尋找太陽系的疆界（３）

　　五. 虛席以待
　　
　　一顆自17世紀(jì)以來就被反復(fù)觀測(cè)過的六等星竟會(huì)是太陽系的第七大行星，赫歇耳的驚人發(fā)現(xiàn)讓“新行星”這一概念幾乎一夜間就變成了萬眾矚目的焦點(diǎn)。天文學(xué)家們懷著極大的熱情猜測(cè)，在太陽系中，像天王星這樣“大隱隱于市”的行星究竟還有多少？他們恨不能立刻揭開謎底。
　　可星海茫茫，到哪里去尋找新行星呢？難道要再像赫歇耳一樣等待巡天偶得？幸運(yùn)的是，太陽系行星的分布就像地球上居民的分布，有一定的規(guī)律可循。 其中最顯著的規(guī)律就是行星軌道大都分布在黃道面 (即地球的公轉(zhuǎn)軌道平面) 附近。這表明，尋找新行星不必漫天撒網(wǎng)——就好比在地球上尋找一位居民，無需掘地三尺，也不必潛入深海。更幸運(yùn)的是，行星們的分布似乎還有著另一個(gè)規(guī)律，這個(gè)規(guī)律幫了天文學(xué)家們的大忙。
　　這個(gè)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)可以回溯到天王星發(fā)現(xiàn)之前的1766年。那一年，德國(guó)天文學(xué)家提丟斯注意到(這里用現(xiàn)代語言敘述他的發(fā)現(xiàn))：如果把地球的公轉(zhuǎn)軌道半徑作為1(這被稱為天文單位)，那么當(dāng)時(shí)各大行星的軌道半徑近似滿足一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系式：Rn≈0.4+0.3×2n，其中
　　水星對(duì)應(yīng)于n=-∞，相應(yīng)的Rn為0.4(觀測(cè)值為0.4)；
　　金星對(duì)應(yīng)于n=0，相應(yīng)的Rn為0.7(觀測(cè)值為0.7)；
　　地球?qū)?yīng)于n=1，相應(yīng)的Rn為1(觀測(cè)值為1)；
　　火星對(duì)應(yīng)于n=2，相應(yīng)的Rn為1.6(觀測(cè)值為1.5)；
　　木星對(duì)應(yīng)于n=4，相應(yīng)的Rn為 5.2(觀測(cè)值為 5.2)；
　　土星對(duì)應(yīng)于n=5，相應(yīng)的Rn為10(觀測(cè)值為 9.5)。
　　這個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則除了對(duì)火星和土星有 5～7% 的偏差外，對(duì)其他幾個(gè)行星都很準(zhǔn)確。提丟斯將這一結(jié)果加注在了自己1766年翻譯的瑞士博物學(xué)家波涅特的著作《自然的沉思》中，但在加注時(shí)隱去了自己的名字。
　　提丟斯匿名加注的這些結(jié)果起初并未引起人們注意。直到六年后（1772 年），德國(guó)天文學(xué)家波德——即那位在天王星的命名競(jìng)賽中勝出的波德——在為自己的暢銷著作《星空知識(shí)指南》準(zhǔn)備新版時(shí)注意到了提丟斯加注的經(jīng)驗(yàn)法則，他立刻被這一法則所吸引，將之添加到了自己的著作中。但很不應(yīng)該的是，波德在添加這些內(nèi)容時(shí)完全沒有提及波涅特或提丟斯的名字。不提提丟斯倒也罷了，因?yàn)樘醽G斯在加注那些內(nèi)容時(shí)是匿名的，可是連波涅特的名字也不提，波德在這件事情上顯然脫不了剽竊之嫌。
　　波德的《星空知識(shí)指南》在當(dāng)時(shí)頗受歡迎，加之波德本人此后數(shù)年的積極宣傳，在客觀上傳播了提丟斯提出的經(jīng)驗(yàn)法則。而波德這位不太光彩的“熱心人”成了這一傳播的最大受益者，這個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則很快就被張冠李戴成了“波德定則”。九年后，天王星的發(fā)現(xiàn)給了波德定則極大的支持——天王星的軌道半徑與波德定則推算的結(jié)果只差2%。這使許多原本認(rèn)為波德定則純系巧合的天文學(xué)家大為震動(dòng)，也使波德定則成為后來幾十年間天文學(xué)家們尋找新行星的重要向?qū)АｋS著波德定則重要性的提升，歷史的真相也開始得以顯現(xiàn)。1784年，在“竊用”提丟斯的成果整整12年之后，波德終于承認(rèn)了提丟斯的貢獻(xiàn)。雖然此時(shí)生米早已煮成熟飯，但自那以后，這一定則開始被人們稱為“提丟斯-波德定則”。
　　現(xiàn)在讓我們回到尋找新行星的大業(yè)上來。細(xì)心的讀者或許已經(jīng)從前面列舉的行星軌道數(shù)據(jù)中看出了一個(gè)問題，那就是火星和木星這兩個(gè)相鄰行星的軌道分別對(duì)應(yīng)于n=2和n=4，中間在距太陽2.8 天文單位的地方缺了一個(gè)n=3。大自然怎么會(huì)在火星和木星之間留下這么顯著的一個(gè)空缺呢？這個(gè)問題提丟斯在提出他的定則時(shí)就注意到了。這個(gè)奇怪的空缺似乎是在虛席以待一顆尚未露面的新行星。但當(dāng)時(shí)太陽系只有六大行星的觀念還根深蒂固，提丟斯不敢在太歲頭上動(dòng)土，于是他猜測(cè)那里可能存在一顆火星或木星的衛(wèi)星。這個(gè)猜測(cè)很大膽，但也很荒唐， 且不說如此遠(yuǎn)離行星的“衛(wèi)星”能否穩(wěn)定地存在，即便真有那樣的衛(wèi)星，又如何能用來填補(bǔ)屬于行星軌道的空缺呢？這不成了“指鹿為馬”嗎？波德對(duì)這個(gè)空缺也很著迷，不過在這點(diǎn)上他比提丟斯略勝一籌，他在“借用”提丟斯的成果時(shí)，果斷地將破綻百出的衛(wèi)星猜測(cè)改成了行星猜測(cè)。
　　顯然，如果“提丟斯-波德定則”可以信賴，那么尋找新行星的首選戰(zhàn)場(chǎng)就應(yīng)該是火星與木星之間距太陽2.8天文單位的這一空mKh5oRXQSLJcZnpQhzj4H7IcqFj001Agz1XJX1Bb9EM=缺。相對(duì)于遙遠(yuǎn)的外行星，這個(gè)空缺離地球可算是近在咫尺，于是天文學(xué)家們紛紛將目光匯聚到了這里。
　　在這里，他們將會(huì)發(fā)現(xiàn)什么呢？
　　
　　六. 失而復(fù)得
　　
　　星空的浩淼對(duì)于沒有真正體驗(yàn)過它的人來ApsymzCharAgz9T/giJ6LjCrRQ7PyrrQJ8TTwuJ6ins=說是不容易想象的。即便知道了距離以及大致的軌道平面，要尋找一顆新行星依然不是一件容易的事情，因?yàn)樾行浅霈F(xiàn)在軌道的哪一段上仍然是未知的。這就好比警察抓捕逃犯，即便知道逃犯一定就在某座城市里，要想抓住他依然不是一件容易的事情，因?yàn)樘臃付阍诔鞘械哪膫€(gè)角落仍然是未知的。
　　當(dāng)時(shí)有意在夜空中抓捕“逃犯”的熱心“警察”還真不少，其中有位叫做扎克的匈牙利人尤為熱心。自1787年以來，扎克花了整整13年的時(shí)間試圖尋找位于火星與木星之間的新行星卻一無所獲。眼看著“逃犯”將要安然度過18世紀(jì)，扎克意識(shí)到單槍匹馬抓到它的幾率實(shí)在太低，就決定改變策略。他找了幾位運(yùn)氣跟他差不多壞的伙伴商議了一下，決定將新行星的軌道區(qū)域分為24塊， 分別交由24 位“天空警察” 進(jìn)行搜索。有了這樣的天羅地網(wǎng)，無論狡猾的“逃犯”躲在哪個(gè)角落都將難以遁形。老實(shí)說，這個(gè)“分片包干”的金點(diǎn)子并非扎克的創(chuàng)意，以前就有人提議過，只不過從未付諸實(shí)施。
　　正當(dāng)扎克摩拳擦掌，廣發(fā)英雄帖給歐洲各地的天文學(xué)家，抓捕計(jì)劃已如箭在弦的時(shí)候，從意大利的西西里島忽然傳來了“逃犯”落網(wǎng)的消息！這位單槍匹馬勇擒“逃犯”的神奇“警察”名叫皮亞奇，他當(dāng)時(shí)從事的工作并不是“抓逃犯”，而是“查戶口”——為六千七百多顆星星確定坐標(biāo)。這是一項(xiàng)枯燥而繁重的工作。為了完成這項(xiàng)工作，皮亞奇一片一片有規(guī)律地巡視星空，在這點(diǎn)上他很像當(dāng)年的赫歇耳。他這“苦力活”一干就是11年。1801年1月1日，新世紀(jì)的第一天，皮亞奇的望遠(yuǎn)鏡指向了金牛座。這個(gè)星座真是天文學(xué)家的幸運(yùn)星座，20年前赫歇耳就是在這附近發(fā)現(xiàn)了天王星，而此刻“戶籍警”皮亞奇也在這里迎來了自己一生中最重要的一個(gè)時(shí)刻。他對(duì)這一小片天區(qū)中50顆星星的坐標(biāo)進(jìn)行了記錄。第二天，當(dāng)他對(duì)這些星星進(jìn)行復(fù)核時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中有一顆暗淡的星星有了移動(dòng)！為了確定這種移動(dòng)不是觀測(cè)誤差，皮亞奇對(duì)這個(gè)天體進(jìn)行了跟蹤觀測(cè)，結(jié)果證實(shí)了這種移動(dòng)的確是天體本身的移動(dòng)。
　　1月24日，皮亞奇寫信向同事波德、拉蘭德及摯友奧里安尼，宣布了自己的發(fā)現(xiàn)。為了謹(jǐn)慎起見，他在給波德和拉蘭德的信中將自己發(fā)現(xiàn)的天體稱為彗星 ——這是一個(gè)與赫歇耳將天王星稱為彗星同樣的錯(cuò)誤。不過經(jīng)歷了天王星的發(fā)現(xiàn)，皮亞奇比赫歇耳要大膽一點(diǎn)，他在給摯友奧里安尼的信中指出這個(gè)天體有可能是一個(gè)“比彗星更好”的東西，因?yàn)樗倪\(yùn)動(dòng)緩慢而均勻，并且不像彗星那樣朦朧。為了最終確定這個(gè)天體的性質(zhì)，皮亞奇決定進(jìn)行更多的觀測(cè)，并計(jì)算它的軌道?？上挠^測(cè)只進(jìn)行到2月11日就因病中止了，而這時(shí)波德、拉蘭德及奧里安尼尚未收到他的信件。等這三位收到姍姍來遲的信件，想要確認(rèn)皮亞奇的觀測(cè)結(jié)果時(shí)，新天體已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到了太陽附近，就此消失在光天化日之中。
　　雖然失去了當(dāng)場(chǎng)驗(yàn)證的機(jī)會(huì)，但波德(他直到3月20日才收到皮亞奇的信) 堅(jiān)信那就是自己期待已久的新行星。當(dāng)然，相信歸相信，最終的判斷只能留給觀測(cè)。好在新天體是不可能一輩子躲在太陽背后的，至多幾個(gè)月，它必將重返夜空?？蓡栴}是：那時(shí)候到哪里去找回這顆暗淡的新天體呢？事實(shí)證明，這個(gè)問題并非杞人憂天，這顆“越獄逃亡”的新天體并不因?yàn)榱粝逻^“案底”就變得容易尋找。日子一天天流淌，無論天文學(xué)家們?nèi)绾闻?，皮亞奇的新天體卻再也沒有露面。
　　
　　有讀者可能會(huì)問：皮亞奇不是對(duì)新天體進(jìn)行了跟蹤觀測(cè)嗎，從他的觀測(cè)數(shù)據(jù)中把新天體的軌道計(jì)算出來不就行了？這個(gè)想法一點(diǎn)都不錯(cuò)，可實(shí)際做起來卻絕非易事。在新天體“失蹤”的那些日子里，扎克的學(xué)生伯克哈特就對(duì)新天體的軌道進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)他的計(jì)算，天文學(xué)家們采取了“突擊搜查”，可惜撲了個(gè)空。皮亞奇自己也進(jìn)行過計(jì)算，結(jié)果也勞而無功。
　　計(jì)算新天體的軌道之所以困難，是因?yàn)槠喥娴挠^測(cè)只持續(xù)了一個(gè)多月，所涵蓋的只是新天體公轉(zhuǎn)軌道的2%，并且其中還很不湊巧地包含了表觀逆行部分，使結(jié)果變得更加復(fù)雜。要從這樣的軌道片斷中推算出整個(gè)軌道來，無疑是很困難的。更何況觀測(cè)總是有誤差的，從這么少的觀測(cè)數(shù)據(jù)來推算軌道，極易造成誤差的放大。最后，我們也不能忘記當(dāng)時(shí)還沒有計(jì)算機(jī)，所有的計(jì)算都要靠紙和筆來完成，這樣的計(jì)算有時(shí)甚至還不如拿起望遠(yuǎn)鏡直接碰運(yùn)氣來得快捷。因此，推斷新天體的軌道，進(jìn)而預(yù)測(cè)新天體的位置并非不可能，卻需要福爾摩斯般的技巧，只有第一流的數(shù)學(xué)高手才能將這種可能性變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
　　幸運(yùn)的是，當(dāng)時(shí)就有一位這樣的數(shù)學(xué)高手前來助人為樂。此人還不是一般的高手，他就是人類有史以來最偉大的數(shù)學(xué)天才之一，被后人尊稱為 “數(shù)學(xué)王子” 的德國(guó)數(shù)學(xué)家高斯。
　　當(dāng)天文學(xué)家們?yōu)閷ふ移喥娴男绿祗w而忙碌時(shí)，這位當(dāng)時(shí)才24歲的數(shù)學(xué)天才決定助他們一臂之力。在這個(gè)節(jié)骨眼上，由高斯這樣的數(shù)學(xué)巨匠來幫天文學(xué)家們計(jì)算一個(gè)小小的天體軌道，簡(jiǎn)直就像搖滾巨星跑來替一家小酒館義演。高斯僅用兩個(gè)月的時(shí)間，就不僅計(jì)算出了新天體的軌道，而且提出了比舊方法高明得多的一整套行星軌道計(jì)算方法。高斯把他的計(jì)算結(jié)果寄給了扎克， 后者欣喜若狂， 立即公之于世。借助高斯的幫助，扎克終于在1802年的新年鐘聲即將敲響的那個(gè)夜晚確認(rèn)了新天體的二度落網(wǎng)，它的位置與高斯的預(yù)測(cè)只差半度。幾個(gè)小時(shí)之后，德國(guó)業(yè)余天文學(xué)家奧伯斯也獨(dú)立地確認(rèn)了同樣的發(fā)現(xiàn)。
　　這顆在1801年的第一個(gè)夜晚被發(fā)現(xiàn)，又在同一年的最后一個(gè)夜晚被重新捉拿歸案的新天體被稱為色列斯 (Ceres)。 這是皮亞奇所取的名字，它是羅馬神話中的谷物女神，同時(shí)也是皮亞奇所在的西西里島的保護(hù)神。在中文中這一天體被稱為“谷神星”。
　　高斯的計(jì)算相當(dāng)精確地給出了谷神星的軌道，它的半徑被確定為2.77天文單位，與提丟斯-波德定則吻合得很好?？磥砣藗兘K于找到了位于火星與木星之間的新行星。事實(shí)上早在谷神星被找到之前，對(duì)提丟斯-波德定則深信不疑的波德就已急不可耐地將之稱為行星了。不過在欣喜之余，天文學(xué)家們也感到了一點(diǎn)困惑。谷神星被皮亞奇發(fā)現(xiàn)的時(shí)候視星等只有8，比遙遠(yuǎn)的天王星還暗淡得多。一顆距地球如此之近的行星，為什么會(huì)如此暗淡呢？
　?。ùm(xù)）
　　
　　作者簡(jiǎn)介：盧昌海，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)博士，發(fā)表過《會(huì)下金蛋的鵝——希爾伯特第十問題》《蟲洞：旅行家的天堂還是探險(xiǎn)者的地獄？》《時(shí)間旅行：科學(xué)還是幻想？》等文章。現(xiàn)旅居紐約。