评论：从天王星之谜到海王星之发现

　　2006年8月在布拉格召开的国际天文学联合会大会上通过了行星的定义。按照定义，那颗离太阳最远、最小的冥王星已不能算是行星了，所以原先的太阳系九大行星就变成了八大行星，即水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。

　　海王星的发现，是科学史上，乃至人类认识史上一个值得称颂的事件。海王星作为太阳系的行星之一，本身并无什么奇特之处，然而它的发现却运用了空前新颖的方法。以前

　　天王星运动之谜

　　天王星在1781年被确认为是太阳系的第7颗行星。在此之前，天文学家曾多次在望远镜中见到过它。1820年，法国天文学家布瓦德搜集当时的全部观测资料，根据天体力学原理计算天王星的运动轨道时，出现了一个奇怪的现象：他算出的轨道与1781年以后的观测极不相符，而他仅以1781年以后的观测为依据进行计算时，却与1781年以前的观测极不相符。

　　这一令人困惑的事实，吸引了许多天文学家都来观测和计算天王星的运动。10年之后，观测数据积累得更多，计算也更加周密，计算时考虑了离天王星最近的土星和木星的影响。可是，理论值和观测值仍然相差很远。

　　布瓦德等天文学家曾怀疑以往观测记录的可靠性。他们将1750年以后在英国格林尼治天文台对各个行星所作的全部观测记录，统一地进行了复核。他们发现，除天王星以外，对于别的行星，观测记录与计算结果都能相当准确地符合。既然如此，有什么理由怀疑其可靠性呢？而且就当时的观测技术水平来说，天王星的观测位置与计算位置相差之大，已远远超出了观测的误差范围。因此，他们断定：问题不是出自观测，应该在理论计算方面找原因。

　　科学假说的提出

　　面对天王星运动不规律性之谜，一些人提出疑问：为什么从牛顿力学发展而来的天体力学原理不能适用于天王星运动的计算呢？是不是牛顿的万有引力定律并不“万有”？是不是对于天王星这一距离太阳较远的行星，引力作用不再遵从牛顿力学了，或者牛顿的力学理论需要修正了？当时一些科学家就沿着修正牛顿力学的思路进行研究，然而一直没有取得任何有价值的研究成果。

　　绝大多数科学家坚信经过一百多年实践考验的牛顿力学的正确性。他们认为可以继续依靠牛顿理论弄清楚天王星运动不规律性的原因。早在1821年，布瓦德就设想过，可能有某种未知的力量作用于天王星，使它的轨道发生了变化。那么，究竟是什么未知力量呢？天文学家们提出几种可能的假说。

　　有人提出“灾变”假说：在1781年之后不久，有一颗彗星撞击了天王星，使天王星改变了轨道。但是，人们并未在这一时期观测到有彗星经过天王星，而且根据这一假设进行计算，其误差之大也说明这种猜测是不可能的。

　　有人提出“未知卫星”假说：天王星有一颗尚未发现的卫星，它影响着天王星的运动轨道。如果真存在这样一颗能明显干扰天王星运动的卫星，其质量和体积之大应足以使人们用望远镜发现它。因而这一假说也被否定。

　　较多的天文学家提出“未知行星”假说。他们将天王星的运动与已知行星的摄动进行比较和分析，认为在太阳系中还有一颗比天王星更远的行星，它的引力作用使天王星的轨道发生了偏离，即摄动。天王星运动的“不规律性”正是这种摄动的表现。

　　随着其它假说一一被否定，在19世纪30年代后期，存在一颗“未知行星”的假说为绝大多数天文学家所接受，成为一个公认的科学假说。

　　寻找未知行星

　　19世纪40年代，天文学界掀起了寻找这颗未知行星的热潮。德国哥廷根皇家科学院专门为此设立了奖金。在观测方面，始终没有找到这颗行星存在的线索。许多天文学家都致力于计算。在计算方面，过去是已知一颗行星的质量和轨道，根据引力作用计算出它使另一颗行星的轨道产生的摄动。而现在则相反，即假定已知天王星轨道的摄动，要求计算出产生这一摄动的未知行星的质量和轨道。这种要求在理论上是可以达到的，但由于未知因素很多，实际计算起来是相当复杂和困难的。

　　两位年轻的天文学家——英国的亚当斯和法国的勒威耶，在这个繁复的计算课题面前表现出高超的智慧和坚强的毅力，各自独立地算出了新行星的质量和轨道。

　　在建立方程和求解的过程中，他们都用了对问题中一些要素作简化假设和逐步修正的办法。例如，第一步先假设未知行星的轨道是圆形，计算结果与观测数据相差很远，于是第二步把圆形轨道修改为具有某一椭率的椭圆形轨道，所差可能比第一步略少。然后作第三步、第四步假设……这样，他们运用逐步修正假设，逐步接近准确结果的“逐次逼近”方法，经过反复多次的修正和计算，终于基本上确定出有关未知行星的各个参数的数值。

　　亚当斯于1845年10月21日和1846年9月2日两次向剑桥天文台和格林威治天文台报告他的计算结果，却没有受到重视。勒威耶于1846年6月1日和8月31日两次提出关于新行星的备忘录，并于9月18日给柏林天文台的加勒写信说：“我将证实，如果不引进一颗迄今未知的行星，是无法解释天王星的观测记录的……。我已算出有关这一行星的轨道的下列数据……希望能找到一名有耐心的观察员，他愿意花费时间的话，将在一个天区发现一颗行星。”

　　加勒在9月23日收到勒威耶的信，请示台长之后，他们立即着手观测，当晚就在偏离预言位置不到1度的地方发现了一颗八等星，查遍星图，就连最详尽的星图也没有标出这颗星。经过连续观测，数据都与预计的结果相符合。于是加勒高兴地宣布，这颗星就是所要寻找的新行星。

　　这时英国天文台想起了亚当斯的报告，其实他们曾经见到过这颗星，但是误以为是恒星了，没有跟踪观测。

　　当时人们把这颗新行星称为勒威耶星，而勒威耶则建议把这颗行星命名为海王星。后来科学界公认亚当斯和勒威耶都是海王星的发现者，两人相识于1847年，从此结为好友。

　　爱因斯坦的比喻

　　发现海王星的方法在当时是空前新颖的，后来则成为科学家们的常用方法了。在爱因斯坦和英费尔德合著的《物理学的进化》一书中，把探索自然奥秘比喻为侦探小说中寻找线索以破案的过程。从天王星运动不规律性之谜到海王星之发现，正是说明这个比喻的一个极好的典型案例。其实，爱因斯坦的这个比喻还意味着研究自然与研究社会有类似的方法和过程。(孙小礼)

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