探究浩瀚星空

哲學(xué)家康德說：惟有兩件事使我越思索越感敬畏，那就是頭上的星空和心中的道德定律。自古以來，浩瀚的星空使人類產(chǎn)生了無限的遐想和好奇。可是，它對人類來說又是那么遙遠不可及。隨著伽利略發(fā)明天文望遠鏡，對星體進行觀測，揭開浩瀚星空奧秘的偉大時代來臨了。威廉·赫歇爾就是這個偉大時代的杰出代表之一。

年輕的管風琴演奏家

威廉·赫歇爾，1738年11月生于德國漢諾威。他的父親在禁衛(wèi)軍樂團吹奏雙簧管，由于父親的熏陶，他從小就喜歡音樂，并很快成為一名出色的雙簧管演奏者。

赫歇爾天性聰穎，愛好廣泛，在父親的指導(dǎo)下，不僅學(xué)習了音樂的樂理和技法，還逐漸對天文知識產(chǎn)生了濃厚的興趣。原來他的父親不僅精通樂理，而且還是一名業(yè)余天文學(xué)愛好者。在父親的引導(dǎo)下，赫歇爾對夜空中的許多星座都非常熟悉，同時也對浩瀚星空有了初步的認識。

不久，父親把赫歇爾送到漢諾威城中的加里松學(xué)校讀書。在學(xué)校里，赫歇爾勤奮好學(xué)，尤其喜歡數(shù)學(xué)課程。他的數(shù)學(xué)成績非常優(yōu)秀，這為他日后處理分析和統(tǒng)計天文觀測的數(shù)據(jù)，以及為他自學(xué)設(shè)計和制造天文望遠鏡所必備的光學(xué)知識，打下了堅實的基礎(chǔ)。16歲時，赫歇爾離開學(xué)校，與父親一樣加入禁衛(wèi)軍樂團，在那里擔任小提琴和雙簧管演奏員。

1756年，英國和法國之間爆發(fā)了歷史上的“七年戰(zhàn)爭”，德國也卷入其中。第二年，法國占領(lǐng)了漢諾威。赫歇爾不堪忍受戰(zhàn)爭之苦，于是渡海偷偷跑到了英國的倫敦。在倫敦，他在一家出售音樂制品的商店當雇員，幫人抄寫樂譜糊口。

1760年，赫歇爾的音樂才華受到了倫敦達林頓勛爵的賞識。經(jīng)勛爵的推薦，他受聘于達勒姆郡軍樂團。在演出和作曲之外，赫歇爾努力學(xué)習英文、意大利文和拉丁文，同時廣泛閱讀牛頓、萊布尼茨等科學(xué)家的自然哲學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)著作。隨著赫歇爾知名度的擴大，他的地位也不斷升高，先后擔任過音樂教師、演奏師，并成為有一定知名度的作曲家。1776年，赫歇爾搬遷到哈利法克斯，受聘為該城的大教堂管風琴演奏家。同年，他兼任巴茲大教堂的管風琴師。

動手研制望遠鏡

赫歇爾是個具有強烈求知欲的人。為了研究樂理，他開始鉆研史密斯的《注音》，一次很意外的機會，他從該書提供的線索中找到了另一本著作《完整的光學(xué)系統(tǒng)》。在這本書中，他發(fā)現(xiàn)了制作望遠鏡的技巧，這又重新喚起了他內(nèi)心深處對宇宙浩瀚星空的迷戀。

當時，望遠鏡的視距不夠，天文學(xué)家只能觀測鄰近的太陽、月球和行星。然而，赫歇爾決心要研究更遙遠的天體。根據(jù)他的知識，他知道要想做到這一點，就必須使用帶有能集中足夠光線反射鏡的望遠鏡。于是，赫歇爾決定利用《完整的光學(xué)系統(tǒng)》一書中學(xué)到的光學(xué)知識，自己動手制造一臺大口徑高倍率的折射式望遠鏡。

從1773年起，赫歇爾在妹妹卡洛琳的幫助下，開始研制他的高精度天文望遠鏡。他選用不同配比的銅、銻和錫合金為鏡坯，精心打磨和拋光，制成聚光用的反射鏡片。用這種方法，1776年赫歇爾一年內(nèi)建成了三架望遠鏡。當時望遠鏡的焦點多采用牛頓式，即在主焦點之前的光軸上，斜置一平面副鏡，將焦點折射在鏡筒上端的一側(cè)。赫歇爾為了減少折射的失光，將主鏡略微偏置，使星光經(jīng)主鏡反射后，焦點不會匯聚在光軸上，而是斜到鏡筒上端的一側(cè)。這樣，可以省去牛頓式的平面副鏡，從而提高聚光的效率。因為這一光學(xué)系統(tǒng)是赫歇爾發(fā)明的，所以后世稱之為赫歇爾焦點，而按照這種光學(xué)系統(tǒng)制成的望遠鏡也就稱為赫歇爾望遠鏡。

1787年，赫歇爾為了判斷他的望遠鏡的視距是否真的已經(jīng)貫穿了整個銀河系，觀測到了銀河系的邊緣，決心再制造一個威力更加巨大的望遠鏡。然而，因為他所要求的鏡面實在太大，以至于超過了當?shù)馗鱾€鑄造廠的加工能力。因此，此后赫歇爾不得不決定在自己家里的地下室里自己動手制造。他將分量不同的銅、錫、銻混合起來，再加熔鑄磨研。但是第一面反射鏡在冷卻時破裂了。赫歇爾并沒有氣餒，又做了第二次嘗試，可惜這一次熔化了的金屬流出了容器，溢到地板上來。赫歇爾再次受到了失敗的打擊。但是不久以后，赫歇爾在卡洛琳的熱心支持和鼓勵下，以百折不撓的毅力，幾經(jīng)失敗，又不斷總結(jié)經(jīng)驗和教訓(xùn)，改進了工藝方法，最后終于澆鑄出合格的大鏡坯。以此裝配成的望遠鏡的性能，竟然比當時格林威治天文臺所用的望遠鏡還要優(yōu)異！

從音樂家到天文學(xué)家

自古以來，人類對宇宙天生具有的敬畏和好奇心的本性，在赫歇爾身上得到了充分的展示。赫歇爾決心要揭示宇宙究竟有多大，銀河系是否有邊界，若它的范圍是有限的，那么又有多大等一系列困擾人類已久的天文學(xué)難題。而要解決以上這些難題，就必須知道恒星的距離。因此，赫歇爾開始了他那漫長艱辛但卻偉大而輝煌的星空探索旅程。

18世紀70年代末，赫歇爾在卡洛琳的支持和協(xié)助下，開始了用他自制的2.1米望遠望對星空進行“巡視”的創(chuàng)舉。其主要內(nèi)容是從他的住處逐個觀察分布于北天球上的亮星，被后人稱作第一期星空巡視。1780年赫歇爾又開始了第二期星空巡視。經(jīng)過二次初步的觀測，在1781年赫歇爾又開始進行他的第三次全面觀測夜空的歷程。

在1781年3月13日夜，赫歇爾在金牛天區(qū)天關(guān)星附近觀測到一個不尋常的星體，亮度約6星等，有一定大小的視圓面，但可以肯定不是恒星。因為沒有任何一顆恒星能在望遠鏡中顯出圓面，恒星只能增大亮度。起初，赫歇爾推測他發(fā)現(xiàn)的可能是一個彗星。這以后，赫歇爾又連續(xù)跟蹤了四夜，終于肯定這個天體相對于附近恒星的位置已經(jīng)有了一點兒變動。這肯定不是一顆恒星！赫歇爾的發(fā)現(xiàn)被及時通報到了格林威治天文臺和牛津天文臺。經(jīng)過驗證，這顆星是從史前時代以來第一顆被發(fā)現(xiàn)的行星。這顆星后來被命名為天王星，取自希臘神話中土星父神的名字。

一夜之間，赫歇爾從一個小城鎮(zhèn)的音樂家變成舉世矚目的天文學(xué)家。1781年，皇家學(xué)會頒給他柯普萊獎?wù)乱员碚盟l(fā)現(xiàn)了天王星，并且一致同意接納他為皇家學(xué)會會員。1782年，英王喬治三世親自接見赫歇爾，并封他為皇家天文學(xué)家。從此，赫歇爾放棄音樂，專心致力于他所鐘愛的天文學(xué)。

創(chuàng)立恒星天文學(xué)

隨著赫歇爾制作望遠鏡水平的不斷提高，他發(fā)現(xiàn)了越來越多的星云，甚至以前從未知曉的星云，都被他那威力巨大的望遠鏡捕捉到了。經(jīng)過反復(fù)仔細地觀測，他發(fā)現(xiàn)他的高倍率望遠鏡能夠辨別出幾個星云團中的恒星個體。

這項發(fā)現(xiàn)促使赫歇爾在1784年和1785年提出，所有的星云都是由恒星組成的理論。根據(jù)這一觀點，赫歇爾提出一個有關(guān)眾多恒星團存在的假設(shè)。

我們知道，天空中各個星團之間是有差別的，赫歇爾為了說明這些星團之間的差別，就得指出這些星團之間的相對密度。通過對恒星密集的星團和恒星疏散的星團做比較，赫歇爾發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)形式還可以顯示出引力作用的大小。于是，他進一步推論，經(jīng)過一段時間后，疏散的星團必然會集中形成一個密集的星團和幾個更緊密的星團。也就是說，恒星疏散的星團是由于星團處于早期發(fā)展階段，而恒星密集的星團則屬于星團的晚期階段。因此，赫歇爾提出“時間的變化”（即演化）概念，這一概念后來成為解釋天文學(xué)的一個基本概念。

1785年，赫歇爾還發(fā)展了關(guān)于宇宙起源的“天體演化論”。他在此學(xué)說中指出：在無限的太空中，恒星最初是分散的，但隨著引力的作用，漸漸組合起來形成更加碎裂和更加密集的星團。根據(jù)這兩種假設(shè)，赫歇爾推測了太陽所處的銀河系的形狀。雖然他最終還是放棄了這兩個假設(shè)，但是在研究恒星統(tǒng)計數(shù)值實際效用中，他已為人們提供了最初的例證。

辛勤不懈探索天空

1786年，赫歇爾向皇家學(xué)會呈交了記有1 000個新發(fā)現(xiàn)的星云團表。1787年赫歇爾全家人移居到老溫莎堡，第二年再移居到斯勞。赫歇爾為新居取名為天文臺寶邸，并在寶邸前開辟出寬闊的場地，準備安裝正在研制的12米望遠鏡。1789年，赫歇爾完成了他的第二部記錄有1 000個新發(fā)現(xiàn)的星云團表。同年，他的12米望遠鏡制造完成，這臺巨大的望遠鏡具有非凡的探空威力，是18世紀的科技奇跡之一。1802年，赫歇爾發(fā)表了第三部新發(fā)現(xiàn)的1 000個星云團表，最終結(jié)束了長達19年的星云“巡天”觀測計劃。

經(jīng)過近20年的艱辛探索，赫歇爾和卡洛琳發(fā)現(xiàn)了3 000多個星云和星團。赫歇爾還開創(chuàng)了對銀河系結(jié)構(gòu)的研究，繪制了第一張銀河截面圖。而在赫歇爾開創(chuàng)這一偉大天文觀測計劃以前，天文學(xué)家已知的非星天體總和也不多于150個。雖然赫歇爾建造12米望遠鏡是為了驗證其所有的星云均是恒星集團的理論，但是在這臺望遠鏡正式使用以前，赫歇爾根據(jù)自己觀測到的行星狀星云這一非星天體，確證了宇宙間確實存在彌漫狀天體，它們是云氣，而非原來認定的恒星。19世紀初的天文學(xué)家并不知道赫歇爾發(fā)現(xiàn)的3 000個非星天體除少數(shù)星云和氣體星云外，大多數(shù)為星云的本原。又過了100年，人們才確認了它們原來是銀河系以外的星系，也就是赫歇爾所預(yù)言的由恒星集合而成的宇宙島。赫歇爾發(fā)現(xiàn)的星云，以及由他編撰的非星天體表，為20世紀的現(xiàn)代星系天文學(xué)的誕生做了超前準備。

赫歇爾用他全部的精力致力于對浩渺無限星空的探索，直到50歲時，才結(jié)婚。1792年，赫歇爾的獨生愛子約翰·赫歇爾出世，長大后也成了英國著名的天文學(xué)家。1821年，赫歇爾與兒子一起創(chuàng)建了英國皇家天文學(xué)會，并成為第一任會長。1822年8月，威廉·赫歇爾病逝于斯勞宅邸，享年84歲。