作者：卢昌海
出版社：清华大学出版社
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那颗星星不在星图上：寻找太阳系的疆界试读：
自序
在我为自己的第三本书《黎曼猜想漫谈》撰写后记时，曾对前两本书没有前言或后记的原因作过这样的解释：并不是不想写，而是因为那两本书的写作及出版过程都很平淡（或曰顺利），没什么值得叙述的。若生添一篇前言或后记，不免有灌水之嫌。
现在，我却要为那两本书中的第一本——《寻找太阳系的疆界》的修订版“生添”一篇自序了，其“灌水之嫌”且容我辩白几句（希望不会越辩越黑）。
之所以要写这篇自序，主要有两个原因。首先是因为距离本书初版的问世已经过了三年多，在如今这个快节奏的时代里，算是一段不太短的时间了。而且对于本书来说，这三年多的时间颇具代表性，甚至可以说是走过了一个生死轮回，从而多少有了一点谈“历史”的资历——就像久历了岁月的人多少可以谈点往事一样。
其次是因为修订版——或许是出于促销方面的考虑——对书名作了变更。我虽由衷地希望出版社不要因出版我的作品而亏损，心底里却更害怕读者因书名变更而将修订版当成新书误买以致血压升高，因此想在尽可能靠前的文字——即这篇自序——中提个醒。不过，这一提醒是否真有效力却殊难预料，因为读者买书前未必都会看自序，网购的读者则是想看也未必看得到。倘若哪位读者不幸仍中了书名变更之“招”，致使足可购买若干个汉堡包的私款流失，可到我的网站（http://www.changhai.org/）来留言解恨。
好了，现在言归正传，谈点与本书有关的往事吧。本书的撰写始于2007年3月，一开始只是作为系列文章在我的网站上连载。连载了几篇之后，恰逢杭州《中学生天地》杂志的一位编辑来信约稿，我便提及了该系列，编辑看后表示有兴趣。于是自2007年9月起，本书的内容开始在《中学生天地》杂志上连载。不过，由于杂志方面对字数有一定的限制，因此刊出的往往是删节版，尤其是到了后期，杂志方面希望在一年之内完成连载，比我自己对内容的规划少了好几个月，因此最后几期刊出的内容存在大幅度的删节。但另一方面，杂志的连载虽有诸多欠缺，却正是由于要向杂志供稿，使那个系列成为我撰写的篇幅相近的所有系列中最先完成的。从这点上讲，杂志的连载功不可没。《寻找太阳系的疆界》的单行本于2009年11月出版，成为我的第一本书，也在一定程度上得益于此。
不过，《寻找太阳系的疆界》的写作及出版过程虽然顺利，出版后的命运却不无曲折。初版的问世才不过三年，就陷入了极大的窘境，其结果用我网站上一位网友的话说，是成为了“绝版名著”。当然，那是戏言——确切地说，后两个字（“名著”）是戏言（虽然我很希望不是戏言），前两个字（“绝版”）却是事实（虽然我很希望不是事实），因为本书的初版确实已无处购买了（除非是购买旧书）。只不过那并非因为卖得太好以致脱销，而恰恰相反，乃是因为卖得太不好，以至于未及卖完，就被清了库存。对图书来说，可以说是“死”了一回。
唯一值得庆幸的，是本书的零售虽十分失败，却“东边不亮西边亮”地中标了若干个省份的中小学图书的馆配，从而成为了一些中小学生的“钦定”课外读物之一。也许是这个缘故，出版社决定为本书再冒一次险，出一个修订版。本书因此而有了如今这个“死而复生”的机会。
那么，这个所谓修订版究竟在何处作了修订呢？从正文上讲，只是更正了几处笔误，并扩充了几个注释，可以说是微乎其微的（这是托“历史题材”之福，因为科学史不像科学前沿那样日新月异）。不过，图书的修订并不限于正文，本书的真正修订是以下三类内容：（1）插图——修订版添加了许多新插图，而且是手工绘制的，不同于初版中那些来自互联网的现成图片。（2）索引——包括人名和术语两部分，索引在国外科普图书中几乎已是必不可少的组成部分，在国内科普图书中却还不太普遍，在我自己的作品中则是首次添加。（3）文字——包括序言（由复旦大学物理系的金晓峰老师所撰）、附录（由我2009年10月以删节版形式发表在《科学画报》上的《冥王星沉浮记》一文的完整版整理而成）及自序（即本文）。
以上就是对本书及修订版的简单介绍。说实话，对于出版社此次的“冒险行动”我是暗暗捏一把汗的。作为作者，我对自己作品的水准是有信心的，但作为有几十年读书、买书经验的资深书迷，我却深知那绝不等于能卖得好。玩过博客的朋友们大都知道，非著名作者在非热门话题上哪怕写上十篇“沥血之作”，也赶不上知名人士贴一张宠物相片更有点击数。这是大众行为的鲜明特点，非独博文如此。不过，在捏汗的同时，我还是要感谢清华大学出版社的“冒险”，并且特别感谢为本书及修订版的出版付出巨大心力的邹开颜编辑（她也是我其他几本书的编辑）。另外，我也要感谢为本书修订版撰写序言的金晓峰老师，在平面媒体或博客上为本书初版撰写过书评的秦克诚、陈学雷等先生，为本书绘制插图的李璟小姐，以及本书过去、现在和将来的所有读者。
引言
记得念小学的时候，读过一篇课文，叫做“数星星的孩子”，讲述汉朝天文学家张衡的童年故事。时隔这么多年，小学的很多课文我已经忘记了，但那篇数星星的课文却依然历历在目。那时候，我住在杭州的郊外，家门口有一个池塘，在许多个晴朗的夏夜里，我和小伙伴们也常常坐在池塘边仰望星空。那时候，郊外的天空还没有被都市的灯光所污染，在广袤的天幕下，那一颗颗璀璨夺目的星星显得格外的晶莹和美丽。自远古以来，这种无与伦比的美丽就吸引了一代又一代的追随者，他们中的一些人甚至将自己的一生都献给了探索星空奥秘的科学事业。人类寻找太阳系疆界的故事只是科学史上的几朵小小浪花，但在那些故事中，有浪漫，也有艰辛，有情理之中，也有意料之外，有功成名就的兴奋，也有错失良机的遗憾，它们就像天上的星星一样美丽动人。
1 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，[1]据说毕达哥拉斯（Pythagoras）是最早意识到这一点的人。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。
像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，像晨星（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（planētēs），其含义是漫游者。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他东方国家如日本、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庇特（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），他是朱庇特的父亲，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（图1），试图将天空中存在六颗行星与三维空[2]间中存在五种正多面体这一几何规律联系在一起。图1 开普勒的行星模型
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……，这个数目是如此的根深蒂固，天文学家们大都将之视为不言而喻的事实了。他们也许做梦也没想到，这个数目有一天竟然也会改变。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。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。
2 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，就像他对新行星的发现一样，是一个无心插柳的故事。英国天文学家赫歇耳（1738—1822）
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[1]部城市汉诺威（Hanover）的一个音乐之家。赫歇耳具有很高的音乐天赋，他14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，[2]19岁的赫歇耳移居到了英国，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18世纪60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。图2 赫歇耳位于巴斯的住所（已辟为博物馆）
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16年的生活（图2）。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[3]文观测上不可或缺的助手。
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。18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17世纪初，其确切的发明者现已无从追溯，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[4]望远镜。并且他也是最早将望远镜用于天文观测的人。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。[5]17世纪后期，另一位科学巨匠牛顿发明了反射望远镜，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”（图3）。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。图3 赫歇耳的“七英尺望远镜”
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]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，就像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。[2]在此之前，赫歇耳曾在英国逗留过大约9个月，较好地掌握了英语。[3]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。[4]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。[5]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。
3 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长年累月的心血。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[1]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。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忱的完美结合，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”制作完成后，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1/40，或肉眼所能看到的最暗天体表观亮度的1/6。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，因此这一天体不像是恒星。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记录相比，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”并没有像其他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[2]果发现其直径约为54 700千米，是地球直径的4倍多。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30亿千米，相当于土星轨道半径的两倍，或地球轨道半径的20倍。[3]
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。
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，以便能让他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，但像“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他行星的命名方式具有明显的传承关系：在其他行星的命名中，朱庇特（木星）是玛尔斯（火星）的父亲，萨坦（土星）是朱庇特（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[4]乌拉诺斯来命名无疑是顺理成章的。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42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[5]现天王星外，他还分别发现了土星及天王星的两颗卫星。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。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，1等星的表观亮度是6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51 118千米，两极直径49 946千米。[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19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”后来要么被证实是错误的，要么因存在明显的疑点而未得到公认。
4 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地被人们发现呢？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，却为何没有更早地就被人们发现呢？赫歇耳之前的天文学家们虽然没有像“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像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。赫歇耳的一生对荣誉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（像天王星）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记录进行了重新排查，结果发现天王星在赫歇耳之前起码已被记录了22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22次记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。如我们在第3章中所介绍的，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[1]227倍增加到932倍，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，是赫歇耳所进行的巡天观测。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，一颗像天王星那样的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12次记录了天王星的位置。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8次记录了天王星的位置。照理说，这样密集的记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。对于像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里观测其他车辆时，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（图4）。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8次密集记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[2]对于背景星空几乎恰好是看起来不动的！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。图4 行星的表观逆行注释[1]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。[2]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。
5 虚席以待
一颗自17世纪末以来就被反复观测过的6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绩优股，引发了天文学家们极大的热情。在太阳系中，像天王星这样“大隐隐朝市”的行星究竟还有多少？人们恨不能立刻就揭开谜底。
星海茫茫，到哪里去寻找新行星呢？难道要像赫歇耳一样再来一次巡天偶得？幸运的是，太阳系行星的分布就像地球上居民的分布，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（这称为天文单位），那么各大行星的轨道n半径近似地满足一个非常简单的数学关系式：r=0.4+0.3×2，其中：n
水星对应于n=-∞，r=0.4（观测值为0.4）；n
金星对应于n=0，r=0.7（观测值为0.7）；n
地球对应于n=1，r=1.0（观测值为1.0）；n
火星对应于n=2，r=1.6（观测值为1.5）；n
木星对应于n=4，r=5.2（观测值为5.2）；n
土星对应于n=5，r=10.0（观测值为9.5）。n德国天文学家提丢斯（1729—1796）
这个经验法则除了对火星和土星有5%～7%的偏差外，对其他几[1]个行星都很准确。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[2]在加注时未曾标明自己的名字。
提丢斯匿名加注的这些结果起初并未引起人们注意。但6年后的1772年，德国天文学家波德，即我们在第3章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》在当时受到热烈欢迎，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，使波德这位不太光彩的“热心人”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”。9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12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中地将这一定则称为提丢斯-波德定则。德国天文学家波德
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[3]星或木星的卫星。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，观测起来也相对容易许多。于是天文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？注释[1]当然，这里采用的是现代的表述方式，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16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5年，德国哲学家兰伯特（Johann Heinrich Lambert）也曾猜测过火星与木星之间有行星。
6 失而复得
星空的浩渺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年以来，扎克花了整整13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18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候，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6700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，在这点上他很像当年的赫歇耳。他这苦力活一干就是11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，20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记录，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。意大利天文学家皮亚奇（1746—1826）
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，并且不像彗星那样朦胧。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，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24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像后来那么有名）来帮天文学家们计算一个小小的天体轨道，简直就像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[1]出了比旧方法高明得多的一整套计算轨道的新方法。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）（图5）。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[2]星。图5 哈勃望远镜拍摄的谷神星
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]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”（least square method）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（Adrien Marie Legendre），后者1806就发表了最小平方法。[2]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。
7 名分之争
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[1]（asteroid）。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千米。这样的直径还不到月球的1/10，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1000千米，智神星也有500多千米，远远大于赫歇耳的估计（但仍比月球小得多）（图6）。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巴亏：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，却也像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。图6 地球（右）、月球（左上）、谷神星（左下）大小对比
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）。
这场早期的行星名分之争并未持续太久。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[2]伙通通贬为了“小行星”。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，某些小行星的名分会在时隔两个世纪之后又起了微妙的变化，这是后话。注释[1]赫歇耳提出的名称是“star like”，意思是“像星星一样”，形容其小。“asteroid”是这一名称在希腊文中的对应。[2]这一名分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戛然而止。
8 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他行星，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可以无限增大，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3章中所说，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尚（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4章中所说，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。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]