從海王星的發現到水星軌道問題

06-03

關於海王星的發現，還要從天王星講起。1781年3月13日，威廉·赫歇爾爵士在偶然間發現了天王星。說到這還有個有趣的故事。赫歇爾那時候還不敢相信自己發現的是一顆行星，以為自己發現了一顆沒有慧發也沒有慧尾的彗星。因為在那以前從沒有人發現過行星。但很快，法國科學家拉普拉斯證實赫歇爾發現的是一顆行星。

在激動之餘，人們想到了一個新問題：在那麼遠的地方，牛頓的萬有引力定律依然成立嗎？

當時牛頓萬有引力定律已經經受了地月之間，以及所有內部行星與太陽之間的檢驗。這個定律一直表現的非常完美。如今我們終於接觸到了太陽系的外圍，不如再來檢驗一下，這個定律是否依然成立。檢驗的方法很簡單：首先根據萬有引力定律計算出天王星的位置，然後再與實際觀測結果對比，如果二者吻合，那就皆大歡喜，說明頓定律在外太陽系依然成立。但遺憾的是，二者並不吻合！

人們會因此質疑牛頓定律嗎？在當時大家並不想這樣做。這是個很偉大的定律，在此之前它為大家做過很多事情。但是不拋棄牛頓萬有引力定律，還能有什麼選擇呢？科學家們提出了一個大膽的猜測：也許還有另一個被漏掉的引力源！

於是獵星遊戲開始了。這個問題很複雜，因為萬有引力定律通常是用於計算兩個已知位置的天體之間的引力。但這次卻不同。這次我們已經知道兩個天體之間的作用力，但卻不知道那個天體在哪裡，也不知道它的質量有多大。這涉及了牛頓定律的倒推問題，需要大量的數據和計算才能得出正確答案。

這張海王星照片，1989年8月20日由旅行者2號的窄角相機拍攝。

Credit：NASA

包括英國數學家及天文學家約翰·柯西·亞當斯和法國數學家奧本·尚·約瑟夫·勒維耶在內的很多才華橫溢的數學家、物理學家都參與其中，對這個搗亂的天體在宇宙中的位置及出現的時機做出了預測。勒維耶把重重計算出的結果告訴了他的好朋友，柏林天文台的約翰·格弗里恩·伽勒。伽勒根據勒維耶的描述進行了觀測，並在距離預測的位置不到1 度的地方發現了一顆新行星。這顆行星就是後來的海王星。

這是數學和物理定律的偉大勝利！這一次，我們沒有憑藉以往的規律來預測下一次事件，也沒參考先人的記錄；僅僅依靠物理定律和對自然運行規律的理解，我們成功預測並發現了一顆行星！這為之後一系列在太陽系中的發現打下了基礎，因為通過這次發現我們可以確定，在太陽系的外圍牛頓定律依然是成立的。

海王星的發現無疑是個意義重大的歷史事件，它極大增強了科學家們的信心。萬有引力定律可以幫助我們掌握太陽系中天體的運動，並且屢試不爽。我們開始大膽猜測，這個偉大的定律在我們還未想像到的地方是否也能成立？但很快，大自然發來了新的挑戰。

幾個世紀以來，我們一直在精確記錄水星的公轉運動。水星是距離太陽最近的行星，其公轉軌道呈橢圓形。觀察記錄後我們發現，這個橢圓軌道會發生極其輕微的進動。這並不是什麼新鮮事，我們可以接受。但當我們計算出這個進動速度，觀察實際的進動速度時，發現這兩個數據並不一致，兩者速度每百年就差了43角秒。

1859年，勒維耶提出要解決這個問題。他那時正在發現海王星的興頭上，認為太陽和水星之間也一定存在一個小行星帶，對水星施加了額外的拉力。沒過幾年，有一位天文學家觀測到一顆行星的凌日現象。勒維耶表示放棄原來存在小行星帶的猜想，認為拉扯水星的一定是這個天體。人們將這個行星命名為「祝融星」。水星軌道問題就這麼簡單地解決了嗎？並沒有。在這位天文學家觀測到祝融星的同時，還有一個人也在觀測太陽。他表示沒有看到任何的凌日現象，認為一定是那位天文學家的觀測出了問題。但仍有很多人認為確實存在一個「祝融星」，只不過因為種種原因還沒有被觀測到罷了。

直到1916年，愛因斯坦發表了廣義相對論，將時空比作可變形的布料。而引力不再是兩物體間的相互作用力，而是這塊布料的形狀。各個天體就沿著這塊布料的起伏運行。當我們把相對論所有的法則都考慮進去就會發現，水星正沿著極度扭曲的時空，在太陽這個極具影響力的強大引力源近旁運行著。原來，在如此靠近某個超強引力源時，牛頓的萬有引力定律確實無法成立！這件事震驚了世界。我們很依賴於牛頓定律，我們依靠牛頓定律發現了海王星，於是我們自大地認為水星的問題也能如法炮製，結果卻一敗塗地。為了解釋水星的現象，我們不得不發展出一門全新的物理學分支。大自然就是這麼微妙，這對現代物理學家來說，即美妙，又充滿挑戰。這也是科學家們值得尊敬的地方。無論多麼不可能，他們總是通過大膽的猜想和細緻的研究為我們帶來全新的可能。

到目前為止，宇宙中還有很多的未解之謎。人類到底從何而來，要往何處去？為什麼地球上只有一顆生命進化樹？暗物質和暗能量到底是什麼？平行宇宙是否真的存在？千百年來，科學家們在不斷探索這些問題的答案，因為它們決定了我們未來的走向、思維的高度，甚至生命的意義。

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