174年前的今天，牛顿力学最辉煌的一天

自此之后，人们就一直热衷于用太阳系中的行星轨道去验证牛顿的假说。 在那个年代，想要确认一颗行星很难，因为它们看起来和恒星、彗星一样，都是一颗颗在天空中运动的亮点。

▲ 在牛顿之前，人们就发明了望远镜，图为向威尼斯大侯爵介绍如何使用望远镜。图/Wikipedia

正因为如此，在1781年天王星被发现时，人们曾误把它认成了一颗彗星。在反复地观测和计算，它的行星地位才被确认， 在考虑了木星、土星等大行星对它的影响（天文学中称为摄动）后，科学家给出了它的公转轨道和周期。

▲ 天王星发现者，赫歇尔的天文望远镜。图/Wikimedia

但是，奇怪的事情随后发生了， 1800年后，天王星的运行速度先快后慢，逐渐偏离了人们预测的位置，到1845年时，它的偏离程度已经非常之大了——这对当时如日中天的牛顿力学，产生了不小的挑战。

▲ 天王星。图/NASA

虽然有人也因此怀疑过牛顿力学的普适性，但 大多数科学家还是想通过加入其它影响因素的方法，来解释这个“错误”。有人把这归罪于彗星的撞击，但彗星根本不可能对这颗质量是地球14倍的大行星轨道产生如此大的影响；也有人认为这是天王星有一颗巨大的卫星在影响它，可是人们一直没能观测到这颗隐藏的卫星。

▲ 天王星的确有多达27颗的卫星，但这些卫星都非常小，最大的一颗也没有月亮的一半大。图为天王星行星环中的卫星群。图/Wikipedia

在各种猜测中，未知行星的假说逐渐脱颖而出： 会不会在天王星外面，还有一颗行星呢？加入了外围行星的摄动，一切就都说得通了。

但是，要发现这颗潜在行星的难度相当之大：它离太阳更远，更黯淡， 在那个恒星星图尚不完善的年代，如果光靠望远镜在天空中寻找，估计几十年都找不到，而且就算发现了，也很可能被误认为是一颗恒星。

▲ 十七世纪末的一张星图，在这张星图诞生的时候，牛顿的万有引力定律尚未提出。图/Wikipedia

于是，人们又开始计划通过摄动的效果反推出这个行星的位置，然后再观察验证。这种方法没有固定的算法，它需要计算者不断地进行假设，并根据观察结果修订假设， 这个过程讲起来容易，做起来却比登天还难，当时的大部分科学家都认为这是无法做到的。

或许正因为此，发现海王星的桂冠，最终由两位年轻的“小字辈”摘得了。

险些被错过的海王星

1846年的9月23日，柏林天文台的约翰·加勒收到了一封来自于法国人勒威烈的来信，信中如此写到：“把您的望远镜指向宝瓶座......在这个位置1度的范围内，定能找到新的行星。”

加勒跟勒威烈关系很好，1年前，他还曾把自己的博士论文寄给勒威烈让他帮忙审阅。由于勒威烈的信里没有写计算过程，所以加勒对新行星的预测也将信将疑，不过看在朋友的份上，当天晚上他还是带上正在天文台读博的德莱斯特，打开了望远镜开始观测。

▲ 约翰·格弗里恩·加勒，按照勒维烈的预测发现了海王星。图/Wikipedia

幸运的是，德莱斯特刚好完成了对于新行星出现区域天区的星图绘制，两个人一颗一颗地排查镜头中出现的星星，不 过半个小时就在距离勒维烈预测位置区域0.6度的地方发现了一颗星图上不存在的星星，但尚不能确认这是否是一颗行星。

▲ 用肉眼观星，行星可能只是一个更亮的点，比如图中心略微发红的火星，但在望远镜里，行星会呈现一个圆面，而恒星还是一个点。加勒在第一次观测到海王星的时候，因为距离太远，甚至没有看出圆面，所以不能确定是否是行星。摄影/焦晨

第二天一入夜，两人立刻又去观测那片天区，发现这颗新星已经向西发生了微小的移动，毫无疑问，走得这么快的，只可能是太阳系里的新行星！

柏林天文台在9月23日发现新行星的消息迅速传遍了世界，勒威烈也就此名声大噪，与此相对比的是， 在此之前，勒威烈其实已经就新行星的预测向巴黎科学院发送了三篇论文，但全部石沉大海，这才把验证预测的机会留给了德国，而不是法国。

▲奥本·尚·约瑟夫·勒维烈，作为海王星的发现者，他是名字被刻在埃菲尔铁塔的七十二位法国科学家与工程师其中一位。

与此同时，人们才发现另一位年轻的英国天文学家亚当斯其实早在1845年的9月，就算出了这颗星的位置， 但他的资历太浅，没有人愿意认真对待这份预测，所以一直拖到第二年7月，才在没有可靠星图的情况下，零零碎碎地观测了一个多月，结果一无所获。

▲ 约翰·柯西·亚当斯，海王星的联合发现者，他所在的剑桥大学还设立了亚当斯奖，用于表彰在数学领域做出突出贡献的英国数学家。图/Wikipedia

经过英法间一番关于“谁先发现新行星”的争论后，天文学界最终认定是两个人都是它的发现者，勒威烈为它起的名字“Neptune”（纳普顿，希腊神话中的海神，中文译名 海王星）也一直沿用至今。

▲ 海王星。图/NASA

我们现在知道，海王星是一颗非常漂亮的蓝色星球，这是因为它大气中所含的甲烷吸收了红色光线。 但人们在刚发现它的时候，还看不到它的颜色，所以海王的名字和它的颜色完全没有关系。

1989年8月25日，人类的飞行器旅行者2号第一次，也是迄今为止唯一一次飞跃海王星，我们才得以近距离一睹它的芳容。

▲ 艺术家笔下旅行者2号越过土星时的场景。图/NASA

海王星上有着太阳系里最猛烈的风暴，最高风速可达每小时2100千米，这几乎是声音传播速度的两倍，而且这些风吹得并不全是气体，因为海王星大气表层的温度只有零下214多摄氏度，此时的甲烷，已经是固态的“冰”晶了。

▲ 旅行者2号拍摄到的海王星大黑斑和小黑斑，这些都是海王星上的巨型风暴，但这些风暴如今已经平息，只持续了几十年，这与木星大红斑几百年的寿命无法比拟。图/Wikipedia

如此强大的风暴，光靠微弱的太阳光是驱动不了的，因此，人们认定海王星应该拥 有一颗比地球略大的、由岩石和“冰”组成的炙热核心。这里的温度高达5000度，几乎和太阳表面一样热，压力有700万个大气压，在这种环境下的“冰”并不是固态水，而是处在一种氧原子组成晶格、氢原子在其中流动的，看上去是固态的超离子状态。

▲ 海王星的结构：内层的“固态”核，水、氨、甲烷组成名为“水-氨大洋”的热流体地幔，氢、氮和甲烷组成的大气。图/Wikipedia

旅行者2号在经过海王星时，还发现了它的三个环，人们于是用“亚当斯”、“勒威烈”和“加勒”为它们命名，以纪念这三位海王星的发现功臣。

辉煌过后，是什么？

牛顿力学的成名，在于它能够预测未被观测到的天体。牛顿的朋友哈雷经过精密的计算，在1705年的时候就预测一颗彗星会在1758年会回归。当时哈雷已经49岁了，牛顿力学的反对者们因此嘲笑他说：“哈雷的年龄为他的预言保了险，请问53年后如果彗星不出现，我们上哪儿去诘问他本人呢？”

▲ 1986年回归的哈雷彗星，它的下一次回归是2061年。图/NASA

最终，反对者都被现实打了脸，彗星于1758年如约而至，人们为了纪念哈雷发现了这颗彗星的周期性，而把它命名为哈雷彗星。

到了18世纪末，对于牛顿力学的质疑声音已经很小了， 天王星轨道的“危机”成为了反对者们最后的稻草，但事实却书写出牛顿力学史上最为辉煌的篇章。

▲ 牛顿的《自然哲学的数学原理》，几乎就是那个时代的圣经。图/Wikipedia

不过，想参透宇宙运行的规律，才没有那么简单，牛顿力学也不是一把万能钥匙。

勒威烈在成功发现了海王星后，又观测到了水星轨道的异常——水星的近日点的位置按照牛顿力学计算，每百年会变化1°33'20''（科学名为进动值），但实际观测结果却是1°32'37''，这个43''的差距虽然很微小，但已经是无法被忽视的误差了。

▲ 行星进动现象示意（现象被极度夸大）。图/Wikipedia

勒威烈惊喜地认为，历史又给了他一次发现行星的机会。有了海王星的经验，他很快就计算出了一颗水星轨道内行星的位置，并将它命名为“火神星”。1877年3月22日，人们纷纷把望远镜对准了勒威烈给出的“火神星”将要出现的位置，却什么都没有发现。

▲ 一张1846年太阳系示意图上的火神星（VULCAN）。图/Wikipedia

直到1915年爱因斯坦提出广义相对论之前，火神星一直都是牛顿力学上空一朵挥之不去的乌云。根据广义相对论，人们很轻松地计算出了与实际相符的水星进动值，这多出的43''，是太阳周围空间弯曲所造成的。 牛顿力学就此“跌”下王座，成为了广义相对论的一种特例。

▲ 爱因斯坦广义相对论预测的现象：右侧蓝色的环是一个遥远的星系，由于巨大的前景发光红色星系的强引力被放大并扭曲成几乎完整的环。图/Wikipedia

如今位于神坛之上的广义相对论，就是完美的么？当然不是，无论是黑洞的中心奇点，还是宇宙大爆炸前的初始状态，广义相对论都无法解释，因为它与描述微观状态的量子力学无法兼容。

没有人知道，下一个理论的辉煌时刻何时会到来，但它终会到来。

参考资料：

《牛顿力学最辉煌的一天——海王星发现周“年”纪念》，王玉民

文丨张雨晨

封图 | 图虫·创意

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