尋找太陽(yáng)系的疆界（１）

　　開(kāi)欄語(yǔ)：
　　記得念小學(xué)的時(shí)候，有一篇課文叫做《數(shù)星星的孩子》，講述了漢朝天文學(xué)家張衡童年的故事。時(shí)隔這么多年，小學(xué)的很多課文我已經(jīng)淡忘了，但那篇數(shù)星星的課文卻依然記憶猶新。那時(shí)候，我住在杭州郊外，家門(mén)口有一個(gè)池塘，在許多個(gè)晴朗的夏夜里，我和小伙伴們也常常坐在池塘邊仰望星空。那時(shí)候，郊外的天空還沒(méi)有被都市的燈光所污染，在廣袤的天幕下，那一顆顆璀璨奪目的星星顯得格外晶瑩美麗。自遠(yuǎn)古以來(lái)，這種無(wú)與倫比的美麗就吸引了一代又一代的追隨者，他們中的一些人甚至將自己的一生都獻(xiàn)給了探索星空奧秘的事業(yè)。人類(lèi)尋找太陽(yáng)系疆界的故事只是科學(xué)史上的幾朵小小浪花，但在那些故事中有浪漫，也有艱辛，有功成名就的興奮，也有錯(cuò)失良機(jī)的遺憾，它們就像天上的星星一樣動(dòng)人。
　　
　　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(guò)《會(huì)下金蛋的鵝——希爾伯特第十問(wèn)題》《蟲(chóng)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。
　　
　　一 星空世界的漫游者
　　
　　在很久很久以前，一群古希臘的牧羊人生活在遼闊的原野上。他們白天與羊群為伍，在原野上漫游，夜晚則與星空為伴，期待黎明的到來(lái)。漸漸地，他們注意到在晨光漸露、太陽(yáng)即將躍出地平線(xiàn)的時(shí)候，天邊有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一顆閃爍的星星。與多數(shù)星星不同的是，那顆星星的位置會(huì)一天天地變化，甚至有時(shí)會(huì)連續(xù)一段時(shí)間不出現(xiàn)。他們把這顆出現(xiàn)在黎明時(shí)分的星星叫做“晨星”。細(xì)心的牧羊人還注意到，在日沉大地、暮色四合的時(shí)候，天邊有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一顆閃爍的星星，它的位置也會(huì)一天天地變化，有時(shí)也會(huì)連續(xù)一段時(shí)間不出現(xiàn)。他們把那顆出現(xiàn)在黃昏時(shí)分的星星叫做“晚星”。很多年之后，人們意識(shí)到晨星和晚星實(shí)際上是出現(xiàn)在不同時(shí)刻的同一顆星星，據(jù)說(shuō)畢達(dá)哥拉斯是最早意識(shí)到這一點(diǎn)的人。在群星之中，這顆星星的位置變化最為顯著，往來(lái)如梭，仿佛天空中的信使。羅馬神話(huà)中的信使墨丘利便成了它的名字。
　　像這樣的小故事幾乎在人類(lèi)文明的每一個(gè)發(fā)源地都有過(guò)。那時(shí)的人們就已經(jīng)知道，在浩瀚的夜空中，多數(shù)星星的位置看上去是固定的，像晨星（晚星）這樣會(huì)移動(dòng)的星星是十分少見(jiàn)的。這樣的星星被稱(chēng)為行星，它的英文名 planet 來(lái)自希臘文的“漫游者”。 被遠(yuǎn)古人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的行星共有五顆，這個(gè)數(shù)目在長(zhǎng)達(dá)幾千年的時(shí)間里從未改變過(guò)，甚至一度被認(rèn)為是永恒不變的真理。在東方的中國(guó)及深受中華文化影響的東方國(guó)家如日本、 韓國(guó)及越南，人們將五顆行星與陰陽(yáng)五行聯(lián)系在一起，并以此將它們分別命名為水星［即上面提到的墨丘利（Mercury）］、金星［在西方世界被稱(chēng)為維納斯 （Venus），她是羅馬神話(huà)中掌管愛(ài)情與美麗的女神］、火星［在西方世界被稱(chēng)為瑪爾斯 （Mars），他是羅馬神話(huà)中的戰(zhàn)神］、木星［在西方世界被稱(chēng)為朱比特 （Jupiter），他是羅馬神話(huà)中的眾神之王］和土星［在西方世界被稱(chēng)為薩坦 （Saturn），他是朱比特的父親，是羅馬神話(huà)中掌管農(nóng)業(yè)與收獲的神］。
　　除了“日心說(shuō)”導(dǎo)致的地球地位變更（從而使行星數(shù)目由五變?yōu)榱┩猓行菙?shù)目的長(zhǎng)期不變是不爭(zhēng)的事實(shí)。一百年、兩百年，一千年、 兩千年……這個(gè)數(shù)目從未改變過(guò)， 天文學(xué)家們做夢(mèng)也沒(méi)想到，這個(gè)數(shù)目有一天竟然也會(huì)被改變。這一天是1781年3月13 日， 改變這個(gè)數(shù)目的是英國(guó)一位業(yè)余天文學(xué)家，他的名字叫做威廉·赫歇耳，他發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)系的第七顆行星，從而成為幾千年來(lái)發(fā)現(xiàn)新行星的第一人。赫歇耳的發(fā)現(xiàn)出乎包括他自己在內(nèi)的所有人的意料，這一發(fā)現(xiàn)不僅為他本人贏得了永久的榮譽(yù)，也將觀測(cè)天文學(xué)帶入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，一個(gè)由赫歇耳 “無(wú)心插柳”而開(kāi)啟的天文學(xué)家們 “有心栽花” 的時(shí)代，人類(lèi)從此開(kāi)始了尋找太陽(yáng)系疆界的漫漫征途。
　　
　　二 從音樂(lè)家到業(yè)余天文學(xué)家
　　
　　赫歇耳于 1738 年 11 月 15 日出生在當(dāng)時(shí)屬于英王領(lǐng)地的德國(guó)中北部城市漢諾威的一個(gè)音樂(lè)之家。 赫歇耳具有很高的音樂(lè)天賦， 他十四歲就參加樂(lè)隊(duì)， 不僅擅長(zhǎng)演奏多種樂(lè)器， 而且還能獨(dú)立作曲， 他創(chuàng)作的交響曲和協(xié)奏曲有幾十首之多。 1757 年秋天，十九歲的赫歇耳移居到了英國(guó)，以演奏及講授音樂(lè)為生。
　　赫歇耳的音樂(lè)成就應(yīng)該說(shuō)是頗為可觀的，但放在他的簡(jiǎn)歷之中，卻無(wú)可避免地要被淹沒(méi)在巨大的天文成就之下。不過(guò)他的音樂(lè)生涯中有一件事值得一提。那是在18世紀(jì)60年代中期，當(dāng)時(shí)英國(guó)的教會(huì)剛剛開(kāi)始引進(jìn)風(fēng)琴，需要招募一批風(fēng)琴演奏者，年輕的赫歇耳也參加了角逐。當(dāng)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)頗為激烈，而赫歇耳在風(fēng)琴演奏上并無(wú)經(jīng)驗(yàn)。但他敏銳地發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)英國(guó)教會(huì)引進(jìn)的風(fēng)琴與歐洲大陸的風(fēng)琴相比有一個(gè)缺陷， 那就是缺少控制低音部的踏板。為了彌補(bǔ)這一缺陷， 聰明的赫歇耳對(duì)兩個(gè)低音琴鍵進(jìn)行了改動(dòng)，從而演奏出了通常需要低音踏板的配合才能演奏出的低音部。 他的表演不僅贏得了評(píng)審者的一致贊賞， 而且令他們深感神秘—— 當(dāng)然，他順理成章地成了優(yōu)勝者。赫歇耳在這一競(jìng)爭(zhēng)中顯示出的過(guò)人的動(dòng)手及設(shè)計(jì)能力，為他后來(lái)的天文方面成就立下了汗馬功勞。
　　1766 年，赫歇耳遷居到了英國(guó)西南的巴斯小鎮(zhèn)，在一所教堂擔(dān)任風(fēng)琴演奏師，開(kāi)始了他在那里長(zhǎng)達(dá)十六年的生活。這座當(dāng)時(shí)人口只有兩千的觀光小鎮(zhèn)因而有幸見(jiàn)證了赫歇耳一生最輝煌的工作。在巴斯期間，赫歇耳的音樂(lè)生涯達(dá)到了巔峰，他不僅是風(fēng)琴演奏師，而且還擔(dān)任當(dāng)?shù)匾魳?lè)會(huì)的總監(jiān)，并開(kāi)班講授音樂(lè)課程。1772 年， 收入已頗為殷實(shí)的赫歇耳給他母親寄去了足夠雇一位傭人的錢(qián)，從而把妹妹卡洛琳從繁重枯燥的家務(wù)勞動(dòng)中解救了出來(lái)，并接到巴斯。
　　與赫歇耳一樣，卡洛琳也是一位頗有音樂(lè)天賦的人，但她一生注定要跟隨哥哥去走一條未曾規(guī)劃過(guò)的道路。卡洛琳來(lái)到巴斯之前，已是鎮(zhèn)上知名音樂(lè)家的赫歇耳潛心學(xué)起了數(shù)學(xué)。赫歇耳學(xué)數(shù)學(xué)的本意是為了加強(qiáng)自己的音樂(lè)素養(yǎng)，他想多了解一些和聲的數(shù)學(xué)機(jī)理，結(jié)果卻因?qū)W習(xí)數(shù)學(xué)而接觸了光學(xué)，又因光學(xué)而對(duì)天文學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣，最終走上了一條業(yè)余天文學(xué)家之路，而卡洛琳則成為他在天文觀測(cè)上不可或缺的助手。
　　赫歇耳的這條業(yè)余天文學(xué)家之路不僅為他自己走出了一片絢爛的天地，也成就了業(yè)余天文學(xué)的一段 （也許是最后一段 ）黃金歲月。18世紀(jì)的許多職業(yè)天文學(xué)家過(guò)分沉醉于由牛頓奠定，經(jīng)歐拉、拉格朗日、拉普拉斯等人改進(jìn)的輝煌的力學(xué)體系之中。他們熱衷于計(jì)算各種已知天體的軌道，以此檢驗(yàn)牛頓力學(xué)，同時(shí)也為經(jīng)緯及時(shí)間的確定提供精密參照。在一定程度上， 當(dāng)時(shí)的許多職業(yè)天文學(xué)家變得精于驗(yàn)證性的計(jì)算，卻疏于探索性的觀測(cè)。在這種情況下，自赫歇耳之后半個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間里，業(yè)余天文學(xué)家對(duì)天文學(xué)的發(fā)展起了重要的補(bǔ)充作用，這一時(shí)期天文學(xué)上的許多重大的發(fā)現(xiàn)就出自他們的觀測(cè)之手。
　　常言道： “工欲善其事，必先利其器”，對(duì)天文觀測(cè)來(lái)說(shuō)必備的工具是望遠(yuǎn)鏡。由于當(dāng)時(shí)高質(zhì)量的望遠(yuǎn)鏡極其昂貴，赫歇耳決定自己動(dòng)手制作望遠(yuǎn)鏡。望遠(yuǎn)鏡的問(wèn)世是在17世紀(jì)初，其確切的發(fā)明者現(xiàn)已不易追溯，但德國(guó)裔荷蘭人利普歇于 1608 年最早為自己制作的望遠(yuǎn)鏡申請(qǐng)了專(zhuān)利，從而留下了文字記錄，因此人們一般將他作為望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明者。1609 年， 科學(xué)巨匠伽利略得知有關(guān)望遠(yuǎn)鏡的消息后，很快制作出了自己的望遠(yuǎn)鏡。伽利略制作的望遠(yuǎn)鏡在結(jié)構(gòu)及放大率上都大大優(yōu)于包括利普歇在內(nèi)的同時(shí)代人制作的望遠(yuǎn)鏡，他也是最早將望遠(yuǎn)鏡用于天文觀測(cè)的人。通過(guò)望遠(yuǎn)鏡， 伽利略獲得了一系列前所未有的天文發(fā)現(xiàn)，包括發(fā)現(xiàn)月球上的環(huán)形山、太陽(yáng)黑子及木星的四顆衛(wèi)星（現(xiàn)在被稱(chēng)為伽利略衛(wèi)星）。不過(guò)伽利略所用的是折射望遠(yuǎn)鏡，這種望遠(yuǎn)鏡由于透鏡（主要是物鏡）所具有的色差等當(dāng)時(shí)技術(shù)難以消除的效應(yīng)而無(wú)法達(dá)到很高的放大率。17世紀(jì)后期，另一位科學(xué)巨匠牛頓發(fā)明了反射望遠(yuǎn)鏡， 用反射面替代了折射望遠(yuǎn)鏡中的物鏡，從而避免了透鏡色差帶來(lái)的困擾。赫歇耳所制作的就是反射望遠(yuǎn)鏡，這種望遠(yuǎn)鏡的反射面可以用金屬制作而無(wú)需使用玻璃。
　　為了制作望遠(yuǎn)鏡，赫歇耳將自己在巴斯的住所改造成了望遠(yuǎn)鏡作坊：客廳被用來(lái)制作鏡架與鏡筒，臥室變成研磨目鏡的場(chǎng)所，廚房里則架起了熔爐。赫歇耳細(xì)心試驗(yàn)了許多不同成分的合金，最后選擇了由71%的銅與29%的錫所組成的合金作為制作反射面的材料。在制作望遠(yuǎn)鏡期間，除卡洛琳外，赫歇耳還得到了弟弟亞歷山大的幫助。赫歇耳一生制作的望遠(yuǎn)鏡有數(shù)百架之多，除自己使用外，出售望遠(yuǎn)鏡還成為家庭的一大收入來(lái)源。在長(zhǎng)期的制作中，他的作坊也一度發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的事故，導(dǎo)致熔融的金屬四處飛濺，幸好未造成人員傷亡。
　　1778 年，赫歇耳的家庭作坊制作出一架直徑 6.2 英寸、焦距7英尺的反射望遠(yuǎn)鏡。這架望遠(yuǎn)鏡在天文史上有著重要意義，被后世稱(chēng)為 “七英尺望遠(yuǎn)鏡”。后來(lái)的檢驗(yàn)表明，赫歇耳這架“七英尺望遠(yuǎn)鏡”的性能全面超越了當(dāng)時(shí)英國(guó)格林尼治皇家天文臺(tái)的望遠(yuǎn)鏡。赫歇耳用自己的雙手制造出當(dāng)時(shí)最頂尖的觀測(cè)設(shè)備，在自己的天文觀測(cè)之路上邁出了無(wú)比堅(jiān)實(shí)的第一步。終其一生，赫歇耳孜孜不倦地建造著更大的望遠(yuǎn)鏡，一而再、再而三地刷新著自己的紀(jì)錄，他在這一領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)在其有生之年從未被反超過(guò)。
　　三年后一個(gè)春季的夜晚，一顆略帶圓面的星星出現(xiàn)在赫歇耳 “七英尺望遠(yuǎn)鏡”的視野里，他一生最偉大的發(fā)現(xiàn)來(lái)臨了。 （待續(xù)）