尋找太陽系的疆界（１）

　　開欄語：
　　記得念小學的時候，有一篇課文叫做《數星星的孩子》，講述了漢朝天文學家張衡童年的故事。時隔這么多年，小學的很多課文我已經淡忘了，但那篇數星星的課文卻依然記憶猶新。那時候，我住在杭州郊外，家門口有一個池塘，在許多個晴朗的夏夜里，我和小伙伴們也常常坐在池塘邊仰望星空。那時候，郊外的天空還沒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。自遠古以來，這種無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給了探索星空奧秘的事業。人類尋找太陽系疆界的故事只是科學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，也有錯失良機的遺憾，它們就像天上的星星一樣動人。
　　
　　作者簡介：盧昌海，美國哥倫比亞大學物理學博士，發表過《會下金蛋的鵝——希爾伯特第十問題》《蟲洞：旅行家的天堂還是探險者的地獄？》《時間旅行：科學還是幻想？》等文章。現旅居紐約。
　　
　　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。漸漸地，他們注意到在晨光漸露、太陽即將躍出地平線的時候，天邊有時會出現一顆閃爍的星星。與多數星星不同的是，那顆星星的位置會一天天地變化，甚至有時會連續一段時間不出現。他們把這顆出現在黎明時分的星星叫做“晨星”。細心的牧羊人還注意到，在日沉大地、暮色四合的時候，天邊有時也會出現一顆閃爍的星星，它的位置也會一天天地變化，有時也會連續一段時間不出現。他們把那顆出現在黃昏時分的星星叫做“晚星”。很多年之后，人們意識到晨星和晚星實際上是出現在不同時刻的同一顆星星，據說畢達哥拉斯是最早意識到這一點的人。在群星之中，這顆星星的位置變化最為顯著，往來如梭，仿佛天空中的信使。羅馬神話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文明的每一個發源地都有過。那時的人們就已經知道，在浩瀚的夜空中，多數星星的位置看上去是固定的，像晨星（晚星）這樣會移動的星星是十分少見的。這樣的星星被稱為行星，它的英文名 planet 來自希臘文的“漫游者”。 被遠古人類發現的行星共有五顆，這個數目在長達幾千年的時間里從未改變過，甚至一度被認為是永恒不變的真理。在東方的中國及深受中華文化影響的東方國家如日本、 韓國及越南，人們將五顆行星與陰陽五行聯系在一起，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［在西方世界被稱為維納斯 （Venus），她是羅馬神話中掌管愛情與美麗的女神］、火星［在西方世界被稱為瑪爾斯 （Mars），他是羅馬神話中的戰神］、木星［在西方世界被稱為朱比特 （Jupiter），他是羅馬神話中的眾神之王］和土星［在西方世界被稱為薩坦 （Saturn），他是朱比特的父親，是羅馬神話中掌管農業與收獲的神］。
　　除了“日心說”導致的地球地位變更（從而使行星數目由五變為六）外，行星數目的長期不變是不爭的事實。一百年、兩百年，一千年、 兩千年……這個數目從未改變過， 天文學家們做夢也沒想到，這個數目有一天竟然也會被改變。這一天是1781年3月13 日， 改變這個數目的是英國一位業余天文學家，他的名字叫做威廉·赫歇耳，他發現了太陽系的第七顆行星，從而成為幾千年來發現新行星的第一人。赫歇耳的發現出乎包括他自己在內的所有人的意料，這一發現不僅為他本人贏得了永久的榮譽，也將觀測天文學帶入了一個嶄新的時代，一個由赫歇耳 “無心插柳”而開啟的天文學家們 “有心栽花” 的時代，人類從此開始了尋找太陽系疆界的漫漫征途。
　　
　　二 從音樂家到業余天文學家
　　
　　赫歇耳于 1738 年 11 月 15 日出生在當時屬于英王領地的德國中北部城市漢諾威的一個音樂之家。 赫歇耳具有很高的音樂天賦， 他十四歲就參加樂隊， 不僅擅長演奏多種樂器， 而且還能獨立作曲， 他創作的交響曲和協奏曲有幾十首之多。 1757 年秋天，十九歲的赫歇耳移居到了英國，以演奏及講授音樂為生。
　　赫歇耳的音樂成就應該說是頗為可觀的，但放在他的簡歷之中，卻無可避免地要被淹沒在巨大的天文成就之下。不過他的音樂生涯中有一件事值得一提。那是在18世紀60年代中期，當時英國的教會剛剛開始引進風琴，需要招募一批風琴演奏者，年輕的赫歇耳也參加了角逐。當時的競爭頗為激烈，而赫歇耳在風琴演奏上并無經驗。但他敏銳地發現當時英國教會引進的風琴與歐洲大陸的風琴相比有一個缺陷， 那就是缺少控制低音部的踏板。為了彌補這一缺陷， 聰明的赫歇耳對兩個低音琴鍵進行了改動，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審者的一致贊賞， 而且令他們深感神秘—— 當然，他順理成章地成了優勝者。赫歇耳在這一競爭中顯示出的過人的動手及設計能力，為他后來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西南的巴斯小鎮，在一所教堂擔任風琴演奏師，開始了他在那里長達十六年的生活。這座當時人口只有兩千的觀光小鎮因而有幸見證了赫歇耳一生最輝煌的工作。在巴斯期間，赫歇耳的音樂生涯達到了巔峰，他不僅是風琴演奏師，而且還擔任當地音樂會的總監，并開班講授音樂課程。1772 年， 收入已頗為殷實的赫歇耳給他母親寄去了足夠雇一位傭人的錢，從而把妹妹卡洛琳從繁重枯燥的家務勞動中解救了出來，并接到巴斯。
　　與赫歇耳一樣，卡洛琳也是一位頗有音樂天賦的人，但她一生注定要跟隨哥哥去走一條未曾規劃過的道路。卡洛琳來到巴斯之前，已是鎮上知名音樂家的赫歇耳潛心學起了數學。赫歇耳學數學的本意是為了加強自己的音樂素養，他想多了解一些和聲的數學機理，結果卻因學習數學而接觸了光學，又因光學而對天文學產生了濃厚的興趣，最終走上了一條業余天文學家之路，而卡洛琳則成為他在天文觀測上不可或缺的助手。
　　赫歇耳的這條業余天文學家之路不僅為他自己走出了一片絢爛的天地，也成就了業余天文學的一段 （也許是最后一段 ）黃金歲月。18世紀的許多職業天文學家過分沉醉于由牛頓奠定，經歐拉、拉格朗日、拉普拉斯等人改進的輝煌的力學體系之中。他們熱衷于計算各種已知天體的軌道，以此檢驗牛頓力學，同時也為經緯及時間的確定提供精密參照。在一定程度上， 當時的許多職業天文學家變得精于驗證性的計算，卻疏于探索性的觀測。在這種情況下，自赫歇耳之后半個多世紀的時間里，業余天文學家對天文學的發展起了重要的補充作用，這一時期天文學上的許多重大的發現就出自他們的觀測之手。
　　常言道： “工欲善其事，必先利其器”，對天文觀測來說必備的工具是望遠鏡。由于當時高質量的望遠鏡極其昂貴，赫歇耳決定自己動手制作望遠鏡。望遠鏡的問世是在17世紀初，其確切的發明者現已不易追溯，但德國裔荷蘭人利普歇于 1608 年最早為自己制作的望遠鏡申請了專利，從而留下了文字記錄，因此人們一般將他作為望遠鏡的發明者。1609 年， 科學巨匠伽利略得知有關望遠鏡的消息后，很快制作出了自己的望遠鏡。伽利略制作的望遠鏡在結構及放大率上都大大優于包括利普歇在內的同時代人制作的望遠鏡，他也是最早將望遠鏡用于天文觀測的人。通過望遠鏡， 伽利略獲得了一系列前所未有的天文發現，包括發現月球上的環形山、太陽黑子及木星的四顆衛星（現在被稱為伽利略衛星）。不過伽利略所用的是折射望遠鏡，這種望遠鏡由于透鏡（主要是物鏡）所具有的色差等當時技術難以消除的效應而無法達到很高的放大率。17世紀后期，另一位科學巨匠牛頓發明了反射望遠鏡， 用反射面替代了折射望遠鏡中的物鏡，從而避免了透鏡色差帶來的困擾。赫歇耳所制作的就是反射望遠鏡，這種望遠鏡的反射面可以用金屬制作而無需使用玻璃。
　　為了制作望遠鏡，赫歇耳將自己在巴斯的住所改造成了望遠鏡作坊：客廳被用來制作鏡架與鏡筒，臥室變成研磨目鏡的場所，廚房里則架起了熔爐。赫歇耳細心試驗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鏡有數百架之多，除自己使用外，出售望遠鏡還成為家庭的一大收入來源。在長期的制作中，他的作坊也一度發生過嚴重的事故，導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英尺的反射望遠鏡。這架望遠鏡在天文史上有著重要意義，被后世稱為 “七英尺望遠鏡”。后來的檢驗表明，赫歇耳這架“七英尺望遠鏡”的性能全面超越了當時英國格林尼治皇家天文臺的望遠鏡。赫歇耳用自己的雙手制造出當時最頂尖的觀測設備，在自己的天文觀測之路上邁出了無比堅實的第一步。終其一生，赫歇耳孜孜不倦地建造著更大的望遠鏡，一而再、再而三地刷新著自己的紀錄，他在這一領域的優勢在其有生之年從未被反超過。
　　三年后一個春季的夜晚，一顆略帶圓面的星星出現在赫歇耳 “七英尺望遠鏡”的視野里，他一生最偉大的發現來臨了。 （待續）