Roger Hahn)所说:“在他的文字中,无论是公开还是私下,拉普拉斯都没有否认过上帝的存在,他只是忽略了上帝。”

这是对拉普拉斯态度的公正解读,却并不完整。究其本质,拉普拉斯终生的工作是思考因果的问题。有没有可能利用牛顿科学来产生完美的知识,理解整个大千世界的因果链?拉普拉斯这样说道:我们可以把宇宙现在的状态视作它过去状态的结果,以

及未来状态的原因。在某一时刻了解掌控自然的所有力的作

用,以及世间万物所有位置的智慧头脑,如果能对这些信息

进行分析,他就将得到一个能够描述一切的运动方程,上至

宇宙、下至原子。对这个智慧的头脑来说,没有什么是不确

定的,未来如同过去,一切历历在目。

这个“智慧的头脑”有时候被称作“拉普拉斯妖”(Laplace’s demon)。如果这个妖的威力达到了拉普拉斯想象的极限,那它必定庞大无比。1814年,也就是拿破仑退位的那一年,拉普拉斯写下这样的描述:战场上的每个人都是运动中的物体。智慧的头脑能够追踪因果链上每一颗子弹的落点、每一名士兵的命运,当然也能(“在单个公式中”)捕捉到整个帝国崩溃的原因。

拉普拉斯十分确定,《天体力学》在人们眼中是本“魔书”,它提供了一套工具,能让读者发现太阳系的未来。这样的科学不只是描述性的。牛顿革命的直接继承者把一丝不苟地观测和自然的数学化结合起来,得到了对观测现象的数学描述,并且预测出尚未观测到的现象。这让人们越来越接近“上帝的真理”。

拉普拉斯死于1827年,享年78岁。他的天体力学分析方法已经有所改进。就像他发展了牛顿的理论,使得对太阳系的描述更为详尽,新方法的出现也使后人构建出更加精确的行星运动模型。薪火相传中,有一个人的名字彪炳史册,他就是于尔班-让-约瑟夫·勒威耶(Urbain-Jean-Joseph Le Verrier)。勒威耶实现了前人对宇宙秩序的憧憬,他的发现向世人完美地展现了牛顿科学不可思议的力量。

注释①英制单位,1英寸= 2.54厘米。——编注②为了计算地月之间的引力,我们只需要这样做:将地球的质量(约2422为6×10千克)乘以月球的质量(7.35×10千克,约为地球质量的-11221/80),再乘以牛顿引力常数6.673 84×10牛·米/千克(牛是力的国际单位牛顿的简称),将乘积除以地月之间距离(约为384,403千米)的平方。于是,我们就得到了答案:地月之间的引力为1.99×2010牛。第3章“这颗星没在星图上”

从19世纪30年代起,奥赛码头63号就屹立在塞纳河畔了。这是一座外表具有吸引力的建筑,导游手册称其为“漂亮的房子”。但是,光鲜的外表掩盖了其“平民化”的事实。游客——只能通过事先预约,一次不超过2人,而且只能预约周四——可以被领着进入庭院,走进“房间”参观。在那里,工人(大部分是女工)拾起成捆的烟草,使其经过一道道必要工序,最终生产出满足人们嗜好的产品:手工卷烟,咀嚼一缕便可以获得“如勒阿弗尔海风般的慰藉”的嚼烟,以及绅士用的鼻烟。大多数这种地方都有由工人操作的机器——粉碎机、振荡机、鼻烟研磨器、滚筒、筛子、切割机等等。19世纪下半叶,奥赛码头每年的烟草产量超过5600吨。根据随处可见的旅行指南,那里“值得一去”——虽然满足好奇心得付出代价:“刺鼻的烟草味渗进衣服,难以去除”。

早期工业圣地的壮观场面,肯定值得导游手册写上一笔。不过任凭想象力如何驰骋,在卷烟厂里寻找当时最杰出的数学天文学家,都是不可思议的事——但人们在成就自己之前,多少都会走一点“弯路”。1833年,一位刚毕业于著名的巴黎综合理工大学的年轻人,每个工作日都会出现在奥赛码头,到这所法国“烟草高等学院”的研究部门报到。

没有人怀疑于尔班-让-约瑟夫·勒威耶的潜力:上中学的时候,他就是明星学生;在全国数学竞赛中拿过二等奖;在综合理工大学时,他的成绩是班级第八名。但这些早期经历和他后来的职业大相径庭。勒威耶在大学里学习烟草工程,毕业后几乎直接去了奥赛码头,致力于解决法国的烟草问题。

没有人清楚,勒威耶到底是享受作为一名烟草工程师的生活,还是仅仅忍耐着。他后来的职业生涯也完全无法体现他是个与生俱来的化学家。但一直以来,他都是只要有任务便认真对待。虽然先前接受的是抽象的数学训练,但只要有需要,勒威耶也能非常务实,还开始研究起磷的燃烧来。那是有用的研究工作——烟草大亨们很关心火柴。但是,不管他是否从自己的工作中体会到乐趣,只要有机会,他就想要尽早离开。1836年,巴黎综合理工大学有一个职位出现空缺——化学教授的助手。勒威耶申请了。作为一个履历完美的奇才,他申请上的希望很大。然而,这个职位最终录用了别人。

勒威耶将被证明是个斤斤计较的人,但他从不接受以支票来衡量自己的真正价值。第二次机会出现了,这次是天文学教授的助手。勒威耶再一次申请了。尽管已在烟草行业耗费了7年,勒威耶仍然很自信,认为轻松地就能把自己的数学能力提高到法国定量科学最高水平所要求的标准。他在给父亲的信中写道:“我不仅是接受助手的职位,还要找机会扩展自己的知识……我已经成长了很多,为什么不能再进一步呢?”就这样,勒威耶获得了这个职位。接下来,他整日忙碌于一个伟大的工程,法国天文学巨人拉普拉斯的科学遗产。

1827年,拉普拉斯与世长辞。当时,他确信自己已经解决了重大问题的核心部分。事实也的确如此。他证明了太阳系是可以被理解的,它的运动规律可以由牛顿万有引力来描述,并由数学模型表达出来——这就是行星“理论”。如果运用得当,那些模型可以明白、准确、永久地描述物理系统的运动,并且预测未来的情况。这一基本图景看起来已经完整了,如果说还有什么工作要做,那便是探索新的方法,进行更多的观测,发现太阳系中更多的天体(就像新近被发现的小行星和彗星那样)。

当然,天体力学的大厦中存在的异常情况比拉普拉斯提到的更多,行星运动理论的可靠性比拉普拉斯所确信的要薄弱。就拿水星来说,尚未解决的问题让人们还无法精确地预言水星的运动方式。尽管存在着问题(或是可能性),但还没有哪位研究者的工作可以取代拉普拉斯的整个体系。法国等地的几位天文学家各自研究着行星动力学的问题,但没有人能对系统做整体的处理,自上而下地从任一行星的理论推广到整个太阳系。

那么勒威耶呢?他的一个同事后来说:“拉普拉斯的科学遗产无人继承,他(勒威耶)便大胆地占为己有。”在综合理工大学的头两年,勒威耶调查了整个太阳系动力学领域。他开始怀疑看似微小的引力扰动所产生的效果可能比他的前辈(拉普拉斯)所认为的更大——随着时间的积累,这些效果可能大到足够引起注意。他把握住这个机会,将重新计算数学精度更高的行星运动作为自己第一个大课题的主要目标。他的研究对象是四颗最靠近太阳的行星——水星、金星、地球和火星。这项工作花费了两年时间,对他这个从零起步的数学天文学家来说,这是个重要的进展。

1839年,勒威耶把他的结果提交给法国科学院。他已经得出了重磅结论:如果比之前的计算再多考虑一项,就将无法确定这几颗行星的轨道是否可以长期稳定地存在。无论他还是别人,都找不到一个完全确定水星、金星、火星和地球是否可以永远保持在各自的轨道上的解决办法。

这个结果的关键在于,勒威耶此举将自己摆在了与已有经典天体力学的相对位置上。拉普拉斯通过研究木星和土星已经得出结论,太阳系稳定性是被证明了的;而这个年轻人,才花费了两年的时间,就提出了相反的结论。

这是一个不错的开始——足以引起了大家的重视,证明这个人的实际能力远不止当一个助手。同时,勒威耶知道,这项工作非常初级,仅仅是在重复过去的计算。但天体力学已经吸引住了他,成为他一生的工作——他为自己确定的下一个大任务,是前人还未曾解决的问题:水星。

如果行星们是一个家庭,水星就是离经叛道的小兄弟。它耍各种花招,让人类任何尝试搞定它的努力都宣告失败。但情况将很快有所转变,勒威耶已经瞄准了这个遗留多年的问题。在过去十年里,设备和技术上的进步使人们对水星的观测达到前所未有的精度。勒威耶充满了信心,他向科学院报告称:“近些年来,从1836年到1842年”,巴黎天文台“已完成了两百次可用的水星观测”。利用这些观测和其他数据记录,他能够建立一个更好的图景,用来描述在两个天体运动过程中,金星如何影响水星的轨道。这项工作反过来可用于估算水星的质量。勒威耶得到的水星质量结果仅偏离现代值几个百分点。

这是令人满意的成果——填补了太阳系一角中更多难以捉摸的细节。但是,勒威耶真正想要的是对水星的完整描述,用一系列方程来刻画影响水星轨道的各种引力拖拽。倘若完成,这套方法就将可以用于确定行星在过去和未来任一时刻的位置。观测数据限制了模型:方程的任何解都必须能够得出观测者已知的行星轨道,而更多的数据意味着更多的限制,因此能更精确地预测行星位置。那些预测结果,也就是星表,是检验所有行星理论的标准。

勒威耶水星理论的第一个版本在1845年迎来最终考验,届时将发生新的水星凌日,最佳观测点位于美国。凌日是检测行星理论最理想的机会。19世纪中期,人们已经能够精准地记录水星视圆面穿越太阳边缘的时刻了。1845年5月8日,美国俄亥俄州辛辛那提的天文学家们已经就位,他们等候着勒威耶预言凌日发生的那一刻。位于望远镜目镜处的天文学家瞄准了太阳,看见“明亮的圆盘上出现了行星的黑色身躯”。他叫道:“现在!”,然后查看了计时器。与勒威耶的预测不完全一致,水星大约迟到了16秒。

这是令人印象深刻的结果——比自哈雷以来任何已发表的水星星表结果都要好。但是还不够好。16秒的误差,看起来不大,却仍然意味着勒威耶有什么重要的问题没有意识到。就是这些被忽略的问题,让真实的水星与理论中的水星丧失了一致的步调。勒威耶原本计划在凌日发生之后就发表这份计算,但现在他撤回了草稿,暂时搁置了这个问题。水星,必须得再等一等。因为勒威耶几乎立即就发现,自己将要解决“世界体系”中最大的困境。

2006年水星凌日时,水星穿过太阳表面

天王星是个捣蛋鬼,而且在过去几十年中一直如此。在赫歇尔偶然发现这颗“新”行星之后,天文学家很快意识到之前早有其他人已看到过它,只不过把它当作了一颗恒星。约翰·弗拉姆斯蒂德(John Flamsteed)是英国首位皇家天文学家,他与牛顿时而合作,时而对抗。他在1690年就把这颗星画在星图上了,并标记为金牛座34。许多其他观测者也同样错失了这个大发现。直到1821年,一位在天文台工作的拉普拉斯的学生,亚历克西斯·布瓦尔(Alexis Bouvard),结合历史上的观测记录和自赫歇尔的新发现以来进行的系统搜索,为天王星建立了一个新的星表。布瓦尔希望能够确认,天王星与其他同辈的行星一样,也遵守牛顿定律。

但他失败了。根据自赫歇尔的发现之夜以来观测者记录的位置,他试图通过计算来建立天王星的理论。但他发现,与后期观测相符的计算结果无法解释天王星1781年之前的位置,即天王星被错误地当作恒星时的位置。更糟糕的是,如果只是着眼于比较近期的观测,也就是赫歇尔发现天王星之后的记录,可以清楚地发现一个现象:天王星又一次走上了一条不正常的轨迹——现实和计算没能统一。

从理论上看,天王星不尽如人意的行为可能指向了非常深刻的问题:如果所有施加于天王星之上的引力影响都已经考虑到了,那么对天王星位置预测的失败,意味着需要重新检验数据分析背后的理论。换句话说,这将威胁到牛顿定律自身的基础。一位德国天文学研究者,弗里德里希·威廉·贝塞尔(Friedrich Wilhelm Bessel)明确提出,发生这样奇怪的现象,可能是因为牛顿引力常数会随着距离的变化而变化。

虽然可以理解,但这样的想法太惊悚了。人们无比虔诚地敬重牛顿;当然,更重要的是,人们相信牛顿物理学是可靠的。潮汐遵循着牛顿定律,彗星在牛顿定律的指引下规规矩矩地运动,炮弹沿着《原理》的精妙逻辑所解释和描述的轨道完美飞行。更妙的是,迄今为止,任何看起来异常的行为,都可以在牛顿理论框架内得到解释。

据说,亚历克西斯·布瓦尔是第一个找到解决天王星问题方法的人。1845年,他的侄子尤金·布瓦尔(Eugene Bouvard)向科学院报告了自己用数学方法重建天王星观测轨迹的不成功尝试。跟随叔叔的步伐,尤金·布瓦尔尝试用过去的记录解释后期(赫歇尔之后)的观测结果。他承认自己失败了。但他始终对别人说,他叔叔早在二十年前就已经找到了一条出路,而且与过去拉普拉斯解决木星和土星问题的那种方法不同。拉普拉斯试图通过改进数学方法来描述外面的世界,老布瓦尔的推论与之不同。老布瓦尔认为,如果太阳系中所有已知的运动形式都不能解释最后残存的误差——并且重要的是,如果你仍然对牛顿充满信仰——那么仅存的可能性就是,还有一些未知的东西等待我们发现。布瓦尔提醒他的读者,想象一下,如果天王星还未被发现,那么我们应该能注意到,土星还受到某个遥远的、看不见的天体的影响。按照这样的逻辑,他写道,看起来“我叔叔的想法(对我来说)完全合理:有另一颗行星在扰动着天王星”。

布瓦尔叔侄二人不是唯一有这样想法的人。19世纪30年代初,几位研究者开始思考比天王星(距离太阳)更遥远的天体存在的可能性。老布瓦尔通过通信和接待访客分享了自己的思想。其中一位访客带着他的想法,穿过英吉利海峡到达英国。但是一个明显的问题限制了这个想法的用武之地:天王星运动得太慢了。它的公转周期为88个地球年,这意味着自赫歇尔以来,对它的系统观测只跟踪了它轨道的一半而已。英国皇家天文学家乔治·艾里(George Airy)承认在天王星之外存在着一个行星的想法有其合理之处,但他打压了求证的希望,他写道:“要确定离奇现象的本质,还需要观察接下来的几个运动周期才行。”也就是说,只有在这一代关心天王星的人都作古之后,才能收集到足够多的观测数据。

勒威耶不同意这一点。更准确地说,是勒威耶曾经的导师、巴黎天文台台长弗朗索瓦·阿拉戈(Francois Arago)不同意这一点。阿拉戈认为,天王星已经让天文学家难堪足够久了。1845年夏末,阿拉戈把勒威耶从处理彗星的琐碎中拉出来——如勒威耶回忆的那样——告诉他天王星理论中日渐增长的误差“让每一个天文学家都有责任尽最大努力做出贡献”。勒威耶一开始就在老布瓦尔的计算中找到几处错误,但排除这些错误后并没有消除天王星轨道的摇摆。因此,勒威耶重新计算了天王星的星表,尽可能精确地得到那些异常的数值。带着与生俱来的天赋,勒威耶此刻成了一名侦探,搜寻着还未被指认的作恶之徒——正是它让天王星陷入迷途。

和优秀的侦探一样,勒威耶奋勇前行,检查每一种可能性,然后逐一排除。天文史学家莫顿·格罗瑟(Morton Grosser)记录下了勒威耶找到的“嫌疑者”:在天王星的空间之外,有东西影响了它的运动。是巨大的卫星围绕着天王星,拖拽着它偏离理论轨道?还是一些不速之客,比如一颗彗星,把它撞离了原先的位置?勒威耶甚至开始担忧修改牛顿万有引力定律的可能性。最后,还有一种可能性:是否存在尚未被发现的天体,比如另一颗行星,由于这个天体的引力影响使观测到的天王星轨迹偏离了理论上预测的轨道?

勒威耶很快抛弃了前面三种候选答案。和任何一位专业天文学家一样,他认为修正或者拒绝牛顿引力理论是最后的无奈之举。这意味着,在天王星的问题上钻研了几个月之后,勒威耶又回到了他主要的怀疑对象上:一颗尚未被发现的天王星外的行星。

基于此,他的任务立即明确了:一旦所有已知的引力来源产生的影响都已经被考虑过了,那么让天王星产生异常运动的天体性质——质量、距离、轨道细节——都应该可以计算。这样一来,问题就变成了一个简单的天体力学问题,建立并求解描述这颗假想行星运动的一组方程。即便如此,由于缺乏能证实这颗假想行星存在的条件,任务格外艰巨。

勒威耶首先设了13个未知量来做计算处理——但是这样变量就过多,即使颇具天赋的勒威耶也不能及时地解决。因此,他简化了假设。他考虑,这颗未知行星的轨道参数中,肯定有一些具有一定的适

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