您现在的位置是：网站首页>科普科普
《那颗星星不在星图上》：探索太阳系的未知疆界
铛铛铃2025-09-20【科普】393人已围观
简介
今天为您解读的书
《那颗星星不在星图上：寻找太阳系的疆界》
说到太阳系，小学生都能够对八大行星如数家珍。但是你知道这些行星是如何被发现的吗？为什么天王星直到18世纪才被发现？为什么说海王星是笔尖上找到的星球？为什么冥王星会从行星的宝座上跌落下来？这些有趣的问题啊，都能够从这本书当中找到答案。
虽然说这是一本天文学科普书，但是呢，全书侧重讲述历史，你可以把它看作是天文学当中的“太阳系的那些事儿”。
本书的作者卢昌海，是物理科普作家和软件工程师。他曾经是复旦大学物理系的高材生，当年他正读大三，在与一群物理系研究生的竞争中，以第一名的成绩被哥伦比亚大学录取，攻读物理系博士。就是这样一位学霸，放下了最专业、深奥的物理概念和数学方程，用最生动、幽默的语言，为我们带来了一场太阳系的深度旅游。
下面呢，就让我们以天王星、海王星、冥王星发现过程为主线，去探索太阳系的边界。
在远古社会，人们仰望星空时发现了一个现象：在浩瀚的夜空当中，多数星星的位置看上去是固定的，有些星星呢，却会移动，出现在天空中不同的位置。他们往来如梭，仿佛天空当中的信使。人们发现了五颗这种会移动的星星，给它们取名叫做行星，英文名呢，是planet，来自希腊文，意思就是“漫游者”。这五颗星就是我们所熟悉的金、木、水、火、土五星，再加上地球，一共呢，是六颗行星。这个数目在几千年的时间里从未改变过，甚至一度被认为是永恒不变的真理。
直到1781年3月13日，一颗新的行星被发现了。这一发现，将观测天文学带入了一个崭新的时代，人类从此开始寻找太阳系疆界的漫漫征途。我们的故事就从这里开始。
这位几千年来发现新行星的第一人，叫做赫歇尔，他竟然是一个音乐家。赫歇尔出生在英国的一个音乐世家，14岁就登台演奏，创作的交响曲和协奏曲有几十首之多。这位少年音乐家，为了多了解一些和声的数学机理，潜心研究起了数学，结果却因为学习数学而接触了光学，又因为接触了光学而对天文学产生了兴趣，最终走上了一条业余天文学家之路。赫歇尔诠释了什么叫做实力跨界。别看人家只是业余的玩儿一玩儿啊，可恰恰是这个业余爱好，成就了他此生最伟大的发现。
在18世纪初，牛顿、拉格朗日等人建立起辉煌的力学体系，职业天文学家沉醉于其中，热衷于计算各种已知天体的轨道，天文学变得精于验证性的计算，而疏于探索性的观测。而赫歇尔正因为是半路出家，不懂那么多复杂的计算，才能够在观测领域开辟出新的天地。
热爱观测的赫歇尔，一生制作了几百架望远镜，他把自己家的房子变成了一个望远镜加工厂。其中一架12米长的望远镜，像一尊大炮一样从房子里伸向天空，堪称是小镇的一大奇景。赫歇尔每天呢，像是着了魔似的，对着大炮看到了废寝忘食的境界。吃饭呢，要靠妹妹一口一口的喂到嘴里；睡觉呢，则要托坏天气的福。就这样一看3年，终于有一天，他发现了一颗略带圆面的新天体。当放大望远镜倍率时，天体的圆面也按比例的放大，这绝对不是一颗恒星，因为恒星自身发光，哪怕再高的放大倍率，也只会是一个亮点，而不会出现圆面。这是一颗新的行星，被命名为天王星。
发现天王星让赫歇尔获得了极大的荣誉。人们惊讶地发现，天王星是一颗连肉眼都能够看到的行星。天文学上用视星等这个概念来表示星星的亮度，数值越小，亮度越高。最亮的星是一等，肉眼刚刚能够看到的是六等，而天王星的视星等可以达到5.5。就这样一颗星星，居然几千年来都在人们的眼皮底下溜走了。翻看以往的天文记录，天王星在被发现之前，起码是已经被记录了22次，最早的一次呢，可以追溯到将近一个世纪以前。可惜，留下这22次记录的天文学家们，无一例外的以为那是一颗恒星。这其中最令人惋惜的是一位法国天文学家，他曾经在短短20天的时间里，八次记录了天王星的位置。照理说，这样密集的记录，足以显示出天王星的行星运动，但是命运女神呢，却是开了一个残酷的玩笑。
怎么回事呢？啊，你或许听过“水逆”这个词，也就是水星逆行。所谓逆行，那就是行星围绕太阳做圆周运动的速度与地球不一样，有时候看上去好像是在倒着走。就好比你在飞驰的高铁上看旁边的小汽车，他们呢，就好像是在倒退。其实逆行的不只是水星，天王星也会发生逆行。而当它从逆行转入正向运动时，会有一小段的时间，看上去啊，是几乎不动的。这位法国科学家万万没有想到的是，他那八次密集的记录，竟然恰好就是在这段时间，天王星看起来几乎是不动的。而正是这种偶然，让他将发现天王星的殊荣拱手让给了赫歇尔。这就是发现天王星的故事。
天王星的发现，一举击碎了太阳系行星数目亘古不变的神话。在太阳系当中，像天王星这样的大隐隐于市的行星，究竟还有多少呢？人们恨不得立刻就解开谜题。但是星海茫茫，难道还要像赫歇尔那样，再来一次漫天撒网、寻天偶得吗？当然不用。行星的轨道大都分布在黄道面，也就是地球公转轨道的平面附近，而且它们的运行遵循一个规律，行星的轨道半径可以用一个公式计算出来。这个公式里有一个很重要的变量N，N是行星的编号，比如地球是一号，火星是2号，木星是4号，土星呢，5号。啊，计算出来的结果呢，与实际轨道恰好吻合。相信你已经发现问题了，火星和木星之间缺了一个3号。大自然怎么会留下如此明显的一个空缺呢？
这个奇怪的空缺，似乎在等待着一颗尚未露面的新行星。这下大家可来劲儿了啊，整个欧洲的天文学家一下子都变成了星探，大家把天空画片包干，一人搜索一片。其中一位意大利天文学家，为6700多颗星星确定坐标，挨个儿查户口，这苦力活呀，一干就是11年。终于，他发现了一颗移动的星星，可是呢，却在太阳附近把它给跟丢了。在这个节骨眼儿上，数学王子、德国数学家高斯出马助阵，这简直就像是迈克尔·杰克逊来为一家乡村小酒吧做义演。他利用仅仅一个月的观测数据，就算出了新天体的轨道。天文学家们是欣喜若狂啊，终于把这颗星星捉拿归案。这颗星星被命名为谷神星，嗯，谷物的谷，神仙的神。它的半径呢，跟前面的数学公式恰好吻合，看来人们是终于找到了位于火星和木星之间的新行星了。
不过且慢，在谷神星被发现之后，仅仅三个月，人们居然在同一轨道上又发现了一颗星，名为智神星，智慧的智。这下麻烦大了，一个轨道居然挤进了两颗行星。如果说发现谷神星带给大家的是喜悦哈，那么这个智神星出现的时候，就有点令人尴尬了。正在人们纠结的时候，行星观测的元老级人物赫歇尔出来放话了，说：“依我看呐，他俩谁也没有资格当行星，因为他们都太小了，还没有月亮大呢，只能够称为小行星。”一开始人们还觉得赫歇尔的话太扫兴啊，是为了抬高自己发现天王星的荣誉，而贬低其他人发现的行星。可是两年之后，这一轨道上又发现了一个新天体，被命名为婚神星，婚姻的婚。这下算是热闹了，在火星和木星之间，抢夺行星宝座的天体变成了三个。于是人们接受了赫歇尔的建议，将这些小家伙通通的贬为了小行星。
后来呢，观测表明呢，火星和木星之间存在着成千上万的小行星，它们环绕太阳组成了一个小行星带，这条小行星带就填补了N等于三的空缺。既然里面没有空间了，那么就到外边去找了。大家呢，又将目光锁定在了天王星轨道之外，N等于七的地方。在这个位置上，还真就找到了行星出没的蛛丝马迹。这个迹象就是天王星总是在“出轨”，不管如何增加观测数据、改变算法，天王星的计算轨道与实际观测总是存在着一个让人无法忍受的误差。人们甚至都开始怀疑万有引力定律的准确性了。
在穷尽了全部假设之后，只剩下唯一一个没有倒下的假设，那就是在天王星轨道之外，还存在着另一颗大行星，它的引力作用干扰了天王星的轨道。下面就是故事的重头戏了，究竟去哪儿寻找这颗未知的新行星呢？可以预判的是，它离太阳的距离要比天王星远一倍，移动速度比天王星慢得多，靠观测来搜索几乎无法实现。那么就剩下华山一条路，靠纯粹的数学计算来实现了。但是这种计算的难度不是一般的高，在没有计算机的年代，这是一个庞大到令人不寒而栗的工程。
但是幸运的是，天文学界出现了天才人物，而且呢，一下子出现了两位。这第一位是来自英国的亚当斯，1841年，22岁的亚当斯还是个剑桥大学的学生，他被寻找新型性的问题深深地吸引了。经过潜心研究，终于在1845年，推算出了未知行星的轨道。于是亚当斯拿着他的计算结果，去拜访英国格林尼治天文台台长艾里，结果艾里不是外出开会，就是中午吃饭不见人，亚当斯三次登门拜访都吃了闭门羹。于是亚当斯留下了自己的计算结果，返回了剑桥。这个结果艾里看是看到了，可是呢，他根本没有把这个毛头小伙儿放在眼里，表现得相当冷淡，回了个信，敷衍了几句呢，就把亚当斯的计算束之高阁了。艾里的轻视让亚当斯非常失望，这在后来成为了英国天文学界极大的遗憾。
就在机遇从英国人的指缝间溜走的时候，法国人也将目光投向了新天体。这第二位进行计算的是法国人勒维耶，他比亚当斯年长了八岁。在1846年，他也推算出了新行星的位置。英吉利海峡两边，两位数学高手的智慧之剑指向了天空同一个位置。可是这俩人谁也不知道对方的工作。勒维耶不像亚当斯那样，规规矩矩的去拜访前辈啊，而是公开发表了自己的计算。这下得到消息的艾里台长坐不住了，他翻出亚当斯的计算结果，一对比结果呀，这是几乎一模一样啊。这个时候，法国天文界还对勒维耶的计算半信半疑，心存观望。但是呢，只有艾里心里清楚，有亚当斯的计算为佐证，这个结果相当可靠。这么大的事情，居然在自己眼皮底下被搁置了一年多，艾里知道不能够再磨蹭了，趁着法国人还没有回过神儿来，得赶紧的开展观测行动，这次一定要把握先机，英国天文界的成败在此一举。
艾里台长把观测任务交给了剑桥天文台，可是剑桥天文台台长查理斯开展工作的速度，真的是要急死人呐。这足足过了一个月才开始启动观测。因为是临时接到的加班任务，查理斯也没当回事，而且呢，这活儿呀，干起来枯燥乏味，每天都要对比大量数据。有一天，他一连对比了39组数据，都没有发现异常。虽然还剩下一些数据没有对比，但是他觉得这一天不会再有什么收获了。一想到还有其他事儿没忙完，就提前的终止了对比工作。唉，这下真的是一招失误，满盘皆输啊。他不知道的是，只要再多对比十组数据，就会发现一棵数日前没有出现过的天体静静地躺在那儿，这正是艾里台长要他找的新行星。
英国一而再、再而三在这场无形的竞争当中丧失先机，历史的风向标开始偏向欧洲大陆。就在查理斯搜索的时候，勒维耶又进行了新一轮计算，用去了超过1万页的稿纸，验证了此前计算的正确性，增加了底气的勒维耶开始寻求天文台的实际观测来验证结果。不过各大天文台都知道这里头工作量巨大，婉言拒绝了勒维耶的请求。处处碰壁之后，勒维耶突然间想到，自己有一位名字叫做伽乐的迷弟，在德国柏林天文台做助理。于是呢，他就给伽乐写了一封信，这封信在1846年9月23日抵达，信中说：“仅在9月23号晚上，将望远镜对准摩羯座德尔塔星之东约五度的地方，你就能够找到一颗新的行星。”
伽乐大吃一惊，这简直就像是一封上帝的来信，连信件抵达的时间都仿佛是精心的设计过。当天正好就是9月23日，伽乐被这个预言深深的吸引了，当晚他就带着一位学生展开了观测。伽乐看望远镜，学生对照星图，一个一个查找比对。仅仅半个小时过去，兴奋的时刻终于来临。当伽乐报出一颗视星等为八等，与勒维耶预言的位置相差不到一度的暗淡天体时，手拿星图的学生喊了起来：“那颗星星不在星图上！”这颗星图上没有的星星正是海王星。
此时，一个天体力学的神话已经被缔造，这是牛顿力学最辉煌的一天。仅仅通过已知行星的运动来间接推算一颗远在几十亿千米之外，没有任何观测数据的未知行星的轨道，这是前所未有的壮举。一时间，所有人都被这令人炫目的伟大成就震撼了，连法国国王也被勒维耶的盛名所惊动。勒维耶用笔尖发现海王星成为了天文界的传奇。
这时候，艾里和查理斯两个天文台台长这悔得肠子都快青了，要不是他们俩一先一后错失良机，如此辉煌的成就早就没有法国人什么事儿了。不过，淡泊名利的亚当斯本人没有出来为自己辩解，他将精力投入到了利用观测数据来计算海王星的真实轨道上来。他的论文赢得了一片赞许，人们甚至认为，他的计算方法比起勒维耶的更加优美。亚当斯与勒维耶建立起了终身的友谊，并且呢，共享海王星的发现权。英、法、德三国接力发现海王星的故事，成为了天文史上的一段佳话。
海王星的发现，极大地刺激了天文学家和数学家的兴趣。一颗星星居然可以用纸和笔来发现，一时间用数学方法寻找新行星成为了时尚。由于发现海王星的成就太令人心醉了，天文学家们开始天天盼着哪颗行星再来一次“出轨”啊，因为只有那样的话才能够重现发现海王星那样的辉煌。于是人们开始鸡蛋里挑骨头，目光变得多疑，不仅觉得天王星仍在“出轨”，而且呢，怀疑海王星也不规矩，一定是还有一颗未知行星影响了他们的运动。
其实，天王星和海王星的观测数据与理论计算在误差许可范围内已经完全相符，可是还是有人固执的一头走到黑啊，偏要通过这微不足道的误差将寻找海外行星进行到底。美国天文学家罗威尔就是其中一位，他使用勒维耶的方法，硬是计算出在海王星的轨道之外，有一颗质量约为地球6.6倍的行星干扰着天王星和海王星的运动。他在一生最后的岁月都致力于寻找这颗新星，最后带着遗憾离开了人世。而他万万想不到的是，在他人生最后5年的观测照相记录里，就静静地躺着一颗未知星体的倩影。这真是有缘千里来相会，无缘对面不相逢啊。
他去世以后，寻找新星的工作交到一个22岁的农家少年手里，这位少年叫做汤博，是罗威尔天文台的助理。汤博以罗威尔的计算轨道为参考，经过了将近一年的枯燥观测，1930年，在距离预测只差六度角的地方，汤博发现了新行星，这就是冥王星。天体力学似乎是又一次铸造了辉煌，人们纷纷向已故的罗威尔表示致敬。
紧接着，人们兴高采烈地开始测算起这颗新行星。这一测不要紧，冥王星的质量被严重高估，别说是地球的6.6倍了，都没月亮重，它只有地球质量的五百分之一，它对天王星和海王星的引力影响还不如遥远的地球来得大呢。这立刻对罗威尔有关冥王星的预言造成了毁灭性的打击，原来这根本不是海王星神话的重演，而是一次纯粹的巧合，罗威尔的计算完全是错的。一个错误的预测，却误打误撞结出了美丽的果实。
到目前为止，太阳系已经发现了九颗行星，但是事儿还没完。天文学家又在冥王星的轨道附近连续发现了妊神星、鸟神星、阋神星等一系列跟冥王星大小差不多的天体，有的呀，比冥王星还大，他们是否也该被列入行星行列呢？当人们提出这样的疑问时，一个更基本的问题也随之浮出水面，究竟什么是行星？
还记得我们前面讲过的谷神星、智神星、婚神星是如何被贬为小行星的吗？是因为他们犯了两项重罪，一个呢，是个头太小，一个呢，是非法聚众哈。现在的冥王星也犯下了同样的罪行，个头就不说了，它的表面积呢，还没有俄罗斯大啊。说说非法聚众吧，冥王星位于一个叫做柯伊伯带的区域，这里边可是热闹无比，密集地运行着上千颗小天体，把它们全部加起来，也只有地球质量的1/10左右。冥王星只不过是第一颗被发现的柯伊伯带天体，如果他们都可以被叫做行星的话，那么九大行星就会变成几百大，甚至呢，几千大行星。
为了裁员，天文学界给太阳系的行星做了一个定义，这个定义包含四部分。第一点我们都很熟悉，行星必须环绕恒星运动，而且不能同时是卫星；第二，行星不能太大，它的质量上界约为木星的13倍，不能再大了，太大就会发生核聚变反应，那就变成恒星了；第三，行星不能太小，它的直径至少要达到400千米，这样呢，才会形成由引力主导的天然形状，变成一个漂亮的球形，而小行星呢，就是因为太小，导致颜值不过关，大多长成了土豆的形状；第四，行星必须扫清自己轨道附近的区域，也就是说，它在自己轨道上要处于支配性的地位。
正是这关键的第四条，使得在行星宝座上端坐了76年的冥王星一夜之间就被扫地出门儿啊，被降为了一颗矮行星，意思呢，就是发育不完全的一种行星，算是介于行星和小行星之间的中产阶级，比上不足比下有余。像鸟神星、妊神星、谷神星、阋神星，它们都跟冥王星一起被列入了矮行星的行列，主要问题那就是无法扫清自己的轨道。
现在让我们盘点一下，人类在寻找太阳系的疆界时走过的漫漫长路。从金、木、水、火、土五大行星，到近代的天王星、海王星，再到现代包含了冥王星的柯伊伯带，人类丈量的太阳系在过去200多年里扩大了十倍左右。那么，冥王星所在的柯伊伯带是否就是太阳系的疆界呢？答案是否定的，柯伊伯带只能算是太阳系的城乡结合部。比柯伊伯带更远的地方，还有一圈由寒冰组成的小行星，叫做离散盘天体。离散盘还不是最远的，科学家们提出设想啊，在更远处还有一个包裹着太阳系的球体云团，那里布满了彗星，这团云叫做奥尔特云，它一直延伸到太阳引力控制范围的最边缘，也许那里就是太阳系的疆界了。
太阳系再大，也终有尽头，而人类探索未知的本能却永无疆界。
"感谢喜欢，赞赏支持是对我的鼓励。"
很赞哦！ (0)
