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宇宙用它无穷多的奥秘吸引着人类好奇的目光，从远古至今，人类的每一次进步都离不开宇宙慷慨的馈赠。宇宙就像一个钟表，完美的按照自己的规则持续的运行，而我们只能通过这个钟表的指针和刻度来了解和推测它运行的规律。 从亚里士多德、托勒密、哥白尼、开普勒、伽利略到牛顿、爱因斯坦、哈勃、霍金，这些聪明的大脑都站在这只钟表的面前冥思苦想，可以说直到今天，我们对宇宙还是一知半解，甚至连我们生存的星球都知之甚少，由此足以可见，人类在宇宙面前的渺小。 可是，就是这一群在宇宙中不起眼的生物，却在通过自己不断的努力去揭开宇宙无穷多的神秘面纱。  人类认识宇宙是从地球开始的，在通过观测和计算得知地球的形状、大小和重量之后，人类的视野逐渐扩展到了太阳系。我们想要知道的是地球究竟有没有兄弟姐妹，天上发现的行星和地球到底有什么关系，我们的太阳在宇宙中的什么地方。今天我们的主角就是地球的兄弟姐妹：木星和土星，而我们的故事要从一个音乐家说起。 威廉·赫歇尔是一名音乐家，但是音乐只是他养家糊口的工作而已，他真正的爱好是天文观测。和其他天文爱好者一样，他欣赏土星的光环，为之痴迷。出于对天文学的热爱，赫歇尔自己动手制作了很多高精度的天文望远镜，据说他的妹妹也是磨制镜片的高手。 时间来到了1781年3月13日，这天是星期二。18世纪的英国上流社会，餐桌礼仪很多，饭后女眷们都离开餐桌让男人们喝酒吸烟。咱们的音乐家就利用这段时间去观星，他利用当时全英国最好的一台6.2英寸口径的牛顿反射式望远镜对准了金牛座和双子座之间的一处双星。结果他发现其中的一颗很特别，可能是星云状的恒星或者是彗星。 到了5月，法国和俄国的数学家根据观测资料计算出了这颗星的轨道：它有着近乎圆形的轨道，与太阳的距离比天文学家所痴迷的、带着神圣光环的土星还要远。终于，改变的时刻到了，天王星闯入了行星的行列。 天文史学家通常把发现天王星的时间追溯到赫歇尔第一次瞥见它的那天：1781年3月13日。天王星给人们创造了独特机会：它是能够独立检验牛顿理论的第一个重大发现。换句话说，这个新发现为天文学界提供了一次机会，去看看他们用于计算的基本工具能否适用于这个新天体。 我们的主人公登场了，一位年轻而优秀的法国数学家：皮埃尔-西蒙·拉普拉斯。当他得知赫歇尔观测到的现象后，便立即加入大批欧洲思想家的行列：利用牛顿理论分析新天体。 最开始的时候，拉普拉斯是按照彗星来计算天王星的轨道的，结果并没有成功。当天王星被确认为行星之后，拉普拉斯重新来按照观测数据进行计算，在1783年初提出了分析天体运动的新方法，这种方法的适用范围更加具有普遍性。 将新方法应用于天王星后，拉普拉斯得到了对天王星轨道的最佳数据。对拉普拉斯来说，这些计算不仅展现了他的分析能力，更是他之后毕生研究工作的开端：使用更成熟的数学语言来描述牛顿物理学，完成牛顿奠基的工作——建立一个能够细致描述世间万物运动的体系。  从18世纪80年代到19世纪初，拉普拉斯建立了关于太阳、行星、卫星之间相互作用的最全面的描述方法。随着数学语言越来越成熟，对于天体运动行为的表述也愈加严密。拉普拉斯改变了牛顿用于证明“宇宙可以被理解”的体系，用他那史诗般的叙述书写了宇宙的真实行为。 可是，研究工作并不总能得到完美的结果。到了18世纪末，太阳系动力学研究面临着一些尚未解决的问题，有些问题持续了数十年都没有得到解决。其中最重要的一个问题是，从17世纪末开始，木星的运动速度比早些时候的记录加快了，而土星却似乎慢了下来。通过简单的分析，这种现象是不可能发生的。但观测数据就摆在那里，而记录这些观测结果的正是牛顿的好友，哈雷。 牛顿的引力理论可以简单的概括成一个公式，它可以精确地告诉你两个天体如何影响彼此。如果知道两个天体的质量和它们之间的距离，就可以计算出它们之间的引力大小。 根据引力来计算天体的运动轨迹、彗星轨道，虽然复杂一点，但也不会太费劲。比如，为了计算地月之间的引力，我们只需要将地球的质量（约为6×10^24千克）乘以月球的质量（7.35×10^22千克，约为地球质量的1/80），再乘以牛顿引力常数6.67384×10^-11牛·米^2/千克^2（牛是力的国际单位牛顿的简称），将乘积除以地月之间距离（约为384403千米）的平方。于是，我们就得到了答案：地月之间的引力为1.99×10^20牛。 这种计算是在理想情况下进行的，实际天体运行的环境要复杂的多，因此，牛顿科学思想面临的真正考验在于宇宙中天体运行的实际情况和计算得到的结果不一致。 如果在计算时忽略现实的不一致性，那么对于木星和土星运行情况的计算结果必然与实际数据不一致，这种矛盾究竟意味着什么呢？普拉斯清楚地知道，当真实情况与理论解释发生冲突的时候，有可能是理论出错了，但也还有另一种可能。 如果测量值不符合理论，下一步就该寻找一些新东西，也可能是重新理解数学本身，从而让真实世界与其数学表达保持一致。不一致意味着未知事物等着我们去发现，它可能存在于自然中，也可能存在于理解自然的抽象思想中。  1785年，拉普拉斯决定开始研究木星和土星的运动。根据牛顿定律，土星和木星应该相互吸引，结果是它们的引力之舞与观测到的运动是一致的，较大的行星在加速，而较小的则慢下来。经过重新计算，得到了与前人相同的答案：加速和减速的量级差不多是对的，但仍存在微小的偏差。这种偏差的来源并不在于牛顿的理论，而是人们可能忽略了一些问题。 如果把木星和土星处理为相关系统的连续变量，构建一种数学方法，每当两颗行星的相对位置发生变化，引力方程便有了一组新的输入条件，输出的结果就是行星运动发生的相应变化。为了描述三维空间中两颗行星的相对位置，并且让它们随着时间进行演化，拉普拉斯建立了格外复杂的方程组，求解这组方程的过程同样的复杂。 拉普拉斯花了整整三年完成这项工作，在1788年宣布破解了土星、木星的运动谜题：木星加速和土星减速是二者之间的引力发生微小变化造成的，而引力变化源于它们的轨道发生偏移，这些变化会以929年为周期重复发生。根据历史上对这两颗行星的轨道的观测记录，人们发现当时精度最高的观测和理论计算符合得非常好。拉普拉斯也由此证明了土星、木星的运动遵循牛顿的理论。  拉普拉斯的工作不仅确认了牛顿理论是“无可争辩的真理”，还充分体现了科学革命自身的革命性。在拉普拉斯和他的同时代人看来，牛顿理论的深刻力量是各种新发现的引擎，它的驱动力来源于严谨的数学推理。探索是没有终点的，太阳系新成员天王星的加入，就表明科学技术的每次进展都会让我们发现几块“新大陆”。 这一次的故事就讲到这里了，咱们下周见。 “科学大唠嗑”是悦读读书会新增添的一个栏目，每周更新一次，作者是书友们所熟悉的“牧羊人”张喆老师。他曾组织过我们读书会开展天文线下活动，也是《时间简史》、《上帝掷骰子吗？》的领读者。对于天文爱好者，此栏目是一个相当大的福利。对天文还未有过了解的书友们，这也是一次增长天文知识的机会。期待张老师下一次更新！ |
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