牛顿之后的天文学

牛顿之后的天文学_我想知道的西方科

第六章　牛顿之后的天文学

此前，当我们讲解天文学时，我们看到了许多伟大的名字，从最初的亚里士多德、托勒密，再到后来的哥白尼与开普勒等，他们的成就构成了天文学史的主体内容。这些伟大的名字不但为专业天文学家所熟悉，也活跃在我们这些普通人的大脑里。

自从文艺复兴以后，牛顿也在18世纪早期去世，天文学史上便再也没有如前面几位一样划时代的大师了，天文学发展的主力已经变成由各式各样的天文学家参加的群英会，由于他们的共同努力，天文学在18、19、20世纪继续发展。

在18与19两个世纪，天文学发展主要是三大发现：一是哈雷彗星的发现，二是布拉德雷发现光行差，三是新行星的发现。

—哈雷彗星—

哈雷在缺少天文英雄的18世纪算得上是一个小英雄，他的名字也为我们所熟悉。他对天文学有不少的贡献，其中最大者自然是发现哈雷彗星。

哈雷1656年出生于伦敦，老爸是个阔佬，他从小就接受了良好的教育，中学就读于有名的圣保罗学校，毕业后进入牛津大学女王学院，这时他已经显示了对天文学研究的兴趣与天赋。

1676年，大学还尚未毕业时，一次偶然的机会使他放弃了学业，到南大西洋的圣赫勒拿岛——就是曾囚禁拿破仑的那个小岛——去测定南半球天空中的星星。我们知道，地球的南北半球天空上的星星是不一样的，有些北半球的星星南半球的人们永远看不到，对于北半球的人们也是如此。

在南半球，哈雷进行了大量卓有成效的观测，例如精确测定了几百颗恒星的位置，观测了水星凌日现象等。两年后回到英国，他即被选为皇家学会会员，并获颁牛津大学硕士学位。

1684年，哈雷特意去拜访牛顿，交谈中得知了牛顿许多伟大的创见，只是由于害怕受到对手的攻击而犹豫是否公开，哈雷竭力劝说牛顿，并且提供了资助。那时就像现在，科学著作的出版通常是要作者自己掏腰包的。哈雷的努力乃是《自然哲学的数学原理》这部堪称西方科学史上第一部经典的巨著得以面世的重要原因之一，这就称得上是对科学一个了不起的贡献了。

又两年后，哈雷被委任为皇家学会秘书，他担任此职直到10年后牛顿推荐他接替其皇家造币局局长一职。后来哈雷又去了一次南半球，在南大西洋作了一次远洋航行。

1704年，哈雷担任了牛津大学的几何学教授，它就像牛顿曾担任的剑桥卢卡斯讲座教授一样，是一个崇高的学术职位。次年，哈雷出版了《彗星天文学概论》，在书中指出，1531年、1607年、1682年出现的三颗彗星是同一颗。以前，人们都认为彗星是天空中匆匆的过客，一过之后永远不再回头，我们每次看见的都是一颗新彗星。现在，哈雷却指出彗星像行星或者月亮一样，也是绕着太阳旋转的天体，也有一定的公转周期，让当时的人们大吃一惊，半信半疑！

他的话一开始有很多人不信，直到1758年，彗星果真按照哈雷所预言的日子回地球了，怀疑者们才真的信服哈雷。可惜的是，哈雷自己并没有看到这光辉的一刻，因为他早在16年前就已经去世了。这颗彗星后来就被命名为哈雷彗星。哈雷彗星是唯一一颗准时回归地球、我们人类用肉眼就看得清楚的大彗星。也正因如此，它才如此有名。它最近的一次回归是1986年，那时从天文学界到新闻界非常热闹，仿佛那不是一颗彗星，而是真正的天外来客呢！

如果1986年没有看到哈雷彗星的话，那就有点儿遗憾了，因为这意味着您一辈子都很可能看不到这颗如此有名的彗星和它那美妙的倩影呢！根据它的回归周期约75年算，它下一次回归要等到2061年！

由于哈雷对哈雷彗星的研究与推算都是以牛顿力学为工具的，因此哈雷准确地预言哈雷彗星后，人们就像相信他的预言一样相信牛顿力学的正确性了。

1720年，哈雷被任命为一个英国天文学家能够担任的最好职务——皇家天文学家兼格林尼治天文台台长。

1742年，哈雷逝世于格林尼治。

—亲眼看到地球的运动—

18世纪天文学的第二个重大成就是布拉得雷发现光行差。

布拉得雷也是英国人，1693年生，牛津大学毕业，年仅25岁时，由于哈雷的鼎力推荐，当选为英国皇家学会会员，3年后就担任了牛津大学的教授。1742年，哈雷去世后，他担任格林尼治天文台第三任台长，1748年时获皇家学会的科普利奖章，1762年逝世。

科普利奖章是由牛顿在1703年至1727年任英国皇家学会会长期间由学会成员之一的戈弗雷·科普利爵士设立的。他出资建立了一笔自然科学进步基金。在牛顿死后，这种基金成为固定的制度，每年从基金中拿出钱来颁发“科普利奖章”，作为皇家学会的主要奖项之一颁发。

布拉得雷对天文学最重要的贡献是发现光行差。

所谓光行差，就是当我们观察某一颗恒星时，所看到的它的方位——可以称为视觉方位——与这颗星的实际位置之间的差异。

这是什么意思呢？现在我们假定地球是不动的，那么我们观察某一颗恒星时，会看到它在某一个位置，姑且称之为位置A，这个位置A也会是此时恒星实际所在的位置。但我们知道地球并不是固定不动的，它既在公转，又在自转。这样，我们在某一个时刻所看到的恒星的位置与这颗恒星此刻的真实位置是不同的，或者更具体地说，是这颗恒星在这个时刻之前的某个时刻的位置。

这是为什么呢？这里有两个原因：除了地球在运动之外，另一个同样重要的原因是光速并不是无限的，因此恒星发出的光到达地球需要一定时间。假如地球是静止不动的，那么不论光线在路上要走多久，它到达地球、为我们所看到时，我们看到的那个光点的位置仍然会是恒星此时所在的位置。这是因为恒星不动（虽然恒星也在运动，不过在这里可以忽略不计），地球也是不动的，且光是直线传播的。或者假如光速是无限的，即它到达地球所需的时间是零，那么无论距地球多么遥远，或者地球运动有多快，我们所看到的恒星的位置都将是它此时的真实位置。

然而不是这样，一方面光速是有限的，也就是说，它从恒星到达地球需要一定的时间，事实上这是相当长的时间。例如距地球最近的非太阳恒星半人马座的α星，即比邻星，它的光线到达地球所需要的时间也要4.3年。同时地球也在运动，那么，在任何一个时刻，我们所看到的恒星的方位与它此时的真实位置就会有所不同了。这就像您本来站在我的正北，我朝东走了一会后，就会看到您已经到了我的西北方向一样。虽然您实际上是站着不动的，我却觉得您的位置变了——这实际上是我自己在动的结果。

发现光行差的意义在哪里呢？它最主要的意义之一是：它彻底击溃了地心说。就像我们上面所言，如果地球是不动的，而恒星距我们是如此遥远，也可以看作是不动的，同时光线是直线传播的，因此在任何一个时刻，我们所看到的恒星的位置就应当是它的真实位置。而当光行差发现之后，即发现恒星在某一时刻的视觉位置与它的真实位置有差异。那么既然恒星是静止的、而光线是直线传播——当然光线也可能是弯曲的，这我们在后面讲物理学谈爱因斯坦时会说，但在这里却不必考虑。那么剩下的唯一可能的原因就是地球在动了。

如此一来，地心说就彻底玩完了。

布拉得雷发现光行差的过程比较简单：他观测天龙座的γ星时，发现它与附近的恒星的方位都有一种有规律的移动，它们是一种以周年为单位的有规律的移动，并且与地球的运行方向有关。这样，既然恒星是不动的，那么唯一的可能性就是地球在动了。这就是因为地球在运动而带来的光行差，它直观地证明了地球的运动。

—轰动世界的新发现—

18世纪第三个重要天文学成就是两大行星的发现。

自古以来，人们就理所当然地认为天空只有五大行星，日心说被承认后，包括地球也只有六颗行星，这似乎是天经地义之事。

然而，到了18世纪后期，这个天文学的“常识”被打破了。

打破这个常识的是威廉·赫歇耳爵士。

赫歇耳是西方天文学史上开普勒之后最伟大的天文学家，也是整个天文学史上最有意思的人物之一。他的有趣表现在两个方面：一是他的生活经历；二是他的家庭。

威廉·赫歇耳1738年生于德国汉诺威一个贫寒之家，共有兄弟姐妹6人。赫歇耳的父亲是禁卫军中的双簧管手，据说求知欲十分旺盛，酷爱读书，尤其是个天文爱好者，从小除教孩子们音乐外，还教他们观看壮丽的星空。他大概觉得他的职业很好，既有从军的好处，又没有从军的坏处——不要拿枪打仗。因此，他在子女们还很小时就培养他们的音乐细胞。威廉也是这样，才4岁时父亲就叫他吹双簧管，不久他就成为行家里手，并打算将来以此谋生。他上学时成绩优良，但由于家庭经济困难，他在14岁时就放弃了学业，作为乐手加入汉诺威军队，在军队里拉小提琴兼吹双簧管。

1756年时，爆发了西方历史上有名的“七年战争”。战争主要在英法之间进行，那时汉诺威是英国属地。第二年法军占领汉诺威，汉诺威军队被解散。威廉·赫歇耳便逃到了英国。他先是靠抄乐谱为生，后来经过努力，社会地位不断上升，成了作曲家和一座很好的教堂的管风琴手，生活条件优渥起来。此后，他那天生的求知欲又萌发了，他开始将目光转向了音乐之外的东西，首先就是天文学。

一开始赫歇耳就显得与那些科班出身的天文学家不同，他根本不满足于观测距我们相对较近的天体，例如太阳、月亮、五大行星等，而是将目光投向了其他更加遥远的、从来没有人仔细看过、了解过的天体。他明白要做到这点靠闭门造车、在屋子里构思一个体系是不行的，他必须亲眼去看。这样做首先就必须有一架好望远镜。而那样的望远镜价格极为昂贵，他是负担不起的，最后他毅然决定亲自动手制作一架。

历经多次努力、千辛万苦、屡败屡战，他终于制成了一架品质极优的望远镜，甚至比当时最好的望远镜都要好，比大名鼎鼎的格林尼治天文台所用的望远镜还要好，它的目镜能够放大达6千余倍！

靠着这架当时最先进的望远镜，赫歇耳开始搜索太空，不久后就有了惊人的发现。

这是1781年3月13日的事。这天晚上，赫歇耳像往常一样用他的大望远镜搜索茫茫太空，忽然在双子星座里发现一颗奇怪的星星——它在动！

他知道，能动的只有流星、彗星或者行星，那当然不是一闪即逝的流星。赫歇耳开始以为它是颗彗星，那在望远镜下的天空中是比较常见的，然而经过一段时间的观察，他发现那不是彗星，因为彗星的轨道是狭长的椭圆形，而它的轨道却近似圆形。这样他不能不得出一个结论了——这是颗行星！

想想吧！一颗行星，一颗在太阳系之内的我们地球的兄弟之星！这是何等了不起的发现！可以说，自从天文学家们开始扫描太空以来，没有比这更激动人心的新发现了！

一开始，赫歇耳为了感谢收留他的英国，决定将这颗新行星命名为“乔治之星”，奉献给当时的英王乔治三世。他在自己的有生之年也一直这么称呼。但他死后，天文学家们就按历史上的惯例以古希腊罗马的神来命名它，称为天王星，即Uranus，就是古希腊神话中的天父乌拉诺斯，我们将之译成天王星。洋洋得意的英国人一开始还称“乔治之星”，然而敌不过喊“天王星”的人多，后来也慢慢地跟着叫天王星了。

天王星的发现轰动了天文学界，赫歇耳也因此一举成名天下知。

他有一个好朋友，名叫沃森，曾是他的邻居，也是一位著名的科学家和皇家学会会员，把他推荐给皇家学会。学会特颁发他以科普利奖章，并选他为会员。次年沃森又帮他从英王那里获得了一个职位——皇家天文学家，每年薪俸200英镑。

作为国王的御用天文学家，赫歇耳不久便移居到了王室温莎堡住所附近一个叫达切特的小镇。从此他就放弃原来的音乐家职业，全心全意地搜索起太空了。这时赫歇耳才算成了专业天文学家，是年他已经43岁了。

此后，凭着他的好望远镜和一双慧眼，赫歇耳作出了许多重要的天文发现，其范围遍及所有类型的天体，包括他相对而言不那么关心的太阳、月球、五大行星、小行星等，例如他发现了土星的几颗卫星。他最主要的兴趣还是在茫茫恒星世界打转。对恒星、星云、星团及其起源等的观测与研究构成了他此后的天文人生的大部分内容。他编制了一张星云表，上面有2500多个星云和星团，而此前的星云表上只有100来个。他还发现了近千对双星，就是宇宙中总成双成对出现的恒星，像前面说过的比邻星就是。他发现许多原来以为是一团乱云的星云在高倍望远镜下能分辨出单个的恒星，因此他推测这些所谓的星云其实是无数恒星的集合体，是一些十分遥远的星系。后来他进一步断言所有的星云都是如此，这个结论就不那么正确了，因为虽然许多星云确实是由许多恒星组成的星团，然而有些却不是，而是真正的云，就像太阳系形成之前的那团云雾状的星云一般。

1787年时，赫歇耳从达切特移居到了旧温莎，第二年又移居到属于白金汉郡的斯劳。就在这年，他结婚了，对象是一个叫皮特的寡妇，据说很富有，给他带来不少嫁妆。这时他已经整整50岁了。

又下一年，赫歇耳完成了一架反射望远镜，镜面直径达12.2米，焦距达12米，是当时无与伦比的大望远镜。虽然因为太笨重不大好用，但却称得上是18世纪的科技奇迹之一！据说近两百年后还是英国最大的望远镜，也是世界上最大的光学望远镜之一呢！

结婚四年之后，他的独子约翰·赫歇耳出生了，这时他已经54岁，真是老当益壮啊！

1794年，他加入了英国籍，成了英国人，并于1816年被封为爵士，成了贵族。

1821年，赫歇耳领导筹建了英国皇家天文学会，他为首任会长。次年，他逝世于斯劳的住所，终年84岁。

—最伟大的女天文学家—

以上就是哥白尼之后最了不起的天文学家赫歇耳的生平与成就了，但还没有完，还有两个赫歇耳呢！

这两个赫歇耳一个叫卡罗琳·赫歇耳，是赫歇耳的妹妹。另一个叫约翰·赫歇耳，是赫歇耳的独子。两个人都是天文学史上大有名气的人物，前者更是西方天文学史上最伟大的女天文学家，后者则几乎与其父一样了不起。

卡罗琳·赫歇耳生于1750年，比哥哥小12岁，在赫歇耳家六兄弟姊妹中，她排行第五。从小也接受音乐教育，起先在家里帮母亲管家。1772年时，她哥哥从英国回家乡省亲，把妹妹带到了英国。当时赫歇耳是一名音乐教师，他便把妹妹当学生一样培养起来。凭着难得的天赋与勤奋，卡罗琳成了一位成功的歌唱家，经常与兄长同台演出。她又当起了哥哥的管家，悉心照料他的饮食起居。到1782年，哥哥获得王室津贴，不需要再靠音乐挣钱后，卡罗琳也放弃了音乐，成了哥哥天文学上的最佳拍档。哥哥制作望远镜时，她便在一边帮着磨镜片。哥哥夜观天象时，她便陪侍在侧，记录哥哥的观察所得。当哥哥观测到某一重要天象，需要计算数值时，她便担当起了那极为繁琐的计算任务。总之，赫歇耳的每一项天文发现背后都有她辛劳的影子。

我说了这些，您可千万不要以为她只是个影子和助手而已。相反，她自己也是一个出色的天文学家。早在1782年，从她刚刚帮哥哥搞天文学研究起，在帮助哥哥之余，她就自己拿着一架小望远镜，用她的慧眼观察星空。

她的观察取得了丰硕的成果，先后发现了8颗新彗星，这是一项了不起的成就。此外她还做了其他许多重要工作，这些工作也很快得到承认。从1787年开始，英国国王每年支付她50英镑的津贴，使她能够像其兄一样全心全意探究太空。约10年之后，她向皇家学会呈交了一张自己制订的星表，上面专门记载了原来的权威星表所忽略的560颗恒星。

1822年赫歇耳去世后，她扶柩回到桑梓之地汉诺威，将他埋葬后就留在了那里。她此时虽然已经70多岁，且孤身一人，但并没有停止天文研究，不久就发表了其兄星表的修订版。几年后她又发表了一部与兄长合作完成、经修订后的著作，由此获得英国皇家天文学会颁发的金质奖章。

1835年，她被选为皇家天文学会的荣誉会员，是这个学会的第一位女性成员。1846年，更被普鲁士国王颁授金质奖章。可以说，在当时全欧没有比她更著名的女科学家了，甚至比她有名的男科学家也不多呢！

晚年，她受到从顶尖科学家到普通民众广泛的尊敬与爱戴。在经常拜访她的人中可以见到高斯、洪堡等响亮的名字。

1848年，卡罗琳逝世于家乡汉诺威，终年近百岁。

—将门虎子—

约翰·赫歇耳是老赫歇耳的独子。1792年出生于斯劳的赫歇耳宅第。他自幼体弱多病，多亏姑母卡罗琳的悉心照料才健康成长。因此他与姑母感情深厚，犹如母子。虽然体弱，但约翰很早就显示了过人的天赋。他早年就读于著名的伊顿公学，17岁时入剑桥大学，在那里他与几位出色的同学，包括计算机的祖师之一巴贝奇，发誓要“竭力使自己一生能为人类知识宝库添砖加瓦”。1812年，他们几个成立了剑桥分析学会，为英国的微积分研究奠定了基础。

同年，他向皇家学会递交了一篇高水平的数学论文，次年就被选为皇家学会会员，这时他年仅21岁！

还是这年，他以第一名的成绩获剑桥大学数学学士学位。此后一度转攻法律，但不久就自感选择错误而放弃，回到剑桥当了数学教师。

次年他又离开了剑桥，回到父亲身边，从此成为父亲天文研究的得力助手。他熟练掌握了父亲各种先进的天文仪器和丰富的资料，为日后的成就打下了异常坚实的基础。此后他又协助父亲成立了皇家天文学会，成为学会创始人之一。1821年，他因又一篇出色的数学论文获科普利奖章。

1822年父亲去世之后，约翰·赫歇耳并没有停止前进，而是更加专注地从事天文研究，决心为父亲所热爱的事业而献身。

父亲去世仅两年后，约翰便因为制订了一份极为出色的双星总表获得皇家天文学会的金质奖章以及巴黎科学院的拉格朗日奖。

1829年时他与一位出身高贵的小姐结婚，两年后自己也受封为爵士。

为了完成父亲的事业并更进一步，他决心到南半球去。从1833年起，他携家人及天文研究器械，远涉重洋，于次年到达南非好望角。在那里他夜以继日地工作了整整4年。到1838年回国时，他已经记录了近7万颗恒星的准确位置，积累了大量宝贵的天文研究资料，尤其是关于他父亲所喜爱的星云和双星的资料。

归国后，约翰成为英国科学界数得着的大名人，并于当年被封为从男爵。这就是说，他以前只是一个终身贵族，现在，他不但是终身贵族，他的后代也都是贵族了！

此后，约翰在富贵尊荣中继续进行着他的天文研究，还为非天文学专业的天文爱好者编写过一本《天文学纲要》。很快成为畅销书，一版再版，并被翻译成了多国文字，其中包括中文。

1850年，约翰被任命为皇家造币局局长，这可是牛顿和哈雷曾任过的光荣的职位。

遗憾的是，仅仅4年后，他便因为工作过于忙累而患了严重的神经衰弱症，只好退休。

约翰死于1871年，在生命的最后岁月里，神经衰弱的他仍在不停地编着他的各种星表。他作为卓越的科学家被葬于英国的威斯敏斯特教堂，牛顿陵墓之侧。

与其父之专注于天文研究不同，约翰对科学的许多分支，例如化学、光学、数学等，都有广泛的研究与重大的贡献。他甚至还是一个了不起的发明家，其中之一是感光纸照相法，像我们现在照相洗相时所用的“正片”、“负片”等词，甚至“照相术”一词的通用名字“Photography”，都是他首先提出的。

—发现海王星—

天王星的发现是18世纪天文学的第一个大发现，过了没多久，又一个大发现来了！

这就是海王星的发现。

海王星的发现就没有发现天王星那样多的偶然与传奇色彩了，而称得上是一项有计划的工作。

原来，1781年赫歇耳发现天王星后，人们便开始根据牛顿力学计算其轨道。但计算结果总是与实际观测到的天王星的轨道不符。天文学家们自然而然地想起了牛顿的摄动理论。所谓摄动理论，其要点之一就是当一个天体在其他天体附近运行时，因受到其他天体的引力作用，该天体的轨道就会偏离原来的方向，这种偏离现象就是摄动。现在，天王星的轨道既然与它理论上应有的轨道不符，那是不是因为受到另一个未知天体的摄动影响的结果呢？由于牛顿的理论已被实践证明是正确的，因此人们便相信还有另一颗未知的行星存在了！

同时进行这项工作的有许多人，其中以两个人最为出色：一个是英国人亚当斯，另一个是法国人勒威耶。

亚当斯生于1819年，24岁时以数学第一的成绩毕业于剑桥大学圣约翰学院，并留校任教。早在1841年大学阶段，他就在7月3日的日记中写道：

“本周初拟订计划，准备在我获得学位之后，立即着手研究天王星运动的不规则性，以判明它是否是天王星之外一颗尚未发现的行星作用的结果。”

4年之后，他的研究出了成果，推算出了那颗未知行星的轨道，并在这年9月向当时的剑桥天文台台长和格林尼治天文台台长报告了计算结果，并相当精确地指出在哪里可以找到这颗未知的行星。遗憾的是，要么由于两个天文台的望远镜不大好，要么由于两位台长大人不重视这个还是无名之辈的年轻人的结论，总之是没有找到。

比亚当斯稍后一点，在英吉利海峡对岸，法国天文学家勒威耶也正在做着同样的事情。

勒威耶是法国诺曼底人，生于1811年，毕业于巴黎工艺学校，本来搞化学研究，后转攻天文学，并任母校的天文教师。他也很早就对天王星的不规则运动很感兴趣，1846年时终于完成了相应的研究，写出了《论使天王星运行失常的行星，它的质量、轨道与现在之位置》。他即时发表了论文，并于8月份把结果送往柏林天文台请求验证。

收到有关资料后，柏林天文台没有忽视这个无名小辈的工作，立即开始在太空搜索，仅仅搜索了约半小时就找到了勒威耶所指的那颗新行星，与勒威耶的预测只相差1°。

当新行星被发现后，英国人才想起亚当斯的报告，立即找出来一印证，果不其然！由于自己的疏忽与傲慢而失去了成为发现新行星的国家的荣誉，英国人之懊恼可想而知！不过他们还是表现出了大度，皇家学会授予勒威耶以科普利奖章。但亚当斯明明比勒威耶早半年算出它的轨道，这是一个事实，有他向剑桥天文台与格林尼治天文台的报告为证。经过长期的争论，特别是与希望独享荣誉的法国人的争论，后来还是达成了共识，将发现海王星的荣誉归亚当斯与勒威耶两人共同享有。

至此，太阳系的八大行星都已经发现了，后来还有一颗冥王星，它是1930年时美国人汤博找到的，一度被当成第九大，但后来天文学家们还是一致认为，它没资格当大行星，因此太阳系只有八大行星，以后恐怕永远都是了。

—20世纪的天文学—

20世纪的天文学也是最新的天文学，也许应该是本书天文学一部分之最后内容，不过我在这里不准备细讲了。有两个原因：

一是20世纪天文学的历史，这段时期并没有伟大的天文学家需要我们去讲述他的人生与事业，因此讲来也无味。这是一个彻底地失去了英雄的时代，大量的天文学家都在为天文学的发展作着贡献，例如美国天文学家哈勃、剑桥天文学家史密斯、哈佛大学女天文学家勒维特等，我们既不容易记住也没多少必要。

二是20世纪天文学的内容，我们实际上已经讲过了。前面当我们讲什么是天文学时，我们所讲的许多都是20世纪天文学的内容，即天文学最新发展的内容。

当然，这个最新是相对而言的，只是在一般的天文学史与非专业的天文学教科书或百科全书中所记载的内容，倘若您想知道专业性的天文学的最新进展，那就请您去读最新出版的天文学期刊吧。