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本文 第二十二节第十二篇 压缩合并后发表于《中学生天地》2008 年 5 月刊 (浙江教育报刊社出版), 发表时内容有很大删节。

寻找太阳系的疆界 (十一)

- 卢昌海 -

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二一. 先入之见

科勒斯特姆对传统海王星发现史的质疑包含了很多方面。 从小的方面说, 他质疑了传统故事的许多细节, 比如亚当斯对艾里的第二和第三次访问 (中间相隔一小时) 是否真的是在 1845 年 10 月 21 日下午? 艾里在他第三次来访时是否真的是在吃午饭? 艾里当时到底有没有收到亚当斯的 “拜山帖”? 艾里是否真的在 1846 年 6 月 29 日的会议期间提及过亚当斯和勒维耶的计算? 小赫歇耳是否真的说过发现海王星如同哥伦布从西班牙海岸直接看到美洲这样的话? 等等。 这些细节从历史研究的严谨性上讲无疑是可以探究的, 甚至也可以影响对若干当事人个人过失的大小认定, 但很难对事件的整体真实性起到扭转乾坤的作用。

但是从大的方面说, 科勒斯特姆的质疑也涉及到了一些比较重要的问题。 比如我们都知道, 亚当斯早在 1845 年秋天就完成了第一轮计算, 并且在访问艾里时留下过一页纸的计算结果。 那么, 他当时的计算结果究竟是什么呢? 传统文献沿用的一直是艾里在海王星发现之后提供的说法, 即亚当斯的计算结果与海王星的真实位置只差了 1°44' (我们在 第十二节 中所说的 “不到两度” 指的就是这一说法)。 但科勒斯特姆在查阅了一页据称很可能是亚当斯给查利斯的文件, 并对比了亚当斯本人的若干笔记后提出, 亚当斯当时的计算结果并没有艾里所说的那样精确, 而很可能是一个误差达 3° 的结果。 科勒斯特姆认为, 这样的结果虽然仍是引人注目的, 但却不足以引导人们进行有效的搜索。

应该说, 科勒斯特姆对这一点的考证是值得重视的, 但他的结论却相当突兀, 甚至可以说是莫名其妙。 3° 的偏差虽然比 1°44' 大了将近一倍, 但仍是一个相当小的偏差。 若真的有人依据这一结果进行搜索, 是完全有可能发现新行星的, 因为人们搜索新行星的范围通常都不会定得很小 (比如我们在 第十四节 中提到的艾里向查利斯建议的搜索范围就达 30°×10°)。 而且更重要的是, 我们在前面曾经提到, 无论亚当斯还是勒维耶, 他们的计算结果与海王星的真实轨道都存在不小的差异。 在这种情况下, 亚当斯的第一轮计算哪怕真的偏差了 3°, 也不是什么大不了的问题。 甚至哪怕与亚当斯当时计算有关的具体文件已不可考, 也不足以改写历史。 因为艾里在得知勒维耶的第一轮计算结果后, 曾于 1846 年 6 月 25 日在给一位英国同事的信中, 提到过亚当斯的结果与勒维耶的很接近。 当时海王星尚未被发现, 我们没有任何理由怀疑艾里在私人信件中所说的那些话。 仅此一点, 就足以证实亚当斯确实得到过与勒维耶相接近的结果, 从而具备与勒维耶分享荣誉的工作基础。

除了对亚当斯第一轮计算的偏差提出质疑外, 科勒斯特姆还提到, 亚当斯第二轮计算与真实位置的偏差比第一轮的更大[注一], 并且他在 1846 年 9 月 2 日给艾里的信中曾对自己的预测作过幅度高达 23° 的错误变动。 科勒斯特姆据此认为, 亚当斯既没有稳定的计算结果, 也不具备对自己计算的基本自信。 应该说, 与勒维耶相比, 亚当斯在自信心上的确显得比较欠缺。 不过我们对他们工作的评价, 首要的依据是他们的计算方法是否正确, 以及他们的计算结果能否对实际观测起到引导作用。 受当时的计算能力 (尤其是数值计算能力) 所限, 他们两人的计算误差都是比较大的, 勒维耶的计算误差达 10° 左右, 亚当斯的有可能更高。 在这样的误差下, 第二轮计算的实际偏差是变大还是变小, 并不能有效地衡量他们计算方法的优劣, 甚至也不能作为判断他们计算误差的充分依据。 至于亚当斯对自己预言所作的巨幅变更, 据分析很可能是因为将瑞士天文学家瓦特曼 1836 年公布的一组错误数据视为了新行星的观测位置 (因为瓦特曼在公布数据时曾宣称那是他观测到的新行星), 与他计算方法的正确与否无关。 而且那次巨幅变更只是一次孤立的预言, 与他的两轮系统计算并无实质关联。 退一步说, 即便勒维耶的计算的确比亚当斯更为精确, 甚至精确很多, 但从上文提到的艾里给同事的信件, 以及艾里因两人的预测相近而催促查利斯进行观测来看, 亚当斯的结果也仍足以对实际观测起到引导作用。 因此, 这方面的质疑同样不足以改写历史。

如果说上面那些质疑还只是单纯的技术性质疑, 所涉及的只是亚当斯计算的技术水准, 那么科勒斯特姆的另一类质疑, 则把锋芒指向了艾里等人的诚信。 在这类质疑中, 他通过对艾里、 查利斯等人的文章及信件 (尤其是信件) 中各种细节乃至语气的辨析, 指出他们有可能在有关这一事件的若干叙述中撒了谎。 这种辨析在当年优先权之争最炽热的时候, 勒维耶、 阿拉果等法国天文学家也曾用过 (参阅 第十八节), 只不过科勒斯特姆做得更为系统, 也更加详尽。

不过, 这些辨析究竟有多大说服力, 是值得商榷的, 而凭借那些辨析对这么重大的历史事件进行翻案, 则更值得怀疑。 因为我们都知道, 信件的内容常常会因收信人的不同而有不同的侧重点。 比如在试图安抚法国同行的时候, 艾里就会有意突出后者的贡献, 少提或不提亚当斯, 以免产生副作用。 而信件的语气则不仅与收信人有关, 还与写信人的心情有关, 不同的语气体现的有可能只是心情的差异, 甚至相互间的矛盾也可能只是记忆的差错或笔误。 信件不是论文, 是不会有编辑来替写信人修改笔误的。 事实上, 科勒斯特姆能从艾里等人的信件中看出那么多的 “问题”, 与其说是表明艾里等人有可能撒了谎, 不如说是恰恰说明他们并未撒谎。 因为那些信件大都是海王星事件发生之后所写的, 以艾里等人的智力, 倘若有意要编造故事, 又岂会在那些后期信件中留下如此多的破绽? 那些 “破绽” 出现在普通信件中是可以理解的, 但作为三个著名学者合谋故事的一部分, 却是根本不应该出现的。 更何况, 如果艾里等人真的撒了谎, 艾里又为何要留下海王星档案来让后人追查真相? 再说小赫歇耳和查利斯早在 10 月 3 日就各自发表文章提及了亚当斯的贡献 (参阅 第十八节), 当时艾里尚在欧洲大陆旅行。 他们若要编故事, 又怎敢在艾里这么重要的知情人返回英国相互协调之前就贸然行事?

总体来说, 科勒斯特姆对海王星事件的研究带有较强的先入之见, 即首先认定失踪档案隐藏着重大问题, 然后去寻找证据。 这种 “史从论出” 的 “阴谋论” 心态是史学研究的大忌, 带着这种心态研究史料, 很容易把一些并无充分说服力的细节视为铁证, 赋予它们不应有的重要性, 就象中国寓言故事 “疑人偷斧” 所隐喻的那样。 而且一旦有了先入之见, 常常会有意无意地忽略或回避对自己观点不利的东西, 千方百计地穿凿附会自己早已设定的结论, 从而丧失客观公正的立场[注二]。 艾里、 查利斯及小赫歇耳都是有名望的天文学家, 作为当时英国天文界的重要人物, 他们当然很看重英国天文界的整体荣誉, 但认为他们会在如此重大的学术事件中编造谎言, 是令人难以置信的。 因为这种谎言一旦败露, 将对英国的学术声誉带来重大灾难。 更何况, 除小赫歇耳外, 艾里和查利斯都在海王星事件中遭受了巨大的个人名誉损失 (若亚当斯并未独立推算出海王星的位置, 或他的工作质量与勒维耶不可相提并论, 那么后人加诸于艾里和查利斯的恶评无疑会少得多)。 科勒斯特姆提出的 “证据” 显然远不足以解释这几位功绩卓著的天文学家为何要用自己宝贵的名誉, 来进行一场吉凶未卜的豪赌, 并且赌得如此粗心, 甚至还特意保留了 “罪证”。

海王星档案的失而复得有助于史学界更精确地还原海王星发现过程中的若干细节, 但起码就目前看到的资料和分析而言, 它完全不足以改写历史。 海王星的发现是科学界的一个伟大成就, 亚当斯和勒维耶各自独立地计算出了海王星的位置, 而伽勒及达雷斯特则一同发现了这颗新行星。

二二. 火神疑踪

海王星的发现极大地刺激了天文学家和数学家的兴趣。 原本属于观测天文学家专利的新行星, 居然可以用纸和笔来发现, 这实在太吸引人了。 一时间用数学方法寻找新行星成为了时尚。 天文学家们兵分两路展开了行动, 一路沿袭了向外扩张的历史传统, 到海王星轨道之外去寻找惊喜; 另一路则独辟蹊径, 将目光投向了水星轨道的内侧。 这后一路天文学家的领军人物不是别人, 正是赫赫有名的勒维耶。 在发现海王星的荣誉出人意料地被亚当斯分走一半后, 勒维耶决定寻找一个新的猎物 - 一个自己可以独享的猎物。 当时多数天文学家认为在海王星之外发现新行星的机会更大, 但勒维耶却认为在距海王星的发现如此之近, 从而对海王星轨道的了解还不充分的情况下, 用数学手段寻找新行星尚为时过早。 因此, 虽然他也相信海王星之外存在新的行星, 但却首先选择将水星轨道以内作为自己的新战场。

勒维耶之所以选择水星轨道以内作为新战场, 还有一个很重要的原因, 那就是水星的轨道也存在着反常。 经过长期精密的观测, 天文学家们早就发现水星的椭圆轨道在背景星空中存在缓慢的整体转动, 这种转动被称为水星的近日点进动。 观测表明, 水星的这种近日点进动平均每年约为 56 角秒。 但另一方面, 考虑了由地球自转轴进动造成的表观效应及已知行星的影响后, 理论计算给出的进动值却只有每年 55.57 角秒[注三], 两者相差 0.43 角秒。 天文学家们知道水星轨道的这一细微反常已有时日, 勒维耶本人早在当年对各大行星做地毯式研究 (参阅 第十三节) 时, 就曾对水星轨道进行过详尽考察。 海王星的发现无疑赋予了这一反常一个全新的意义。 在勒维耶看来, 这个虽然微小, 但确凿无疑的轨道反常, 是水星之内存在未知天体的明显证据。

那么这未知天体会是个什么样的天体呢? 勒维耶认为有两种可能性: 一种是单一行星, 另一种则是小行星带。 也许是由于水星近日点的反常进动与当年的天王星出轨相比显得更为规则, 或者是受当时正在发现中的小行星带的启示, 勒维耶比较倾向于后一种可能性, 即在水星轨道之内存在一个小行星带。 1859 年 9 月, 他在一篇文章中正式预言在距太阳 0.3 天文单位处存在一个未被发现的小行星带。

维纳斯与火神在一起
维纳斯与火神在一起

正所谓: 说曹操, 曹操到。 勒维耶的预言提出后不久, 一位名叫莱沙鲍特 (Edmond Lescarbault) 的法国医生兼业余天文学家就给他写来了一封信, 声称自己曾于 1859 年 3 月 26 日发现过一个穿过太阳表面的天体。 这封来信让勒维耶很是兴奋, 他立即对这位业余天文学家进行了 “家访”。 在确信此人值得信赖后, 勒维耶依据他所得到的数据对这一天体的参数进行了计算, 结果表明其轨道半径为 0.147 天文单位, 质量约为水星质量的百分之六。 这个天体很快就被取名为火神星 (Vulcan - 罗马神话中的火神及希腊神话中的工匠之神, 美神维纳斯的丈夫)。 1860 年初, 勒维耶向法国科学院报告了发现火神星的消息。 尽管自首次 “发现” 以来, 包括莱沙鲍特本人在内的所有人都不曾再有机会一睹火神星的芳容, 但法国科学院基于对勒维耶的无比信任, 还是很痛快地将拿破仑设立的法国最高勋章 - 军团勋章 (Légion d'honneur) 授予了莱沙鲍特, 从而上演了该院历史上最大的乌龙颁奖事件之一。

虽然火神星的轨道半径远小于勒维耶预言的 0.3 天文单位, 其引力作用也远不足以解释水星近日点的反常进动, 但勒维耶一生都对它的存在深信不疑。 受他的巨大声望影响, 一些天文学家在此后近二十年的时间里契而不舍地找寻着火神星的倩影, 其中包括在浩如烟海的文献中搜寻可能存在的历史纪录。 1876 年, 在亚当斯担任主席期间, 英国皇家天文学会也步法国科学院的后尘, 很乌龙地在火神星的存在尚未得到确认的情况下, 就将一枚金奖授予了勒维耶, 以表彰他为解决水星近日点反常进动问题所做的贡献。

但这一切的热情都没能感动火神星, 这颗神秘的 “行星” 再也不曾露面过, 所有曾被当作火神星的历史记录 (主要集中在 1819-1837 年间) 也都被一一判定为是太阳黑子而非天体。 1877 年 9 月 23 日, 火神星的最大支持者勒维耶离开了人世, 这一天距海王星的发现正好相隔 31 年, 但火神星的命运仍悬而未决。

火神星之所以能在那么长的时间内杳无踪迹, 却仍让那么多的天文学家牵肠挂肚, 除了依靠勒维耶的 “魅力值” 外, 一个很重要的原因, 是因为它离太阳太近, 太容易湮没在太阳的光芒之中, 从而即便长时间观测不到, 也无法说明它不存在。

但丑媳妇终究是要见公婆的。 1878 年 7 月 29 日, 天文学家们迎来了一个搜寻火神星的绝佳机会: 日全食。 当太阳的光芒不再夺目时, 火神星还如何遁迹? 那一天, 大批天文学家在可以观测日全食的美国怀俄明州的一个小镇上架起了望远镜, 等待火神星之谜的水落石出。

但出人意料的是, 那天的观测没能对火神星的命运作出宣判, 却充分证实了心理学的巨大威力。 那一天, 不相信火神星的天文学家们全都没有观测到火神星, 从而更坚信了火神星的子虚乌有[注四]。 但相信火神星的职业天文学家沃森 (James Watson) 及业余天文学家斯威福特 (Lewis Swift) 却都声称观测到了火神星, 斯威福特甚至声称自己观测到了两个水内天体。 虽然这两人宣称的天体位置彼此之间以及与勒维耶的预言之间全都不同 (从而无法相互印证), 而且很快就有天文学家通过他们纪录的天体位置指出他们很可能将已知天体误当成了火神星, 但这两位老兄爱火神星没商量, 一口咬定自己观测到的就是火神星。

在那之后又过了十几年, 人们在勒维耶有关火神星轨道的计算中发现了错误。 不仅如此, 进一步的分析表明, 火神星的存在与其它内行星 - 尤其是金星 - 的运动并不相容。 自那以后, 火神星的追随者基本上销声匿迹了。

最终为火神星的疑踪画下完美句号的是物理学家爱因斯坦 (Albert Einstein)。 1915 年, 他在刚刚完成的广义相对论的基础上, 完美地解释了水星近日点的反常进动, 从而彻底铲除了火神星赖以存在的理论土壤[注五]

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注释

  1. 科勒斯特姆在这点上是自相矛盾的。 亚当斯第二轮计算的偏差为 2°30', 而他第一轮计算的偏差 - 按照科勒斯特姆自己的考证 - 则是 3°。 因此, 所谓第二轮计算的偏差比第一轮更大的说法是与他自己的考证相矛盾的。 这一矛盾说明科勒斯特姆重新将艾里所说的 1°44' 作为了亚当斯第一轮计算的偏差 (作为对比, 勒维耶第二轮计算的偏差由第一轮的 -2°21' 缩小为 -0°58')。 这种视自己需要而随意选用彼此矛盾的数据的做法显然是有失严谨的。 另外值得一提的是, 科勒斯特姆认为亚当斯和勒维耶的第二轮计算之间的相互差异有 3.5°, 而非一些早期文献所说的不到 1°。
  2. 这一点也正是科勒斯特姆的致命弱点, 他对海王星发现史的质疑虽曾被一些主流科普杂志、 学术刊物及媒体所引述, 但他的历史 “研究” 有着浓厚的伪历史及阴谋论色彩。 除质疑海王星的发现史外, 他还质疑纳粹大屠杀的真实性, 是所谓的 “大屠杀否认者” (holocaust denier) 之一, 并因此而于 2008 年 4 月被伦敦大学学院撤销了一切学术头衔。
  3. 这其中由地球自转轴进动造成的表观效应约为每年 50.256 角秒, 由已知行星的引力作用产生的进动约为每年 5.314 角秒。
  4. 从理论上讲, 在日全食期间没有观测到火神星并不意味着火神星不存在, 因为它有可能恰好也和太阳一起被遮盖。 不过这种情况发生的概率较小 (感兴趣的读者可以估计一下这一概率的大小)。
  5. 即便如此, 仍有个别天文学家在水星轨道以内寻找新天体。 不过这类天体的线度上限已被压缩到了 60 公里, 至多只能是小行星。

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