《人類科學技術(shù)史-242》新的天文成果

新的天文成果
1.天王星的發(fā)現(xiàn)

由于康德的天體演化學說的誕生，標志著天文學的相對冷落有所回升，到了18世紀80年代初，這種局面發(fā)生新的轉(zhuǎn)折。而發(fā)生這一轉(zhuǎn)折的轉(zhuǎn)折點，就是1781年對太陽系的一顆新行星——天王星的發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)天王星的是一個流浪音樂家，后來以天文學家著名的赫舍爾(1738-1822年）。

赫舍爾出生在法國漢諾威的一個樂師之家。他從小學會了多種樂器的演奏，其時，法王路易十五發(fā)動了對德戰(zhàn)爭，赫舍爾即和父親一起從軍。1757年，赫舍爾離開軍隊，只身流落到英國，開始了他的流浪音樂家的生涯。后來一家教堂聘請他做了樂師。他在白天為教堂演奏音樂，在晚上獨自望著星空出神，他從音樂的和諧想到宇宙的和諧，似乎突然發(fā)現(xiàn)音樂結(jié)構(gòu)與宇宙結(jié)構(gòu)之間有某種奇妙的統(tǒng)一，于是他開始研究天文學。

要進行天文觀察最基本的條件是必須有一臺天文望遠鏡。但是他沒錢購買，只得自己動手試制，經(jīng)過一段時間的辛勤工作，終于制出了一臺直徑為6.2英寸的反射型天文望遠鏡。

1781年春的一個夜晚，當赫舍爾把望遠鏡對準雙子星座時，發(fā)現(xiàn)在視場中多了一顆六等小星。這顆小星初看起來并不顯眼，可是在經(jīng)過仔細觀察之后，赫舍爾發(fā)現(xiàn)，它與其它的星星并不相同，這一偶然的發(fā)現(xiàn)引起赫舍爾的極大興趣。

從最初發(fā)現(xiàn)這顆六等小星開始，赫舍爾又連續(xù)對它進行了十多個夜晚的追蹤觀察。赫舍爾發(fā)現(xiàn)，這顆小星的位置在不斷地移動，當時，他認為可能是一顆彗星，于是在3月13日向皇家學會遞交了觀察報告，說明發(fā)現(xiàn)了一顆新彗星。以后他又對這顆六等小星進行多次觀察和反復分析，最后認定，他所發(fā)現(xiàn)的，實際上是太陽系的一顆新行星。接著赫舍爾初步計算出了這顆新行星的運行軌道，計算出了它對日的平均距離。他發(fā)現(xiàn)，這顆新行星的繞日軌道近似圓形，而對日平均距離約為土星的兩倍。

自古以來，人們只知道水、金、火、木、土五大行星。哥白尼的日心說創(chuàng)立后，人們才認識到人類自身所在的地球也是一顆行星，這樣人們才知道太陽系有六大行星。自哥白尼以后，人們在天文觀察中雖然有不少新發(fā)現(xiàn)，但由于人們一直認為土星是太陽系的最邊緣，所以誰也沒有想到在土星之外是否還有別的行星。赫舍爾發(fā)現(xiàn)的這顆新行星并不難觀察，在晴朗的夜空，用肉眼也可以勉強觀察到，但許多天文學家由于受到土星是太陽系的邊緣這一既定觀念的束縛，既使在看到它以后，也錯把它當做恒星或別的天體放過了。

新行星的發(fā)現(xiàn)立即轟動了英國乃至整個歐洲。許多天文學家都在望遠鏡中找到了這顆新行星。天文學家們紛紛向赫舍爾表示祝賀，建議把這顆行星命名為"赫舍爾星"。但赫舍爾認為不合適，于是，這顆新行星便以古希臘神話中的天王尤拉納斯的名字為它命名。這樣，天王星便成了太陽系的行星家族中的第七名成員。

天王星的發(fā)現(xiàn)為英國贏得了極大的科學榮譽，英國皇家學會立即授予赫舍爾以皇家學會會員的稱號，并聘請他為皇家天文學家。自此以后赫舍爾便成了一名職業(yè)天文學家，那時赫舍爾43歲。

赫舍爾被聘請為皇家天文學家時，正值他中年盛時，因此，他又在天文學中，特別是在天文觀察中作出了一系列杰出的貢獻。1782年，他編制出了第一個雙星辰。1783年，他不但發(fā)現(xiàn)了太陽本身的自行，而且發(fā)現(xiàn)了太陽系作為一個整體在空間的運動。這一杰出的發(fā)現(xiàn)，可以與發(fā)現(xiàn)天王星相媲美。因為這一發(fā)現(xiàn)動搖了認為恒星不動和太陽系不動的傳統(tǒng)觀念。

1785年，他首次用統(tǒng)計方法研究了恒星在空間的分布和運動，從而描繪出了第一個銀河系結(jié)構(gòu)模式，并由此奠定了恒星天文學的基礎(chǔ)。1787年，他又發(fā)現(xiàn)了天王星的兩顆衛(wèi)星：天衛(wèi)四和天衛(wèi)三，并首次發(fā)現(xiàn)了第一個行星狀星云。1789年，他又發(fā)現(xiàn)了土星的兩顆衛(wèi)星：土衛(wèi)一和土衛(wèi)二。1800年，他首次從太陽光譜中發(fā)現(xiàn)不可見的紅外輻射。1802年，他又發(fā)現(xiàn)雙星有相互繞轉(zhuǎn)的周期運動。可以說，在18世紀末和19世紀初的天文學史中，乃至在整個近代天文學史上，誰也沒有象赫舍爾有這么多的杰出發(fā)現(xiàn)。

由于赫舍爾在天文觀察中所取得的一系列成就，特別是由于天王星的發(fā)現(xiàn)，在天文學中又重新激起了一股新的熱流，在這股新熱流的激蕩之下，天文學又出現(xiàn)了一個新的蓬勃局面。

2.拉普拉斯與高斯的天文學研究

拉普拉斯(1749-1827年）生于法國諾曼的一個農(nóng)民家庭，在博蒙陸軍學校畢業(yè)之后，由大數(shù)學家達蘭貝爾推薦，當了巴黎軍事學校的數(shù)學教授。在法國大革命時期曾參加過巴黎高等師范學校和工科大學的組織工作。

在赫舍爾發(fā)現(xiàn)天王星之前，拉普拉斯即開始致力于天文學研究。不過，他最初的研究主要是在天體起源的力學理論方面。1775年，他對潮汐動力學的研究取得初步成果。此后，他進一步致力于天體起源的理論推導。1796年，他發(fā)表了《宇宙體系解說》這一名著，在這一著作中，他提出了一個類似于康德的天體演化學說的"星云假說"。所不同的是，拉普拉斯的"星云假說"比起康德的"星云假說"有更多的力學基礎(chǔ)與物理學依據(jù)，而他的《宇宙體系解說》比康德的《宇宙發(fā)展史概論》產(chǎn)生了更深遠的影響。正是由于拉普拉斯的"星云說"，使人們想起了康德的"星云假說"。這樣以"星云說"為基礎(chǔ)的天體演化學說，自此便以"康德——拉普拉斯學說"而聞名于19世紀初。由于這一學說本身所具有的革命內(nèi)容，同時也由于法國革命在當時的巨大影響，"康德——拉普拉斯學說"便成為19世紀各種演化學說的先導，成為19世紀科學革命的一面旗幟。

當赫舍爾發(fā)現(xiàn)天王星的消息傳到法國后，即進一步激起了拉普拉斯對數(shù)理天文學的興趣，特別是激起了他對天體力學的興趣。于是，他以牛頓、歐拉、達蘭貝爾、拉格朗日等人有關(guān)行星攝動的力學和數(shù)學成果為基礎(chǔ)，開始對行星運動的力學和數(shù)學問題進行研究。1799年，拉普拉斯發(fā)表了《天體力學》這一重要著作。在這一著作中，他進一步發(fā)展了行星運動的攝動理論。

天王星的發(fā)現(xiàn)，也激起了觀測天文學的新的熱流。1801年1月1日，意大利天文學家皮亞齊(1746-1826年）在火星與木星之間發(fā)現(xiàn)了太陽系的第一顆小行星"谷神星"。這是繼天王星發(fā)現(xiàn)后，又一轟動科學界的重要新聞。

自此之后，人們才知道，不但有天王星這樣的大行星，而且還有像谷神星這樣的小行星。這樣，人們對于太陽系的認識又前進了一步。

谷神星的發(fā)現(xiàn)引起了德國青年數(shù)學家高斯的興趣，當時高斯年僅24歲，但他已在數(shù)學上取得了一些引人注目的成就，于是他很快轉(zhuǎn)入天體力學的研究。在研究之初，高斯對皮亞奇的觀察資料進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只要用三個基本數(shù)據(jù)就可以算出谷神星的軌道。1802年，高斯的朋友、德國天文學家奧爾別爾斯在火星與木星之間又發(fā)現(xiàn)了一顆小行星"智神星"。高斯也用同樣的方法對智神星的軌道進行了計算，其計算結(jié)果與觀察的結(jié)果是一致的。

高斯在天體力學中取得的這些最初的成果給了他很大的鼓舞。但不久以后，人們發(fā)現(xiàn)，無論是谷神星，還是智神星，它們的實際運行軌道要比理論計算軌道復雜得多。而使小行星的軌道復雜化的原因，顯然是由于大行星的攝動作用引起的。于是高斯由行星軌道的一般理論研究，轉(zhuǎn)入重點研究行星的長期攝動問題。此后高斯經(jīng)過幾年的努力，終于建立了一個按圓錐曲線運動的理論來計算行星攝動的新的數(shù)學方法。1809年，高斯出版了論述他的這一新的數(shù)學方法的著作《天體按照圓錐曲線運動理論》。這樣，繼拉普拉斯之后，高斯又把行星攝動理論向前推進了一步。