本文來源:算法與數(shù)學之美
19世紀中葉,海王星的發(fā)現(xiàn)轟動了世界,在當時這簡直是個不可思議的奇跡。這是思維與計算的勝利,是牛頓萬有引力理論的偉大勝利,也是科學史上一個令人難以忘懷的業(yè)績。
海王星的發(fā)現(xiàn)歸功于望遠鏡的誕生,望遠鏡何時發(fā)明已無法考證,但望遠鏡肯定誕生在最早發(fā)明玻璃的國家。當意大利的天文學家伽利略一聽到望遠鏡誕生的消息,馬上意識到它對天文學的重要性,自己動手研制出望遠鏡,并第一個把望遠鏡指向天空,觀測神秘的星空,于是天文望遠鏡就誕生了。
在1609年一個晴朗無云的夜晚,一輪明月懸掛在天空,這是一個可以載入史冊的夜晚,伽利略用望遠鏡對準月亮。幾千年來,人類始終以為月亮美麗無瑕,黑夜給人帶來光明,月亮是人類尊崇的神靈,月面上斑斑點點的陰影,使人們聯(lián)想到月宮、桂樹和玉兔,那是當時人類向往的天堂,有誰能想到月亮的表面竟像地球一樣呢?當伽利略在望遠鏡里看到月面覆蓋著蒼古斑斕的大山和平原,還有無數(shù)大大小小像火山口一樣的環(huán)形山時,他十分驚奇。伽利略在望遠鏡中看到月球上有的山峰峻峭,蜿蜒曲折,完全如同地球上的山脈,所謂的陰影處,原來是一望無際的平地。
伽利略興奮地繪制了第一幅月面圖,并且用“阿爾卑斯”和“亞平寧”給月亮上兩條最顯眼的山脈取了名字,以表示對自己祖國的熱愛。接著伽利略又發(fā)現(xiàn)了木星衛(wèi)星、太陽黑子等,從此天文學獲得了探索宇宙的新武器,開創(chuàng)了人類探索宇宙的新紀元。
望遠鏡的研制迅猛發(fā)展,折射望遠鏡、反射望遠鏡、折反射望遠鏡相繼誕生。其中第一架反射式望遠鏡由牛頓于1668年發(fā)明,現(xiàn)珍藏在皇家學會圖書館,研磨望遠鏡數(shù)量最多的當數(shù)英國有“恒星之父”美稱的天文學家赫歇耳,他早年為樂師,后轉(zhuǎn)為天文學,一生研制數(shù)百架望遠鏡。1781年3月13日,他用自制的15cm的望遠鏡觀測并發(fā)現(xiàn)了天王星。當時人們只知天上有5顆行星,最遠的是土星,距太陽約1.4×109km,那是太陽系的疆界,所以土星也被稱為“鎮(zhèn)星”,鎮(zhèn)守在太陽系的疆界。天王星距太陽約2.87×109km,天王星的發(fā)現(xiàn)將太陽系的疆界拓展了一倍。
天王星的發(fā)現(xiàn)引起了世人極大的關(guān)注,世界各國天文學家把望遠鏡對準天王星,發(fā)現(xiàn)天王星運動不守規(guī)矩,不老老實實在軌道上運動,有時候誤差角度竟高達2角分,當時根據(jù)“行星星歷表”預(yù)報其他行星的運動,觀測數(shù)據(jù)與預(yù)報數(shù)據(jù)很相符,而且很準確。天王星不安分的原因是什么呢?問題出在什么地方呢?大多數(shù)天文學家在反復(fù)研究后,分析有可能在天王星軌跡之外還有一顆未知的行星在干擾(或影響)天王星的運動規(guī)律,德國天文學家貝塞爾曾預(yù)言:天外行星的存在,因為行星運動參數(shù)主要取決是太陽,與行星之間的萬有引力,但是行星還受到其他行星的引力,而影響它的運動規(guī)律,導致其偏離預(yù)定軌道.這種偏離現(xiàn)象稱為“攝動”。
19世紀中葉,雖然當時從已知的行星去計算對另一個已知行星的影響是可以做到的,計算卻十分困難,但要解決反其道而行之的問題,也就是從天王星已知的軌道偏差去反推一個在未知軌道上運行的未知行星,并且求它當時所在的位置、質(zhì)量、距離是一項相當困難的計算,致使那時沒有敢進行嘗試。
1843年,英國劍橋大學里有位剛畢業(yè)的24歲青年學生亞當斯勇敢地承擔起了這個艱巨的任務(wù),是最早從事這顆未知行星軌道要素研究和計算的人,劍橋大學天文臺長鼎力支持此項工作并提供有關(guān)資料,經(jīng)過一年多的復(fù)雜計算,終于算出了天王星外的一顆未知行星的軌道要素、質(zhì)量和位置。1845年9月,亞當斯通過劍橋大學的一位天文學家教授,把計算結(jié)果寄給了英國皇家天文臺長喬治·艾里爵士,請求他用大型望遠鏡來尋找這顆行星,不料艾里臺長對亞當斯的結(jié)果抱懷疑態(tài)度,因此只是禮貌地向亞當斯寫了封回信,根本沒有組織天文臺研究人員進行觀測和尋找。亞當斯只好在缺少星圖的條件下,自己在劍橋大學天文臺進行觀測,但沒有找到。一直拖延到第二年7月,英國格林尼治天文臺臺長艾里已意識到問題重大,又請巴黎天文臺任臺長的朋友沙里斯帶領(lǐng)人去觀測,其實他們在8月4日、12日再次觀測都記錄到新行星,只是未做及時處理,從而再次丟掉機會,讓新行星從他們的手里逃失。
正在這個時候,當時34歲的法國青年天文工作者勒維烈也開始研究這一難題。1846年8月31日,他的傳世論文《論使天王星失常的行星,它的質(zhì)量、軌道和當前位置的確定》發(fā)表在《法蘭西數(shù)學學報》上。他的結(jié)果與亞當斯的非常接近。由于當時巴黎天文臺沒有詳細完備的星圖,勒維烈求助于柏林天文臺,于1846年9月18日把他的計算數(shù)據(jù)寄給了擁有大量星圖的柏林天文臺的天文學家伽勒,請求幫助尋找。他在信中這樣說:“請您把你們的望遠鏡指向黃徑326°處寶瓶座內(nèi)的橫道上的一點,您將在離此約1°的區(qū)域發(fā)現(xiàn)一個強而明顯的新行星,它的亮度約9等……”
勒維烈太幸運了。這封具有歷史意義的信走了5天,就在這封信9月23日到達伽勒的當天晚上,這位德國天文學家就把望遠鏡對準寶瓶座勒維烈計算出的位置,認真進行搜索,細心記下經(jīng)過望遠鏡里每一顆星。僅僅花了不到半個小時,就發(fā)現(xiàn)了一顆星圖上沒有的略帶淡綠色的8等小星,它位于勒維烈所預(yù)言的那一只以外不到1°(52角分) 的位置上。第二天晚上又繼續(xù)觀測,發(fā)現(xiàn)這顆小星在恒星之間步履遲緩地移動著,這表明它確實是顆行星,伽勒興奮極了。9月25日,他立即復(fù)信給巴黎的勒維烈:“先生,你給我們指出位置的新行星是確實存在的?!边@封信寄到巴黎時,勒維烈如耳聞驚雷,看到自己的預(yù)言如此迅速地變成現(xiàn)實,激動萬分,震驚不已。
伽勒把觀察結(jié)果發(fā)表在德國《天文學雜志》第23卷上。需要指出的是,海王星的發(fā)現(xiàn)具有一定的偶然性。因為勒維烈在計算過程中,錯設(shè)了未知行星的軌道半徑和質(zhì)量數(shù)據(jù),當然很難做出準確無誤的預(yù)言。幸好勒維烈算得的未知行星在星空中的位置同實際位置十分接近,這才被發(fā)現(xiàn)了。
新行星的發(fā)現(xiàn)轟動了整個世界,這在當時簡直是個奇跡。一位天文學家在巴黎憑數(shù)學計算預(yù)言出一顆新行星的位置,另一個天文學家在柏林操縱望遠鏡找到了它。巴黎天文臺長阿喇戈說:“天文學家有時偶爾碰到一個動點,在望遠鏡里發(fā)現(xiàn)一顆行星,可是勒維烈先生發(fā)現(xiàn)這個新的天體,都沒有朝天一瞥,他在筆頭下便看到這顆行星了。只靠計算的力量,他決定了我們所知道行星疆界之處的一個天體的位置和大小,這是一個離太陽12億里(法國的古里)的一個天體,在最大的望遠鏡里也看不出它的圓輪來?!边@個被天文學家稱為“筆尖上的發(fā)現(xiàn)”的新行星被命名為海王星。
海王星發(fā)現(xiàn)后面臨著命名問題,當時巴黎天文臺臺長的阿喇戈認為勒維烈“為祖國爭得了光輝,為子孫贏得了榮譽?!苯ㄗh命名為“勒維烈星”,勒維烈拒絕接受。后來人們還是用傳統(tǒng)的行星命名法來命名這顆不平凡的行星,行星的命名歷來都是用古代神話里的神來命名的,如Venus(金星)為古希臘的愛神,Mars(火星)為古希臘的戰(zhàn)神。人們從望遠鏡里觀測到這顆淡藍色的星,聯(lián)想到大海,稱為“Neptune”,Neptune為古羅馬神話中的海神。據(jù)說全世界海洋的統(tǒng)治者(海神),住在深深的海底宮殿里,常乘坐一輛由金鬃色白馬拉的兩輪馬車在海上奔馳巡邏。我國恰當?shù)匕眩蝒ptune譯成了海王星。
海王星發(fā)現(xiàn)后,使許多人又想起了亞當斯的工作成果,又重新釋讀亞當斯的論文,其中一段明白無誤地寫著:“新行星位于寶瓶座,其亮度大約相當于一顆9等星……”由此可見,兩個互不知曉的青年,計算得到幾乎相同的結(jié)果。當英法兩國學術(shù)界爭論海王星的發(fā)現(xiàn)優(yōu)先權(quán)時,亞當斯本人異常平靜,對名利十分淡薄,在他的日記中寫道:“對他人的榮譽不應(yīng)嫉妒,對自己的成功不應(yīng)驕傲?!彼救吮е殖坏膽B(tài)度,甚至對格林尼治天文臺臺長艾里也沒有絲毫的怨言和責怪之心。1847年英國女皇在參觀劍橋大學時,曾讓校長轉(zhuǎn)告亞當斯,為表彰亞當斯在研究新行星方面的貢獻,女皇陛下決定給他授予爵位??蓙啴斔箙s謙遜地回答:“這是科學巨人牛頓曾經(jīng)獲得過的殊榮,我與牛頓是無法相比的?!?847年,兩個年輕人在倫敦的一次國際性學術(shù)會議上友好地相見了,他們互相稱頌對方的工作,科學家的胸懷得到了充分的展示。
歷史是公正的,人們一致認為他們應(yīng)當共享這個榮譽。后來英國天皇天文學會把兩枚金質(zhì)獎?wù)路謩e授于勒維烈和亞當斯,來表彰他們各自的功績。鑒于他們的科學才華和所做的貢獻,以及他們表現(xiàn)出的高尚情操,勒維烈后來兩度出任巴黎天文臺臺長,亞當斯也擔任了兩屆英國天文學會會長1861年后任劍橋大學天文臺臺長。