因数学而发现的行星--海王星

数学算法俱乐部

日期 ： 2022年03月14日       

正文共 ：3422字

来源 ： 网络

19世纪中叶，海王星的发现轰动了世界，在当时这简直是个不可思议的奇迹。这是思维与计算的胜利，是牛顿万有引力理论的伟大胜利，也是科学史上一个令人难以忘怀的业绩。

茫茫星空不再神秘

海王星的发现归功于望远镜的诞生，望远镜何时发明已无法考证，但望远镜肯定诞生在最早发明玻璃的国家。当意大利的天文学家伽利略一听到望远镜诞生的消息，马上意识到它对天文学的重要性，自己动手研制出望远镜，并第一个把望远镜指向天空，观测神秘的星空，于是天文望远镜就诞生了。

在1609年一个晴朗无云的夜晚，一轮明月悬挂在天空，这是一个可以载入史册的夜晚，伽利略用望远镜对准月亮。几千年来，人类始终以为月亮美丽无瑕，黑夜给人带来光明，月亮是人类尊崇的神灵，月面上斑斑点点的阴影，使人们联想到月宫、桂树和玉兔，那是当时人类向往的天堂，有谁能想到月亮的表面竟像地球一样呢？当伽利略在望远镜里看到月面覆盖着苍古斑斓的大山和平原，还有无数大大小小像火山口一样的环形山时，他十分惊奇。伽利略在望远镜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脉，所谓的阴影处，原来是一望无际的平地。

伽利略兴奋地绘制了第一幅月面图，并且用“阿尔卑斯”和“亚平宁”给月亮上两条最显眼的山脉取了名字，以表示对自己祖国的热爱。接着伽利略又发现了木星卫星、太阳黑子等，从此天文学获得了探索宇宙的新武器，开创了人类探索宇宙的新纪元。

望远镜的研制迅猛发展，折射望远镜、反射望远镜、折反射望远镜相继诞生。其中第一架反射式望远镜由牛顿于1668年发明，现珍藏在皇家学会图书馆，研磨望远镜数量最多的当数英国有“恒星之父”美称的天文学家赫歇耳，他早年为乐师，后转为天文学，一生研制数百架望远镜。1781年3月13日，他用自制的15cm的望远镜观测并发现了天王星。当时人们只知天上有5颗行星，最远的是土星，距太阳约1.4×109km，那是太阳系的疆界，所以土星也被称为“镇星”，镇守在太阳系的疆界。天王星距太阳约2.87×109km，天王星的发现将太阳系的疆界拓展了一倍。

天王星的发现引起了世人极大的关注，世界各国天文学家把望远镜对准天王星，发现天王星运动不守规矩，不老老实实在轨道上运动，有时候误差角度竟高达2角分，当时根据“行星星历表”预报其他行星的运动，观测数据与预报数据很相符，而且很准确。天王星不安分的原因是什么呢？问题出在什么地方呢？大多数天文学家在反复研究后，分析有可能在天王星轨迹之外还有一颗未知的行星在干扰（或影响）天王星的运动规律，德国天文学家贝塞尔曾预言：天外行星的存在，因为行星运动参数主要取决是太阳，与行星之间的万有引力，但是行星还受到其他行星的引力，而影响它的运动规律，导致其偏离预定轨道．这种偏离现象称为“摄动”。

笔尖上的发现

19世纪中叶，虽然当时从已知的行星去计算对另一个已知行星的影响是可以做到的，计算却十分困难，但要解决反其道而行之的问题，也就是从天王星已知的轨道偏差去反推一个在未知轨道上运行的未知行星，并且求它当时所在的位置、质量、距离是一项相当困难的计算，致使那时没有敢进行尝试。

1843年，英国剑桥大学里有位刚毕业的24岁青年学生亚当斯勇敢地承担起了这个艰巨的任务，是最早从事这颗未知行星轨道要素研究和计算的人，剑桥大学天文台长鼎力支持此项工作并提供有关资料，经过一年多的复杂计算，终于算出了天王星外的一颗未知行星的轨道要素、质量和位置。1845年9月，亚当斯通过剑桥大学的一位天文学家教授，把计算结果寄给了英国皇家天文台长乔治·艾里爵士，请求他用大型望远镜来寻找这颗行星，不料艾里台长对亚当斯的结果抱怀疑态度，因此只是礼貌地向亚当斯写了封回信，根本没有组织天文台研究人员进行观测和寻找。亚当斯只好在缺少星图的条件下，自己在剑桥大学天文台进行观测，但没有找到。一直拖延到第二年7月，英国格林尼治天文台台长艾里已意识到问题重大，又请巴黎天文台任台长的朋友沙里斯带领人去观测，其实他们在8月4日、12日再次观测都记录到新行星，只是未做及时处理，从而再次丢掉机会，让新行星从他们的手里逃失。

正在这个时候，当时34岁的法国青年天文工作者勒维烈也开始研究这一难题。1846年8月31日，他的传世论文《论使天王星失常的行星，它的质量、轨道和当前位置的确定》发表在《法兰西数学学报》上。他的结果与亚当斯的非常接近。由于当时巴黎天文台没有详细完备的星图，勒维烈求助于柏林天文台，于1846年9月18日把他的计算数据寄给了拥有大量星图的柏林天文台的天文学家伽勒，请求帮助寻找。他在信中这样说：“请您把你们的望远镜指向黄径326°处宝瓶座内的横道上的一点，您将在离此约１°的区域发现一个强而明显的新行星，它的亮度约9等……”

勒维烈太幸运了。这封具有历史意义的信走了5天，就在这封信9月23日到达伽勒的当天晚上，这位德国天文学家就把望远镜对准宝瓶座勒维烈计算出的位置，认真进行搜索，细心记下经过望远镜里每一颗星。仅仅花了不到半个小时，就发现了一颗星图上没有的略带淡绿色的8等小星，它位于勒维烈所预言的那一只以外不到１°（52角分） 的位置上。第二天晚上又继续观测，发现这颗小星在恒星之间步履迟缓地移动着，这表明它确实是颗行星，伽勒兴奋极了。9月25日，他立即复信给巴黎的勒维烈：“先生，你给我们指出位置的新行星是确实存在的。”这封信寄到巴黎时，勒维烈如耳闻惊雷，看到自己的预言如此迅速地变成现实，激动万分，震惊不已。

伽勒把观察结果发表在德国《天文学杂志》第23卷上。需要指出的是，海王星的发现具有一定的偶然性。因为勒维烈在计算过程中，错设了未知行星的轨道半径和质量数据，当然很难做出准确无误的预言。幸好勒维烈算得的未知行星在星空中的位置同实际位置十分接近，这才被发现了。

新行星的发现轰动了整个世界，这在当时简直是个奇迹。一位天文学家在巴黎凭数学计算预言出一颗新行星的位置，另一个天文学家在柏林操纵望远镜找到了它。巴黎天文台长阿喇戈说：“天文学家有时偶尔碰到一个动点，在望远镜里发现一颗行星，可是勒维烈先生发现这个新的天体，都没有朝天一瞥，他在笔头下便看到这颗行星了。只靠计算的力量，他决定了我们所知道行星疆界之处的一个天体的位置和大小，这是一个离太阳12亿里（法国的古里）的一个天体，在最大的望远镜里也看不出它的圆轮来。”这个被天文学家称为“笔尖上的发现”的新行星被命名为海王星。

视名利淡如水

海王星发现后面临着命名问题，当时巴黎天文台台长的阿喇戈认为勒维烈“为祖国争得了光辉，为子孙赢得了荣誉。”建议命名为“勒维烈星”，勒维烈拒绝接受。后来人们还是用传统的行星命名法来命名这颗不平凡的行星，行星的命名历来都是用古代神话里的神来命名的，如Ｖenus（金星）为古希腊的爱神，Ｍars（火星）为古希腊的战神。人们从望远镜里观测到这颗淡蓝色的星，联想到大海，称为“Ｎeptune”，Ｎeptune为古罗马神话中的海神。据说全世界海洋的统治者（海神），住在深深的海底宫殿里，常乘坐一辆由金鬃色白马拉的两轮马车在海上奔驰巡逻。我国恰当地把Ｎeptune译成了海王星。

海王星发现后，使许多人又想起了亚当斯的工作成果，又重新释读亚当斯的论文，其中一段明白无误地写着：“新行星位于宝瓶座，其亮度大约相当于一颗9等星……”由此可见，两个互不知晓的青年，计算得到几乎相同的结果。当英法两国学术界争论海王星的发现优先权时，亚当斯本人异常平静，对名利十分淡薄，在他的日记中写道：“对他人的荣誉不应嫉妒，对自己的成功不应骄傲。”他本人抱着十分超然的态度，甚至对格林尼治天文台台长艾里也没有丝毫的怨言和责怪之心。1847年英国女皇在参观剑桥大学时，曾让校长转告亚当斯，为表彰亚当斯在研究新行星方面的贡献，女皇陛下决定给他授予爵位。可亚当斯却谦逊地回答：“这是科学巨人牛顿曾经获得过的殊荣，我与牛顿是无法相比的。”1847年，两个年轻人在伦敦的一次国际性学术会议上友好地相见了，他们互相称颂对方的工作，科学家的胸怀得到了充分的展示。

历史是公正的，人们一致认为他们应当共享这个荣誉。后来英国天皇天文学会把两枚金质奖章分别授于勒维烈和亚当斯，来表彰他们各自的功绩。鉴于他们的科学才华和所做的贡献，以及他们表现出的高尚情操，勒维烈后来两度出任巴黎天文台台长，亚当斯也担任了两届英国天文学会会长1861年后任剑桥大学天文台台长。

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