尋找太陽系的疆界（５）

九. 眾說紛紜

在這個節骨眼上“敵人”倒是很沉得住氣，沒有立刻反擊。但仗打到這個份上，“敵人” 的不置可否反倒讓天文學家們無所適從，幾乎陷入了“窩里斗”的局面。事實上，很多天文學家對波瓦德的“斷臂”耿耿于懷，因為按照波瓦德的軌道，那些被丟棄的歷史記錄與之偏差高達幾十弧秒，這么大的偏差居然同時出現在這么多彼此獨立的觀測結果中，難道留下記錄的那些天文學家們全都在觀測天王星的時候喝了酒？這實在是令人難以置信的事情，就連波瓦德本人也不得不承認，造成歷史記錄與現代數據無法匹配的真正原因有待于后人去發現。

但耿耿于懷也好，難以置信也罷，“敵人”既然沒有反擊，天文學家們也不便自己拆自己的臺，于是有人開始為波瓦德拋棄歷史記錄的做法尋找可能的解釋。其中有一種解釋認為天王星曾經被某顆彗星“撞了一下腰”，從而偏離了正常的軌道。如果是這樣，那么歷史記錄與現代數據無法匹配就不再是問題了，因為它們描述的本來就是不同的軌道。由于歷史記錄一直覆蓋到1771年（那是拉莫尼亞的最后一次記錄），而現代數據則開始于1781年（那是赫歇耳的第一次觀測）， 因此人們猜測該撞擊發生在1771-1781年間。

但是像彗星撞擊這樣建立在純粹偶然事件基礎上的假設，是科學家們所不喜歡的。如果人們時常用這類假設來解釋問題的話，科學就會變成一堆零散假設的雜亂集合而喪失其系統性。更何況彗星撞擊天王星不僅概率實在太小，而且由于彗星的質量與天王星相比簡直就是九牛一毛，即便真的撞上也不可能對它的軌道產生任何可以察覺的變化。反過來說，倘若真有一個天體可以通過撞擊天王星而顯著改變其軌道，那么該天體的質量必定極其可觀，那樣的撞擊若是發生在1771-1781年間，絕對會是一個令人矚目的天象奇觀，怎么可能不留下任何證據呢？因此，彗星撞擊說是一個很糟糕的假設。連這樣糟糕的假設都被提出來了，天文學家們在天王星軌道問題上的絕望處境可見一斑。

更糟糕的是，即便在這樣的處境下，天王星還是毫不手軟地往天文學家們的傷口上撒了一把鹽。自1825年起，天王星故伎重演，開始越來越明顯地偏離波瓦德的軌道。幾年之后，兩者的偏差達到了令人無法忍受的30弧秒。這時候天文學家們實已一敗涂地，而且還敗得極其難看，因為天王星早不出手晚不出手，偏偏是在天文學家們“臂”也斷了，“血”也流了，還煞費苦心地為自己的斷臂找了借口之后才出手。那情形，怎一個“慘”字了得。

屢戰屢敗之下，天文學家們開始改換思路。

仔細想想，“彗星撞擊說”雖然很失敗，但也并非一無是處，起碼在思路上，它嘗試了用外力的介入來解釋天王星的“出軌”之謎。沿著這樣的思路，天文學家們又提出了另外一些假設，比如認為天王星的出軌是由星際介質的阻尼作用造成的。這種假設曾被用來解釋某些彗星的軌道變化，但用它來解釋天王星的出軌卻有一個致命的困難，那就是介質的阻尼作用只能阻礙天王星的運動，絕不可能起到推進的作用。但天王星的運動卻有時比理論計算的慢，有時比理論計算的快，這顯然不可能用介質的阻尼作用來解釋。

還有一種假設則認為，天王星出軌是由一顆未知衛星的引力干擾造成的。這種假設也有一個致命的弱點，那就是如果真的存在這樣的衛星，它的質量應該遠比當時已知的兩顆天王星衛星大得多，那么大的衛星為何一直未被發現呢？這是很難說得通的。更何況衛星繞行星運動的周期一般都很短，由此造成的行星軌道變化應該是短周期的，可是天王星出軌的方式卻呈現長期的變化，因此衛星假設說也很快偃旗息鼓了。

除這些假設外，有些天文學家還提出了另外一種可能性，那就是萬有引力定律也許并不是嚴格的平方反比律，甚至有可能與物質的組成有關。這種可能性雖然很難被排除，但萬有引力定律是一個牽一發動全身的東西，一旦被修正，所有天體的運動都將受到影響，其中也包括那些一直以來被解釋得非常漂亮的其他行星及衛星的運動。要想對萬有引力定律動手腳，同時又不破壞其他行星的運動， 無疑是很困難的。而且單憑天王星的出軌就在天體力學祖師爺牛頓的萬有引力定律頭上動土，也似乎太小題大做了，因此這種假設的支持者寥寥無幾。

就這樣，從拉普拉斯、梅欽、菲克斯米爾納、達蘭伯利到波瓦德，一次次計算都歸于失敗；從彗星撞擊說、介質阻尼說、未知衛星說到引力修正說，一個個假設都陷入了困境。天王星出軌之謎的正解究竟在哪里呢？到了19世紀30年代末，天文學家們發現自己的手中只剩下了一張牌，這張牌是唯一沒有倒下的假設，這個假設似乎已是最后的希望，可這個假設的背后卻是一道讓人望而生畏的數學難題。

這個假設期待數學高手的橫空出世！

十. 數學難題

這個碩果僅存的假設讀者想必已經猜出來了，那就是假設在天王星軌道的外面還存在另一顆大行星，正是它的引力作用干擾了天王星的軌道，使它跟天文學家們捉了近半個世紀的迷藏。在天王星之外存在新行星的猜測本身其實并不出奇，稍有想象力的人都可以很容易地想到這一點。不過，泛泛地猜測一顆新行星的存在是一回事，將這種猜測與已知天體的運動聯系起來，從而形成一種具有推理價值的假設，乃至用來解決一個定量問題，則是另一回事。后者無疑要高明得多，困難得多，它的出現也因此要晚得多 ——直到 1835 年才正式出現。

1835 年的 11 月，天文愛好者和天文學家們共同迎來了一次盛況空前的天文觀測熱潮：著名的哈雷彗星經過將近76年的長途跋涉，重新回到了近日點。就在萬眾爭睹這個一生幾乎只有一次機會能用肉眼看到的美麗彗星時，天文學家們卻注意到了一個小小的細節，那就是哈雷彗星回到近日點的時間比預期的晚了一天。一個長達 76 年的漫長約會只晚了區區一天，算得上是極度守時了，但天文學家們并沒有放過這個微小的偏差。法國天文學家瓦爾茲和德國天文學家尼古拉幾乎同時提出了一個假設，那就是哈雷彗星的晚點有可能是受一顆位于天王星軌道之外的新行星的引力干擾所致。由于當時天王星出軌之謎早已傳得沸沸揚揚，瓦爾茲進一步猜測這顆未知行星有可能也是導致天王星出軌的肇事者，這便是天王星出軌之謎的新行星假設。

與那些一出爐就面臨致命缺陷的其他假設相比，新行星假設沒有顯著的缺陷，這使它很快就脫穎而出。到了1837年，就連波瓦德也開始接受這一假設了。波瓦德的侄子在給英國天文學家艾里的一封信中提到，他開始相信天王星出軌的真正原因在于有天王星之外的未知行星的干擾。艾里在我們的故事中將是一位重要人物，他是當時格林尼治天文臺的臺長。艾里對天王星出軌之謎也非常關注，通過對天王星軌道數據的細致分析，他發現了一個當時鮮為人知的問題，那就是計算所得的天王星位置不僅在角度上與觀測數據存在著廣為人知的偏差，而且在徑向——即天王星與太陽的距離——上也與觀測數據存在偏差。艾里認為這種偏差表明理論計算還有缺陷，他把這看成是解決天王星出軌之謎的關鍵。至于新行星假設，艾里則不以為然。

艾里所持的觀點雖不足以阻擋新行星假設日漸流行的步伐，但由于其在英國天文學界舉足輕重的影響力，為后來英國在尋找新行星的競爭中的落敗埋下了種子。

新行星假設受到了廣泛關注，證實它的最直接的方法顯然是找到這顆未知的新行星，然后根據新行星的軌道，計算其對天王星的影響，如果這種影響恰好可以解釋天王星的出軌，那么該假設就算得到了證實。可問題是，究竟該到哪里去尋找這顆未知的新行星呢？它離太陽的距離比天王星還要遙遠，因此搜尋難度要大得多。這樣的搜尋是一項風險很大的工作，很可能要投入巨大的人力、物力及時間，結果卻可能是竹籃打水一場空。另一方面，當時各大天文臺都有相當繁重的觀測任務（其中的一些名義上是天文觀測，其實是一些測繪及定位任務）既沒有條件也沒有意愿進行這種高風險的搜尋工作。

既然依靠觀測這條路走不通，那么對新行星假設的判定就只能通過純粹的數學計算來實現了。毫無疑問，這比計算一顆已知行星對天王星的影響要困難得多，因為新行星既然是未知的，它的質量、軌道半徑、軌道形狀、與天王星的相對角度等所有參數也就都是未知的。因此在計算的時候既需要通過天王星出軌的方式來反推那些參數的數值(這是相當困難的數學問題)，也需要對無法有效反推的參數數值進行猜測，然后還得依據這些反推或猜測得到的參數來計算新行星對天王星的影響，并通過其與觀測數據的對比來修正參數(這是相當繁重的數值計算)。這樣的計算通常要反復進行多次才有可能得到可靠的結果，因此要求計算者既有豐富的天體力學知識又有高超的計算能力，而且還要有過人的毅力、耐心和細致。

幸運的是，歷史給了天文學界這樣的人物，而且很慷慨地一給就是兩位。