观察对物理学的作用

第一节　观察对物理学的作用

与其他学科相比，物理学与观察有着更为密切和直接的关系.从根本上讲，物理学是一门实验科学，离开了实验，物理学就失去了存在和发展的基础。所谓实验，就是通过实验工具人为地控制或干预研究对象，使其事件或现象在有利于观察的条件下发生或重现，从而获取科学事实的研究方法。由此不难看出，实验方法是在观察方法的基础上发展而来的，是观察方法的延伸和扩充。所以，从更基本的层次上讲，物理学是一门观察的科学。

从宏观上看，物理学从诞生到发展，靠的就是一代代科学家长期不官的观察和积累。从微观上看，物理学的每一次重大发现和突破，甚至每个课题的形成、确立、研究及成果检验，都与观察密不可分。观察对于物理学，其作用不仅是重要的，而且是多方面的。

系统观察促成了物理学的诞生

哥白尼的《天体运行论》被恩格斯誉为自然科学的“独立宣言”，它樗着从此以后自然科学将从神学的禁锢中解放出来。后人考察《天体运行论》诞生的过程，自然可找到其复杂的社会、文化和学术的背景，但有一点是必须给予肯定的，那就是《天体运行论》是建立在哥白尼自己以及他的前人长期观察而积累的大量科学事实基础上的。

在自然科学的众多学科中，最早发展起来是天文学和力学，这是因为这两门学科与人类的生活和生存有着最直接和最重要的关系。人们从事农业和畜牧业生产，需要掌握季节的变换、气象的变化；在海上航行，则需要辨别方向。通过长期的观察，人们发现这些问题都与天上的太阳、月亮、行星等天体有着某种对应的关系。当人们把注意力集中到观察太阳、月亮等天体的运动并试图总结出它们的运动规律时，便促进了天文学的发展。人们在生产劳动中为了省力以提高工作效率，很早就学会应用杠杆、斜面、滑轮、螺旋等简单机械，这就形成了最初的静力学。在静力学的发展中，人们又形成了重心、比重、力等重要的概念，总结出了杠杆原理、浮力原理等等。天文学的发展为力学找到了一个最理想的“实验室”——天体。在这里，人们可以在纯粹的、最不受干扰的状态下研究它们的力学规律。同样，力学的发展又进一步促进了天文学的研究和发展。然而，在哥白尼之前，天文学和力学却被牢牢地禁锢在圣经、托勒密体系和亚里士多德的体系之中，而不许越雷池一步。

天文学、力学要获得突破性的发展，人们要正确地技术运动现象、建立正确的物理理论，必须冲破神学的束缚。勇敢的哥白尼顺应了时代的召唤，他于1543年出版了朽名著——《天体运行论》，建立了新的行星运行体系，提出了以日心说为核心的天体运行模式，举起了自然科学革命的大旗。

对哥白尼天言语学研究道路产生过深刻影响的是他的老师达·诺法拉。诺法拉是当时意大利波隆亚大学的天文学教授。他鲜明的人文主义思想倾向、坚定的科学探索精神，特别是他勤于观察、重视实测和敢于怀疑的治学方法和科学态度，对哥白尼的一生有着至关重要的影响。具有丰富天文观测经验的诺法拉曾亲自对南欧一些城市的纬度进行过测量，发现实测值与托勒密体系给出的数据不一致。诺法拉还对黄道的倾角进行过精心的观测，发现实测值也与托勒密体系给出的数据有差别。所以，通过这些观测，诺法拉曾对托勒密体系提出过大胆的怀疑。此外，诺法拉还曾带领哥白尼一起观察天象，研究掩星现象。诺法拉的这些观察实践和怀疑精神，带给哥白尼的是思想深处的最初萌动，并由此而逐渐形成了终生的信念。

在诺法拉的影响下，一生以行医和宗教事务为实际职业的哥白尼，把全部的业余时间都用在了进行天文观察和研究上。在波罗的海海滨的弗劣恩堡教堂的小箭楼上，哥白尼30多年如一日，坚持不懈地观察天象，获取了大量的第一手资料。他后来在《天体运行论》一书中所列举的27项观测实例，有25项是他自己量的天文学古籍。从这里，哥白尼了解到历代天文学曾观察到大量的与托勒密体系不符的事实；也是从这里，哥白尼首次了解到古代学者曾提出过的“日心说”理论。把前人的、老师和自己的观察事实结合到一起，哥白尼坚信托勒密体系是根本错误的，对这个体系继续修修补补已无济于事，必须另辟蹊径建立新的行星运行体系。30年的观察，30年的思考《天体运行论》终于在哥白尼“小天文台”中诞生了。

哥白尼及其《天体运行论》的重大历史意义，在于其首先冲破了专利权统治的罗网，从根本上改变了人们的宇宙观。对此，歌德曾评价说：“哥白尼学说撼动人类意识之深，无一种创见、无一种发明可与伦比。当大地是球形被哥白尼证实以后不久，地球为宇宙主宰的尊号也被剥夺了，自古以来没有这样天翻地覆把人类意识倒转过来。如果地球不是宇宙中心，无数古人相信的事将成为一场空，谁还相信伊甸乐园、赞美诗的歌倾和宗教的故事呢。”哥白尼的理论引导着物理学的先驱者们不再盲从神学和亚里士多德的教条，而是以观察事实为依据，去重新认识自然界的运动规律，开始了物理学的独立与诞生的探索之路。从物理学的角度讲，哥白尼的体系在当时仍然是缺乏物理依据的，比如它不能从动力学业原理上回答“即然地球是运动的，那么地球为什么不崩裂？地球上的物体为什么不会滑脱？鸟儿为什么不落在后面？”等等问题。因而，哥白尼理论一方面为物理学的独立与诞生开辟了道路，另一方面其自身的证明又期待着物理学基本理论的建立，而物理学理论的建立，需要更充实、更系统、更精确的观察事实的积累。当物理学正在荆棘与丛莽中跋涉以寻求突破之际，历史把天才观察家第谷·布拉赫献给了物理学。

出身于贵族家庭的第谷以其毕生的精力，用当时最先进的观察技术，广泛、系统、细致、精确地观察并记录了当时人的肉眼所能观察到的几乎所有的天象。20多年中，他观察并记录下的行星的准确位置，最大误差不超过0.067度，这大致相当于把一枚针举到一臂远处，用眼睛看针类时所张的角度，即几乎达到了肉眼所能达到的极限。就是在数百年后人们有了现代仪器，也不得不惊叹他当时的观察是多么的准确。第谷的天才观察所积累的珍贵资料直接导致了并普勒三定律的诞生，而开普勒三定律的确立使人们看到天体运行遵循着自身的、不以人们的意识为转移的物理规律。开普勒三定律为哥白尼日心说体系的胜利奠定了基础更为进一步用地面上的力学来解释天体运动规律作了极为重要的准备。

与第谷和开普勒观察和研究天体相对应，伟大的物理学先驱伽利略，对地球上的力学现象做了广泛的观察和卓有成效的迭加原理等物理学基本的、重要的规律。当构筑物理大厦的基础已经打好，所需材料业已备足时，等待的就是高明的建筑师的出现，于是伟大的牛走上了物理学的舞台。是牛顿把开普勒、伽利略、惠更斯、笛卡儿、胡克等先驱者们的工作综合到了一起，把天上的和地上的力学结合到了一起并加以条理化、系统化、逻辑化，于是，近代物理学终于诞生了。

从哥白尼到牛顿，物理学走过了一条艰难崎岖的诞生生之路。一代代的先驱者前仆后继，不屈不挠，完成了历史赋邓他们的使命。当我们回首往事的时候，会看到哥白尼、第谷·布拉赫等人不辞劳苦的系统观察对物理学的诞生起了怎样的基础性作用。其实，那正是物理学诞生的一个坚实的起点。

物理学研究在观察中进行

观察是物理学研究的源头活水，它不断地为物理学研究带来新素材，新证据和新动力。当一个从未被人们了解的物理现象被观察到以后，人们首先想到的是用已有的物理理论对其进行解释，使归入到已构建的物理体系中去。如果这种浓度失败了，人们就可能另辟蹊径，从一个新的角度去对这些观察事实进行研究，并逐步弄清它的全部真相。所以，一个新的观察，就可能形成一个新的课题，开辟一个新的领域。而当新课题确立之后，反过来将进一步促进对新现象的全面、深入的观察。随着材料的积累和认识的深入，人们又会对新现象提出各种接近事实的新解释，这就形成了物理学研究过程中的假设性理论。假设性理论形成后，又将再回到观察实际中去，用更直接、更典型的观察对其加以验证。从课题的形成到假设的提出和理论的验证，物理学研究的每一个阶段，始终离不开观察。可见，物理学研究是在观察中进行的。

（1）观察导致研究课题的形成。

物理学研究课题的形成虽然有多种途径，但都必须以观察事实为基础。因而，从这个角度讲，所有的物理学研究课题都直接或间接地来自于观察。

1827年6月，英国植物学家布朗在用显微镜观察克拉花花粉时发现，悬浮在液面上的花粉总是在不停地、杂乱无章地运动着。在排除了液体流动和液体缓慢蒸发等因素后，布朗认为，这可能是由花粉自身的原因引起的。接着，布朗把他的观察推广到各种当时所能收集到的新鲜花粉，结果都看到了类似的现象。再后来，布朗又对煤粉、玻璃粉、岩石粉、金属粉等无生命物质的微粒进行了观察，同样看到了类似花粉粒的无规则运动现象。这就否定了这种运动与生命物质有关的解释。布朗自知无法正确解释这一观察事实，所以在1828年6月到8月，先后以《论植物花粉中的微粒》和《论有机物和无机物中活性分子的普遍存在》为题发表了论文，宣布了他的重大观察事实。这就是后来被称为“布朗运动”的发现经过。

限于当时物理学发展的水平和物理学家的认识能力，布朗的这一不寻常的观察发现并没有引起足够的重视。到了19世纪50年代，热力学第一定律和第二定律相继建立起来后，“热质说”理论最终退出了历史舞台，“热动说”理论被人们普遍地接受，于是促使了古老的分子运动论理论的复活，物理学家们开始关注和研究热与物体各组成部分的运动的确定关系，于是逐渐把目光投向了布朗运动，使其成了物理学研究的一个新的课题。

不少物理学家曾涉足布朗运动这一课题。麦克斯韦在1860年、德耳索在1877年、拉姆塞在1879年都曾指出，微粒的无规则运动是受到周围液体分子不均衡的冲击造成的。卡伯涅斯在1870年则说得更为具体：“在表面较大的情况下，虽然液体分子对其所悬浮的物体发生撞击时会产生压力，但不能使物体产生位移，因为它们对物体的作用力的总和在各个方向上都相等。可是，如果观察的这个表面比较小，以致不能使无规则运动抵消，那么就不能再认为是平均压力，而必须考虑的是彼此不能平衡而又处处不断变化的压力。大多数规律不能再使这个压力合成不变的数值，它们的合力不等于零，它们的强度和方向将不断地变化。”“让我们设热物体的体积越小，则压力的不均等情况就会变得越来越明显，因而振荡就变得越来越快……”

然而，这些研究仍都停留在定性解释阶段，不能从根本上揭示布朗运动的本质原因。到了1905年4月，爱因斯坦连续发表了两篇关于布朗运动的论文，从分子运动论的观点，用统计平均的方法，对布朗运动做了定量的分析研究，使这一课题有了突破性的进展。爱因斯坦论文的重大意义主要有以下几点：①从理论上完全解决了布朗运动这一研究课题；②提出了测定分子大小的新方法，为分子运动论提供了实际依据；③从理论上计算出阿伏加德罗常数NA的数值，提出了用实验测量阿伏加德罗常数的方法。

1908年，佩兰和他的学生肖塞格对这一研究课题做了一系列出色的实验，以无可辩驳的事实证实了爱因斯坦的理论预测，为这一研究课题划上了一个圆满的句号。

布朗运动这一具有经典意义的物理研究课题，它的最终解决，使其成为分子运动论在物理学中确立的重要依据，而这一重大物理课题的形成，却源于一个植物学家的一次偶然观察，可见观察对于物理研究课题形成的重要意义。应该指出，有价值的观察并不都是偶然的，物理研究课题的形成常常是从大量的、有目的的观察中提炼出来的。虽然物理研究课题的形成并不是都直接来自于观察事实，它可以直接来自于文献资料，可以直接来自于理论抽象，也可以直接来自于已有的研究成果，但是归根到底，文献资料、理论抽象、已有的研究成果等等，它们最初的形成都必然以一定的观察事实为基础。所以，观察导致了物理研究课题的形成这一点是不容置疑的。

（2）观察是形成假设性理论的依据。

巴甫洛夫曾指出：“鸟的翅膀无论多么完善，如果不依靠空气支持，就绝不能使鸟体上升。事实就是科学家的空气，没有事实，你们就永远不能飞腾起来，没有事实，你们的‘理论’就是枉费心机。”

科学理论的形成必须以观察事实为依据。试想，如果没有第谷·布拉赫辛勤一生所观察积累的大量的、系统的、精确的资料，开普勒再有天才也绝对想像不出行星运动三定律。当研究课题形成以后，人们的观察就会变得更专注、更深刻；有时则要刨设一些情境来观察自然条件下难以出现的事实（这就是实验），以便更广泛地积累观察事实。当观察事实积累到一定量的时候，科学家们就会经过分析、归纳、抽象，提出初步的理论，以对课题所包容的所有或大部分已观察到的事实作出解释，并预见新的还未被观察到的事实，即提出一个揭示某一类观察事实的基本规律。

古代人类很早就注意到了彩虹现象。白色的太阳光照到雨后的天空会突然出现一条七色的彩虹。对此，人们无法解释，只能赋予它许多神秘的猜测。我国唐代张志和的《玄真子》中记载着“背日喷水，水成虹霓之状”的事实，大概是较早的用实验再现和观察彩虹的记录。

13世纪德国有个叫西奥多里克的人，他用装满水的玻璃球壳观察阳光，看到了与雨后天空中彩虹一样的现象。彩虹的实验观察，使人们相信它不是什么天神的旨意，而只是一种特殊的自然现象，从而增强了人们揭开彩虹之谜的信心。与彩虹问题一样，古老而又与之紧密相连的是颜色问题。自古以来，人们就看到了自然界里的红花、绿叶以及多彩的万物，但却不明白为什么同样的太阳光照在不同的物体上会出现不同的颜色？彩虹问题、颜色问题构成了光的色散问题，成为物理学的一个重要研究课题。

大约在1600年，两种扩大人类视野的重要观察仪器——望远镜和显微镜几乎同时诞生了。伽利略用望远镜观察并向世人描述了一系列出人意料的天文景观，为哥白尼理论找到了铁定的观察证据，而胡克则用显微镜看到了一个植物生命的最小单位一细胞。这些，在科学界激起了极大的兴趣。但是，当人们试图尽可能增大望远镜和显微镜的放大倍数时，却发现不可避免地会出现像差和色差。使人迷惑的是，为什么在图像的边缘总会出现颜色？人们预感到这又是光的色散问题。

应用技术的发展，使科学家们看到色散问题的解决不仅很重要，而且十分迫切。所以从17世纪开始，许多科学家开始了色散问题的研究。

1637年，笛卡儿在他的《方法论》一书中专门用一篇附录来讨论彩虹问题。在附录中，他介绍了自己做过的一个棱镜实验。他用一个三棱镜将一束太阳光折射后投到墙上，看到了光的色散现象。但十分遗憾的是，笛卡儿用来做屏幕的墙离棱镜太近，看到的只能是光带两侧的红色和蓝色，而无法看到完整的色散光谱，因而也就不可能对观察事实作出科学的、全面的解释。

1648年，马尔西用类似于笛卡儿的方法，用三棱镜观察色散成功，可是他却错误地认为红光是浓缩了的光，蓝光是稀释了的光，光受到了不同物质的作用便呈现出不同颜色。

1666年，牛顿开始了光的色散研究。牛顿在剑桥学习时，他的老师巴罗对光学很有研究，牛顿帮他编写过《光学讲义》并做过许多光学实验，这培养了他对色散现象研究的兴趣。牛顿首先分析了前人的研究成果，并受笛卡儿和马尔西的启发，从棱镜实验开始做起。牛顿把散射光投到离棱镜6—7米的墙上，获得了完整的展开光谱；进一步的实验观察，牛顿确认：①不同色光通过棱镜时具有不同的折射性能；②阳光通过棱镜而发生的色散现象，不是由于阳光与棱镜发生某种相互作用的结果，而是阳光本身就是由多种色光复合而成的。

在进行了大量的实验观察，获取大量的实验事实的基础上，牛顿开始提出他的色散理论，主要总结出如下几条规律：①光线随其折射率不同，颜色也不同。颜色不是光的变态，而是光线原来的、固有的属性。②同一色属于同一折射率，不同的色，折射率不同。③色的种类和折射的程度是光线所固有的，不会因折射、反射或其他任何原因而改变。④必须区分两种颜色，一种是原始的、单纯的色，另一种是由原始的颜色复合而成的色。⑤本身是白色的光线是没有的，白色是由所有色光按适当比例混合而成的。⑥由此可解释棱镜形成各种色的现象及彩虹的成因。⑦自然物体的色是由于对某种色光的反射大于其他色光反射的缘故。⑧把光看成实体有充分的根据。

牛顿的色散理论，以大量的实验观察为基础，有着充分的依据。重视实验和观察，重视从事实中归纳出普遍结论，是牛顿进行科学研究的重要方法。牛顿对色散问题的研究为后来的物理学家们树立了光辉的榜样。

（3）观察事实是检验理论的标准。

在观察事实的基础上，某种理论一经建立，它就必须再回到观察实践中去，由更多的观察事实对其真理性进行检验。一般说来，一个完整的科学理论，应提供能够检验其真理性的预言和观察方法。只有实际观察到了某一理论所应解释或预言的事实，才能说明这一理论获得了相应的检验。应该指出，某一理论只有经过科学事实的反复验证，才能最终被确立为科学理论。一个精度不很高的观察事实或实验就可以否定一个理论，而一系列精度很高的观察事实或实验却不能最终肯定一个理论。但是，每一个有利于理论的观察事实和实验，都使得理论向真理迈进了一步。

广义相对论建立以后，爱因斯坦提出了三项供检验的预言：一是水星近日点的进动；二是光线在引力场中的弯曲；三是光谱线的引力红移。这三项预言都是通过广义相对论理论计算出的结果，如果观察所得结果与理论计算结果相符，则在一定程度上证明广义相对论的正确；反之，则说明广义相对论是错误的。

三项预言中最先得到确认的是水星近日点的进动。水星是靠太阳最近的一颗行星，椭圆轨道偏心率很大。进入19世纪以来，人们就发现水星近日点相对于宇宙空间的固定方位不断缓慢地变化着，即每转一罔，轨道长轴方向就会转过一个微小的角度，这种现象就叫做“进动”。

1859年，勒威耶发现，水星近日点进动的观察值比应用牛顿定律计算出的理论值每世纪要快38角秒，所以他猜想在水星与太阳之间可能还有一颗未被发现的小行星，由于在计算中没有考虑到它对水星转动的影响而造成了水星进动理论值与观察值的误差。但是，多年的搜索，人们始终未能找到勒威耶预言的小行星。

1882年，纽康姆通过更细致的观察和计算，得出水星近日点剩余进动为每世纪43角秒，但他仍未能给出令人满意的解释。于是，水星近日点的进动成了物理学的一大难题，从而引起人们对牛顿万有引力定律的怀疑。在广义相对论中，爱因斯坦把行星的绕日运动看成是在太阳引力场中的运动，由于太阳质量而引起空间的弯曲，使得行星绕太阳一周近日点产生的进动为

ε＝24π²a²/T²c²（1－e²）

式中：a——行星半长轴，c——光速，e——偏心率，T——公转周期。

将水星的相关数据代入公式得到ε＝43″/世纪，恰好与纽康姆计算的剩余进动相符，这就说明43″/世纪的剩余进动是由于相对论效应引起的。因此，这个结果解决了牛顿引力理论的一大难题，成了广义相对论的有力证据。

在牛顿力学中，质点经过引力场时都发生偏折。进入20世纪以来，人们已接受了光的量子性观点，所以光子在引力场中发生偏折是自然而合理的，也就是说，一束光经过太阳表面时，由于受太阳引力场的影响，传播方向要偏折一个θ角。在牛顿力学的框架内，很容易计算出这个角度是θ＝0.87″，这是一个很微小的角度。在狭义相对论中，因为空间保持了欧几里德几何性质，计算结果不发生变化。广义相对论建立以后，爱因斯坦在汁算时不仅考虑了太阳的引力作用，还考虑了太阳质量导致周围空间发生的弯曲对光线偏折的影响，得到的结果是θ＝1.75″，正好是平直空间情形下的2倍。爱因斯坦的这一预言，引起人们的极大兴趣，因为它是对广义相对论最明确的也是最严峻的考验。然而，要实际观察这一效应是很困难的，因为当遥远的恒星发出的光经过太阳表面时，正是我们的白天，此时背景太亮，我们根本看不到星，惟一的机会就是等待日全食。

1919年5月29日，机会终于来了。在英国天文学家爱丁顿的鼓励下，英国派出了2支远征队：一队由爱丁顿本人率领，远赴非洲西部的普林西比岛；另一队则由天文学家克劳姆林率领，远赴巴西的索布腊尔。经过对这两支队伍带回的日全食太阳照片的仔细分析研究，观察结果分别是1.61″±0.30″和1.98″±0.12″，在误差范围内与爱因斯坦计算的结果相符。1919年11月6日，英国皇家学会和皇家天文学会正式宣读了这两支队伍的观测报告，确认结果支持广义相对论。11月7日，新闻媒体报道了英国天文学家的观察结果，爱因斯坦一下子成了世界名人。

关于光谱线的引力红移以及后来人们设计的雷达回波延迟两项检验广义相对论的观察，也都先后被证实是正确的。总之，到目前为止，所有的观察都是支持广义相对论的，还没有发现明显地违反广义相对论的事实，所以广义相对论越来越令人信服了。

物理学的研究从形成课题到提出理论再到理论的检验，都与观察紧密相连。所以，观察是物理学研究最根本的基础；离开了观察，物理学研究就无法开展，物理学就会停滞不前。

观察是导致物理重大发现的途径

从物理学史中我们可以清楚地看到，在物理学的诞生和发展的过程中，科学的物理观察起到了极为重要的作用，观察成了物理学的基础性工作。然而，从另一个角度看，观察也是物理学研究的基本方法之一。且不说在早期的物理学研究中观察是物理学研究的主要方法之一，即使在现代的物理学中观察仍然是重要的基本研究方法，特别是在天体物理学、宇宙学等研究课题中，人们无法控制、干预或改变研究对象，只能用客观观察的方法进行研究。在这里，人们所要做的就是观察方案的设计、方法的优化、仪器的改进以及观察信息的科学处理，以获得有价值的成果。

观察作为物理学的基本研究方法，曾导致了物理学的一些重大发现，推动了物理学发展的进程。客观地说，一次偶然的观察，也许就可能获得一个有价值的发现，如布朗发现布朗运动就带有一定的偶然性。然而，就一般情况而言，以观察作为物理课题研究的基本方法，要想获得重大发现，则需要通过长期的、系统的、准确的材料积累，需要付出更为繁重、艰苦的劳动，需要有更大的耐心与毅力。

自古以来的传统宗教观念认为，太阳系除了地球以外只有5颗行星。哥白尼建立日心说体系时，把太阳系的边界放在土星上，康德在提出太阳系起源的星云假设时，也把太阳系的边界放在了土星上。而1781年3月，英国天文学家赫歇尔在经过长期艰苦的观察后，发现了太阳系的第六颗行星——天王星，还算出天王星距太阳的距离约为28亿千米，相当于日地距离的19倍，绕太阳公转的周期为84年。这一发现，打破了太阳系只有5颗行星的传统观念，把太阳系的范围一下子几乎扩大了1倍。

以演奏风琴为职业的赫歇尔，对艺术有着特殊的天赋，他的风琴演奏曾使伦敦的许多听众为之倾倒。凭着杰出的演奏才能，赫歇尔完全可以轻松、潇洒、富有地度过一生，然而，他却近乎痴迷地爱上了天文观察。为此，他忍受着半生的清贫困苦、一生的艰辛劳累，乃至于终生未娶。

赫歇尔在选取天文学作为自己的事业追求时，十分明白天文观察是“最吃苦、最吃力”的学科。人生相对于宇宙，在时间和空间上都显得极为渺小。像第谷那样天才的天文观察家，一生也未能实现观察记录1000颗星的愿望；哈雷生性敏锐并幸运地发现了哈雷彗星，但也未能再见它一面而匆匆辞世。这些人虽有抱憾，但毕竟有所建树而青史留名。可大量的天文工作者，一生受着寒夜的折磨，在迷乱的星阵里摸索，但终无所成而默默谢世；更何况作为业余的、自发的天文研究，得不到半点官方或社会团体的资金、场所、设备的援助。对于只有菲薄收入的赫歇尔来说，由此带来的困难可想而知。然而，这些都未能动摇赫歇尔的决心和意志，他在极端困难和艰苦的条件下，进行着卓有成效的研究。

赫歇尔在其观察研究中，首先注重改进观察仪器，制造出更适合自己应用的大型望远镜，以便能看得更远，看得更清——他一生亲自磨出400多块镜片，最大的直径达1.22米，因此成为名副其实的制镜高手；其次是熟悉天空，做到心中有数——为了弄清天上到底有多少颗星，他把天空分成638个天区，以后又进一步分成1083个天区，一个区一个区地观察记录并在图上标示。

赫歇尔一生共计数出不下117600颗星，可想这是一项多么繁重而艰苦的工作。正是由于勤奋刻苦的工作对茫茫星海了然于胸，所以天上任何一个不速之客的出现都不会逃过赫歇尔的眼睛。当发光微弱、行动迟缓的天王星出现在天上时，一下子便被赫歇尔抓住了，几十年的艰辛劳作终于结出了一个伟大的硕果。

天王星发现的意义，不仅仅是把太阳系的范围扩大了不起倍，更重要的是为以后天文学和天体物理学的发展提供了一个新的起点。

众所周知，天王星的发现是以后海王星和冥王星发现的前提，而后者则是牛顿万有引力定律的有力证据，应该指出的是，赫歇尔的天文学成就是多方面的，他是第一个确认太阳也在运动的学者，并由此开创了恒星天文学；他把万有引力定律应用到太阳系以外的天体上，发现了双星运动的物理本质；他第一个把天文学研究从太阳系扩展到银河系，开创了实测银河系结构的先例；他开辟了从星云到恒星起源演化研究的道路。此外，他还发现了天王星和土星的各2颗卫星。正是由于赫歇尔的这些伟大发现和开创性的工作，使其成为18世纪世界天文学和物理学天空中一颗最璀璨的明星。