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本文与 第九第十 两篇压缩合并后发表于《中学生天地》2008 年 4 月刊 (浙江教育报刊社出版), 发表时内容有很大删节。

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寻找太阳系的疆界 (八)

- 卢昌海 -

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十五. 欲迎还拒

查利斯的失败, 宣告了英国人在这场几度领先的无形竞争中丧尽先机、 黯然出局。 虽然此刻他们还不清楚自己究竟失去了什么, 但历史的风标已无可阻挡地偏向了后来居上的欧洲大陆。

就在查利斯终止新行星搜索之前不久, 1846 年 8 月底, 勒维耶完成了他的新一轮计算。 那时候, 他在整个计算中用去的稿纸数量已经超过了 10000 页。 勒维耶的新结果与原先的结果相当接近 (偏差只有 1.5°), 这是一个好兆头, 它表明勒维耶的计算方法很可能具有良好的稳定性。 按照勒维耶的计算, 虽然新行星的轨道半径比天王星大了将近一倍, 但由于其质量也比天王星大得多, 因此亮度依然可观。 勒维耶很清楚, 再好的计算若是离开了观测的验证, 也只能是空中楼阁。 他已经用了一年的时间来构建这座宏伟的楼阁, 现在是该让一切落地生根的时候了。 于是他开始尽其所能地劝说天文学家们对新行星展开搜索。

而此时的英国几乎只剩下了一个人还在为新行星的命运做最后的奔走, 他就是亚当斯。 比勒维耶晚了几天, 亚当斯也完成了自己的新计算。 只不过, 勒维耶循正常而公开的学术渠道发表了自己的所有计算, 而亚当斯却仍在继续那种曾让自己一再碰壁的私下交流。 9 月 2 日, 他给艾里写了一封信, 一来通报自己的第二轮计算结果, 二来则答复一年前艾里在信中问起过的天王星轨道径向偏差问题 (这封信从一个侧面说明亚当斯当年对径向偏差问题的沉默, 并非是因为没有意识到艾里对这一问题的看重, 或觉得该问题太简单)。 可惜的是, 亚当斯和艾里的每一次重要交往似乎都注定要以失败告终。 亚当斯的信件抵达格林威治天文台时, 艾里又出了远门。 不过这回亚当斯多少也学了一点乖, 不再把宝完全押在艾里一个人身上了, 他决定赶往英国科学进步协会 (British Association for the Advancement of Science) 在南安普敦 (Southampton) 的一次会议, 以便报告自己的结果。

可人要是背了运, 喝凉水都会塞牙。

当亚当斯赶到南安普敦时, 天文方面的会议早已结束。 错过了会期的亚当斯只能郁闷地再次将自己埋首于计算之中, 他将新行星的轨道半径进一步缩小为 34.4 天文单位, 开始了自己的第三轮轨道计算。

另一方面, 勒维耶的命运虽然比亚当斯顺利, 除了艾里等少数人外, 不仅整个欧洲都将他视为新行星位置的唯一预言者, 他的工作甚至还远隔重洋传到了美国。 自八月份以来, 勒维耶预言新行星位置的消息更是越出了学术界的范围, 得到了媒体的宣传。 可当他试图说服各大天文台将那些溢美之词, 以及对新行星的期盼之意转变为货真价实的搜索行动时, 却遭遇了意想不到的困难。 各天文学台的 “老总” 们虽毫不掩饰对他结果的极大兴趣, 以及对他水平的高度赞许, 可一涉及到动用自己手下的人力和设备进行新行星搜索时, 却一个个支支吾吾、 推三推四起来。 甚至连他的本国同行也不例外, 一年前亲自敦促他研究天王星出轨问题的巴黎天文台台长阿拉果只进行了极短时间的搜索就放弃了。

读者也许觉得奇怪, 发现新行星是何等的美事? 各大天文台应该争先恐后、 抢破脑袋才是啊, 怎么反倒你推我让、 欲迎还拒呢? 难不成是 “老总” 们突击学习了 “孔融让梨” 的先进事迹? 各大天文台之所以会有这样奇怪的反应, 主要有两大原因: 第一是信心不足。 谁都知道发现新行星意味着巨大的荣誉, 但同时也都知道寻找新行星是一件很困难的事情。 虽说此次的情况有所不同, 勒维耶已经计算出了新行星的位置, 而且轰传天下。 可这计算新行星位置的壮举, 乃是前所未闻的故事, 天文学家们心里究竟信了几成, 恐怕只有他们自己才清楚。 溢美之词是廉价的, 观测时间却是无价的, 该不该用无价的时间去验证廉价的评语, 这是让 “老总” 们不无踌躇的事情。

第二个原因则是制度死板。 当时各大天文台都有繁重的观测任务, 也都有比较死板的规章制度, 对观测日程作哪怕细微的变更都不太容易, 要想凭空插入一个耗时未知、 结果莫测的行星搜索计划更是难上加难。 格林威治天文台甚至还有过观测助理因擅自寻找新行星而受到艾里惩罚的事情。 因此即便象查利斯那样既得到艾里的嘱托, 又有台长的权力, 并且因知晓亚当斯与勒维耶的双重结果而具备信心优势的人, 也只愿花费很有限的时间和精力进行观测, 且还心猿意马、 草率从事, 以至于功败垂成。 而艾里本人把观测任务交给剑桥天文台, 虽有演绎剑桥故事的美好心愿及其它客观原因, 但心底里 - 据后人分析 - 也是不想打乱格林威治天文台的正常工作。

十六. 生日之夜

德国天文学家伽勒 (1812 – 1910, 左) 与达雷斯特 (1822 – 1875, 右)
德国天文学家伽勒 (1812 – 1910, 左)
与达雷斯特 (1822 – 1875, 右)

一次次客气的回绝让勒维耶很是沮丧, 他搜肠刮肚地寻找关系, 试图找到一个突破口。 这时他忽然想起了自己曾经认得过的一位柏林天文台的天文学家, 此人名叫伽勒 (Johann Gottfried Galle), 是柏林天文台台长恩克 (Johann Franz Encke) 的助理。 说起来, 勒维耶与伽勒的关系其实疏远得很, 唯一值得一提的联系是一年前伽勒曾给勒维耶寄过一份自己的博士论文。 而忙于计算的勒维耶甚至连封感谢信都没有回。 真所谓此一时彼一时也, 若非如今这档子事, 勒维耶这辈子能否想得起伽勒来都是个问题, 而此刻勒维耶一想到伽勒登时觉得亲切无比, 犹如看到了救命稻草。 1846 年 9 月 18 日, 勒维耶给伽勒写了一封信, 将伽勒的一年前的博士论文狠狠地夸奖了一通, 然后笔锋一转, 谈到了自己预言的新行星位置, 他希望伽勒能帮助寻找这颗行星。

9 月 23 日, 勒维耶的信送到了伽勒手中。

虽然被冷落了一年, 能够收到当时已颇有名气的勒维耶的来信 (而且还是满含赞许的来信) 伽勒还是感到非常兴奋, 并且他也被勒维耶的预言深深吸引了。 勒维耶的信终于落到了能被它打动的人手里, 不过更妙的则是这封信的抵达时间: 9 月 23 日, 这一天正好是伽勒的老板恩克台长的 55 岁生日。 伽勒虽是柏林天文台的资深成员, 但按规矩却仍没有擅自使用天文台的望远镜进行计划外观测的权力, 他想要观测新行星, 必须得到台长恩克的允许。

恩克作为台长, 消息自然是灵通的, 他早就知道勒维耶预言新行星的事, 但和其他天文台的台长一样, 他对此事也一直采取了旁观的态度。 换作是在平时, 伽勒的要求可不是那么容易过关的。 不过人在生日的时候心情通常比较愉快, 而且那天晚上同事们早已约定在恩克家中庆祝他的生日, 并无使用望远镜的计划, 因此在伽勒的软磨硬泡之下, 恩克终于答应给对方一个晚上的时间进行观测。

拿到了尚方宝剑, 伽勒拔腿就往观测台走。 这时一位年轻人叫住了他。 此人名叫达雷斯特 (Heinrich Louis d'Arrest), 当时还是柏林天文台的一位学生, 他碰巧旁听到了伽勒与恩克的谈话。 达雷斯特请求伽勒允许自己也参加观测。 由于天文观测不仅是观测, 而且还需要进行数据的纪录与比对, 有助手参与显然是非常有利的, 于是伽勒答应了达雷斯特的请求, 两人一同前往观测台。

柏林天文台
柏林天文台

我们在 第四节 中曾经介绍过, 发现行星的主要途径有两种: 一种是通过行星的运动 (比如小行星的发现), 另一种则是通过行星的圆面 (比如赫歇耳发现天王星)。 由于通过运动发现行星通常需要对不同夜晚的观测数据进行对比, 而恩克只给了他们一个夜晚的时间, 因此伽勒和达雷斯特将希望寄托在了观测新行星的圆面上。 他们将望远镜指向了勒维耶预言的位置, 以那里为中心展开了观测。

那个夜晚秋高气爽, 万里无云, 是进行天文观测的绝佳天气。 但天气虽然帮忙, 运气却似乎并不垂青于他们。 时间一分一秒地过去, 他们并未发现任何显示出圆面的天体。 夜色越来越浓, 希望却越来越淡, 难道勒维耶的预言错了? 又或是预言没错, 但误差太大, 从而新行星离预言的位置太远? 如果是这样, 他们就必须扩大搜索范围, 而这显然不是短短一个夜晚就能搞定的。

百般无奈之下, 达雷斯特提议了一个方法: 他们虽然只有一个夜晚的观测时间, 从而不可能通过对自己的数据进行对比来发现新行星的运动, 但他们搜索的这片天区以前当然也有人观测过 (虽然目的各不相同)。 如果他们刚才观测过的天体中有一颗是行星, 那么在人们以前绘制的星图上, 它显然不会处在同样的位置, 甚至应该完全不在同一片天区里, 因为以前绘制的星图与他们自己的观测在时间上相距较远。

由此看来, 只要他们能在自己的观测中发现一颗不在星图上的天体, 那个天体极有可能就是他们想要寻找的新行星。 这是一个绝妙的新思路。 当然, 他们的运气好坏还取决于星图的详尽程度。

仿佛与他们的机智遥相呼应, 柏林天文台最近恰好编过一份详尽的星图, 那份星图此刻就放在恩克的抽屉里。 伽勒和达雷斯特赶紧找来了那份星图, 然后由伽勒将望远镜中看到的天体的位置一个个报出来, 达雷斯特则在星图上一一寻找 - 找到一个就排除一个。 半个小时过去了, 兴奋的时刻终于来临, 当伽勒报到一颗视星等为 8 等, 与勒维耶预言的位置相差不到 1° 的暗淡天体时, 达雷斯特喊了起来: 那颗星星不在星图上!

此刻的时钟已悄然划过零点, 崭新的一天已经来临[注一]。 在这个不眠之夜里, 一个天体力学的神话已被缔造, 天文学的历史翻开了辉煌的一页。 此时恩克的生日派对仍在进行, 激动不已的伽勒和达雷斯特赶到恩克的住所, 向他报告了这一消息。 恩克立即中断了生日派对, 与他们一同赶往观测台, 三人一直观测到黎明。 第二天, 在同样完美的天气条件下, 他们又仔细复核了一次, 发现那个天体的位置移动了, 并且移动的幅度与勒维耶的计算完全吻合。 毫无疑问, 他们已经发现了勒维耶预言的新行星[注二]

9 月 25 日早晨, 走下观测台的伽勒写信向勒维耶报告了发现新行星的消息。

这个消息很快就席卷了整个天文学界, 并将在不久之后掀起一场风暴。

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注释

  1. 尽管如此, 人们通常仍将 1846 年 9 月 23 日作为新行星的发现日。
  2. 经过仔细的观测, 他们也确定了新行星的圆面大小, 比勒维耶预言的小了百分之二十左右。

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