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利用数学这根拐杖发现了海王星

时间:2022-08-24 百科知识 版权反馈
【摘要】:也许我们该为伽利略错失了摆在眼前的发现海王星的机会而叹惜!艾里向亚当斯要求进一步证实他的计算,但遗憾的是,亚当斯没有给予回应。当然,最终的结果是,亚当斯和勒威耶共享了“笔尖上发现海王星”的成果,英国皇家天文学会把两枚金质奖章分别授予勒威耶和亚当斯。而海王星的发现,给我们的印象最深刻的,是科学利用了数学这根拐杖,解决了一个宇宙中的难题,也进一步印证了牛顿万有引力的“普遍性”。

在太阳系的八大行星中,海王星无论是质量还是体积,都不算突出,只是它位于距离太阳最远的轨道上,所以在八大行星中被最晚发现。

1989年8月25日,已经在太空中飞行12年之久的旅行者2号,拜访了这颗直径大约是地球的4倍、质量大约是地球17倍的远日行星,并近距离拍摄了它的“玉照”。海王星通体发蓝,就像蔚蓝的大海在幽幽地发出它那让人心悸的蓝光,所以西方人用罗马神话中的海神名字尼普顿来命名它,中文翻译为“海王星”。

在1846年9月23日海王星正式被发现之前,已经有许多天文学家发现了它的存在,只是“不识庐山真面目”。这真有点“我(海王星)本将心向明月(科学家),奈何明月照沟渠”的味道。

伽利略在1610年1月发现了木星的四颗大卫星后,对木星及其四颗大卫星进行持续地跟踪观测,发现有一颗星星分别于1612年12月28日和1613年1月27日在不同位置上靠近木星,伽利略认为这颗星星是恒星。而根据现在的天文资料分析可知,伽利略记录的这两个日子,该位置没有出现恒星,而恰恰出现的是海王星!

也许我们该为伽利略错失了摆在眼前的发现海王星的机会而叹惜!但在伽利略生活的年代,还在持续争论着“到底地球是宇宙的中心还是太阳是宇宙的中心”的论题,不管从望远镜的制作水平,还是对宇宙的认识水平,都不具备发现“海王星是一颗行星”的条件。

1821年,法国天文学家、巴黎天文台台长布瓦尔(Alexis Bouvard,1767~1843)出版了天王星的轨道表,在之后的观测中,使他感到非常震惊的事件发生了,布瓦尔发现,根据1781年后的观测数据,利用牛顿万有引力定律计算出的轨道,与观测到的天王星的轨道数据存在很大的出入,这种出入肯定不是“误差”造成的。对布瓦尔来说,他根本无法解决这个问题。在其后的20多年时间里,这个问题一直缠绕着天文学家们。

到底是牛顿万有引力定律在超长距离时不适用了,还是天王星受到其他星体的摄动而发生实际位置与计算位置的偏差?

英国的亚当斯(John Couch Adams,1819~1892)和法国的勒威耶(Urbain Le Verrier,1811~1877)认为是后一种情况。

1841年7月,年仅22岁还是英国剑桥大学学生的亚当斯偶然读到格林尼治天文台台长乔治·艾里爵士(George Biddell Airy,1801~1892)关于天王星运动“异常”的报告,对此问题他产生了极大的兴趣。他马上根据已有的观测数据,利用牛顿万有引力定律对天王星的运行轨道进行计算。在1843年末,亚当斯得出一个结论:天王星的“异常”运动来自其旁边存在一颗未知行星的影响。亚当斯经过反复思考和计算,两年后推算出这颗行星在天空中的轨道、质量和当时的位置。

海王星

亚当斯马上把自己的研究成果寄给了当时的英国皇家天文台台长乔治·艾里爵士,请求他用天文台的大型望远镜来搜索这颗他已经计算出初步位置的未知行星。但艾里发现,亚当斯的计算存在一定的缺陷。艾里向亚当斯要求进一步证实他的计算,但遗憾的是,亚当斯没有给予回应。按照亚当斯的晚年回忆,他觉得没有必要对艾里的疑问进行回应。

也许艾里觉得,亚当斯就是一名天文学爱好者,他的计算又有缺陷,这事就不值得大动干戈,利用皇家天文台望远镜去搜索一个不太靠谱的行星,况且这颗行星到底存在不存在还是个问题。这样,事情就被耽搁下来了。

1845年,法国巴黎工科大学教师U.勒威耶也在对天王星的运动轨道进行计算,他得出的结论与亚当斯一样,认为天王星的“异常”运动是由一颗未知行星的引力造成的,而且他比亚当斯更准确地计算出了这颗未知行星的位置,并将成果刊登于1846年7月的伦敦《泰晤士报》上。此前,勒威耶也将自己的计算结果寄给了艾里,艾里才重视起还“躺”在自己抽屉里的亚当斯的研究成果。艾里马上要求剑桥天文台搜索这颗行星,但剑桥天文台的研究人员虽然观测到此行星,却认不出来!勒威耶又将自己的计算结果寄给巴黎天文台,但巴黎天文台的观测者们无动于衷的态度令勒威耶有些心寒。于是,1846年8月31日(即比亚当斯报告给艾里的时间要晚一些),勒威耶将自己的计算报告寄给了德国柏林天文台的天文学家加勒(Johann Gottfried Galle,1812~1910) 。接到信的9月23日晚上,加勒和他的助手马上在预计位置进行搜索,在第二天凌晨就发现了这颗未知的行星。

勒威耶

消息传到伦敦,亚当斯马上披露自己的计算结果早于勒威耶,只是自己的研究文稿被锁在英国皇家天文台台长艾里的抽屉里了。一时之间,艾里成为科学官僚的典型代表受到大众的挞伐。根据后来的研究,有科学史家认为,即便当时艾里按照亚当斯提供的计算位置进行搜索,也是无法发现海王星的,因为亚当斯的计算缺陷较大,而艾里正是因为亚当斯无视他指出的缺陷,才不对亚当斯的研究成果引起重视的。

当然,最终的结果是,亚当斯和勒威耶共享了“笔尖上发现海王星”的成果,英国皇家天文学会把两枚金质奖章分别授予勒威耶和亚当斯。

虽然,有科学史家还是对亚当斯享受此荣誉颇有微词,但也是一面之词而已,甚至是一些科学家因为民族主义荣誉感作祟而进行的人身攻击罢了。

而海王星的发现,给我们的印象最深刻的,是科学利用了数学这根拐杖,解决了一个宇宙中的难题,也进一步印证了牛顿万有引力的“普遍性”。

这根拐杖的作用也太大了!

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