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从海王星的发现到水星轨道问题


关于海王星的发现,还要从天王星讲起。1781年3月13日,威廉·赫歇尔爵士在偶然间发现了天王星。说到这还有个有趣的故事。赫歇尔那时候还不敢相信自己发现的是一颗行星,以为自己发现了一颗没有慧发也没有慧尾的彗星。因为在那以前从没有人发现过行星。但很快,法国科学家拉普拉斯证实赫歇尔发现的是一颗行星。


在激动之余,人们想到了一个新问题:在那么远的地方,牛顿的万有引力定律依然成立吗?


当时牛顿万有引力定律已经经受了地月之间,以及所有内部行星与太阳之间的检验。这个定律一直表现的非常完美。如今我们终于接触到了太阳系的外围,不如再来检验一下,这个定律是否依然成立。检验的方法很简单:首先根据万有引力定律计算出天王星的位置,然后再与实际观测结果对比,如果二者吻合,那就皆大欢喜,说明顿定律在外太阳系依然成立。但遗憾的是,二者并不吻合!


人们会因此质疑牛顿定律吗?在当时大家并不想这样做。这是个很伟大的定律,在此之前它为大家做过很多事情。但是不抛弃牛顿万有引力定律,还能有什么选择呢?科学家们提出了一个大胆的猜测:也许还有另一个被漏掉的引力源! 


于是猎星游戏开始了。这个问题很复杂,因为万有引力定律通常是用于计算两个已知位置的天体之间的引力。但这次却不同。这次我们已经知道两个天体之间的作用力,但却不知道那个天体在哪里,也不知道它的质量有多大。这涉及了牛顿定律的倒推问题,需要大量的数据和计算才能得出正确答案。


这张海王星照片,1989年8月20日由旅行者2号的窄角相机拍摄。

Credit:NASA


包括英国数学家及天文学家约翰·柯西·亚当斯和法国数学家奥本·尚·约瑟夫·勒维耶在内的很多才华横溢的数学家、物理学家都参与其中,对这个捣乱的天体在宇宙中的位置及出现的时机做出了预测。勒维耶把重重计算出的结果告诉了他的好朋友,柏林天文台的约翰·格弗里恩·伽勒。伽勒根据勒维耶的描述进行了观测,并在距离预测的位置不到1 度的地方发现了一颗新行星。这颗行星就是后来的海王星。


这是数学和物理定律的伟大胜利!这一次,我们没有凭借以往的规律来预测下一次事件,也没参考先人的记录;仅仅依靠物理定律和对自然运行规律的理解,我们成功预测并发现了一颗行星!这为之后一系列在太阳系中的发现打下了基础,因为通过这次发现我们可以确定,在太阳系的外围牛顿定律依然是成立的。


海王星的发现无疑是个意义重大的历史事件,它极大增强了科学家们的信心。万有引力定律可以帮助我们掌握太阳系中天体的运动,并且屡试不爽。我们开始大胆猜测,这个伟大的定律在我们还未想象到的地方是否也能成立?但很快,大自然发来了新的挑战。


几个世纪以来,我们一直在精确记录水星的公转运动。水星是距离太阳最近的行星,其公转轨道呈椭圆形。观察记录后我们发现,这个椭圆轨道会发生极其轻微的进动。这并不是什么新鲜事,我们可以接受。但当我们计算出这个进动速度,观察实际的进动速度时,发现这两个数据并不一致,两者速度每百年就差了43角秒。


1859年,勒维耶提出要解决这个问题。他那时正在发现海王星的兴头上,认为太阳和水星之间也一定存在一个小行星带,对水星施加了额外的拉力。没过几年,有一位天文学家观测到一颗行星的凌日现象。勒维耶表示放弃原来存在小行星带的猜想,认为拉扯水星的一定是这个天体。人们将这个行星命名为“祝融星”。水星轨道问题就这么简单地解决了吗?并没有。在这位天文学家观测到祝融星的同时,还有一个人也在观测太阳。他表示没有看到任何的凌日现象,认为一定是那位天文学家的观测出了问题。但仍有很多人认为确实存在一个“祝融星”,只不过因为种种原因还没有被观测到罢了。


直到1916年,爱因斯坦发表了广义相对论,将时空比作可变形的布料。而引力不再是两物体间的相互作用力,而是这块布料的形状。各个天体就沿着这块布料的起伏运行。当我们把相对论所有的法则都考虑进去就会发现,水星正沿着极度扭曲的时空,在太阳这个极具影响力的强大引力源近旁运行着。原来,在如此靠近某个超强引力源时,牛顿的万有引力定律确实无法成立!这件事震惊了世界。我们很依赖于牛顿定律,我们依靠牛顿定律发现了海王星,于是我们自大地认为水星的问题也能如法炮制,结果却一败涂地。为了解释水星的现象,我们不得不发展出一门全新的物理学分支。大自然就是这么微妙,这对现代物理学家来说,即美妙,又充满挑战。这也是科学家们值得尊敬的地方。无论多么不可能,他们总是通过大胆的猜想和细致的研究为我们带来全新的可能。


到目前为止,宇宙中还有很多的未解之谜。人类到底从何而来,要往何处去?为什么地球上只有一颗生命进化树?暗物质和暗能量到底是什么?平行宇宙是否真的存在?千百年来,科学家们在不断探索这些问题的答案,因为它们决定了我们未来的走向、思维的高度,甚至生命的意义。




不知道你看过美国天体物理学家、美国自然历史博物馆海顿天文馆馆长尼尔·德格拉赛·泰森,讲解的《宇宙时空之旅》。最近中信出版集团携手NASA杰出公共服务奖章获得者泰森教授推出宇宙普及视频课程——《莫名其妙的宇宙:未解之谜》的12节精彩课程中,从更高的角度出发,探索宇宙中的未解之谜,详情如下。



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