天文太空

誰偷了海王星?

在還沒有人看見海王星前,天文學家利用數學就預測出它的蹤跡。這個深具歷史意義的發現,究竟是誰的功勞?

撰文/西恩(William Sheehan)、寇勒史崇(Nicholas Kollerstrom)、瓦夫(Craig B. Waff)
翻譯/王道還

天文太空

誰偷了海王星?

在還沒有人看見海王星前,天文學家利用數學就預測出它的蹤跡。這個深具歷史意義的發現,究竟是誰的功勞?

撰文/西恩(William Sheehan)、寇勒史崇(Nicholas Kollerstrom)、瓦夫(Craig B. Waff)
翻譯/王道還

「星圖上沒有那顆星!」

1846年9月23日夜裡,天文學家達赫斯特(Heinrich Louis d'Arrest)的這句話響徹柏林天文台的圓頂;此後一直在各地天文學機構中反覆傳誦。

達赫斯特站在桌前,桌上攤著一張星圖,正在協助天文台裡的天文學家加勒(Johann Gottfried Galle)驗證法國數學家勒威耶(Urbain Jean Joseph Le Verrier)所做的一個特別預測。那時天王星是已知太陽系最外側的行星,勒威耶假定在天王星之外還有一顆行星,天文學家還沒有觀測到;而天王星受那顆行星的重力拉扯,運行軌道的觀測值才與預測值不符。五天前,勒威耶寫信給加勒道:「閣下,您會發現,我證明了只有假定另有一顆未知行星存在(只是還沒人觀測到),才能解釋天王星的觀測記錄;值得注意的是,那顆製造擾動的行星,只能存在黃道上一個特定位置。」


加勒開始觀測後,不到半小時,就在距預測位置不到一度的地方發現了一個藍色小圓盤。第二天夜裡他又看見了那個天體,它稍微移動了一點—證明它不是恆星。他立即回信給勒威耶,「你預測的那顆行星果真存在!」




這張星圖是天文學家加勒與達赫斯特在1846年9月23日夜裡尋找海王星的嚮導。這時加勒並不知道,英國數學家亞當斯預測可以發現海王星的位置,也在同一區域。

那顆行星就是海王星。勒威耶以數學偵探它的存在,加勒以望遠鏡搜尋它的蹤跡,是天文學史上最膾炙人口的故事。加勒宣佈發現海王星的消息之後,立即引發了爭論,也是大家熟悉的故事。原來英國有位年輕又沒名氣的數學家,獨力研究過同樣的問題,得到了與勒威耶大致相同的結論,而且比勒威耶還早。他就是亞當斯(John Couch Adams)。


法國天文學界對亞當斯在發現海王星這事上也有份的說法抱以懷疑,但是他的歷史地位卻有一份官方文件背書—1846年11月13日英國皇家天文學家艾瑞(George Biddell Airy)在英國皇家天文學會(RAS)宣讀的一份報告。艾瑞證實,他在1845年秋天收到亞當斯預測的位置,1846年夏天就著手搜尋,只是沒公開罷了。艾瑞的報告使學界形成了共識:亞當斯與勒威耶在發現海王星這事上,有同樣的功勞。


大部份重述這個著名故事的作品,不過是剪貼艾瑞的報告而已。故事裡的主角,包括勒威耶、亞當斯、艾瑞、查理斯(James Challis,英國負責搜尋海王星的劍橋大學天文學家),都成了樣板人物。亞當斯是靦腆、不強出頭的英雄,他過世後,RAS學報的贊辭裡將他描述為英國「最偉大的數學天文學家……除了牛頓,無出其右者。」據說他與勒威耶超越了國際競爭格局,終生是好友。另一方面,查理斯給描繪成搞砸了搜尋工作的懶人。艾瑞則是不折不扣的官僚,根據艾西莫夫(Isaac Asimov)1976年的描述,他「自負、見不得人好又小心眼,像個小暴君似地管理格林威治天文台,以察為明,不識大體……亞當斯設法連絡的,就是這個教人討厭的人。」


行星「門」

這些年來,有些歷史學者對這個大家都接受的故事提出過質疑。半個世紀前,英國天文學家斯馬特(William M. Smart)繼承了一批亞當斯的科學手稿,他研究了之後,首先發難。1980年代晚期,牛津大學的查普曼(Allan Chapman)與當時在美國約翰霍普金斯大學任教的史密斯(Robert W. Smith)找到了更多相關文件。此外,住在美國巴爾的摩的獨立分析家羅林斯(Dennis Rawlins),在1960年代晚期就下了更極端的結論,認為19世紀的英國天文學家刻意偽造了有關文件,至少在真實文件上動過手腳。

勒威耶(1811-1877)

要是歷史學家能夠調出艾瑞引用的文件進行考證,這些懷疑也許早就釐清了。偏偏從1960年代中期,向格林威治天文台(RGO)調閱檔案的歷史學家,得到的答覆都是:檔案「找不到」。而檔案下落構成了幾乎與海王星探案一樣引人入勝的偵探故事。發現海王星是天文學家最輝煌、最重要的成就之一,為什麼相關文件居然會失蹤呢?


羅林斯與RGO圖書館館員都相信檔案在艾根(Olin J. Eggen)手裡。艾根是天文學家,1960年代初在RGO擔任皇家天文學家的首席助理。他為了撰寫艾瑞與查理斯的小傳,曾借過檔案,是最後一位查閱過檔案的人。後來艾根去了澳洲,然後到智利,但是他否認帶走了檔案。RGO圖書館館員不願逼他太甚,因為檔案要是真的在他手裡,逼急了說不定他會為了湮滅證據而毀掉檔案。


亞當斯(1819-1892)

到了1998年10月,檔案已失蹤30多年了,案子還是懸著。10月2日,艾根過世,智利天文學研究所的同事清理他的寓所,發現了失蹤的檔案,還有許多本從RGO圖書館借出的無價書籍。他們將超過100公斤的檔案、書籍裝入兩個茶葉箱,送回英國劍橋大學圖書館—現在RGO檔案都藏在那兒。館員立刻製作了複本。那份檔案能找回來,真是邀天之幸。那些文件以及從其他檔案找到的相關文件,使我們得以用新的視角重新研究發現海王星的過程。


擾動

水、金、火、木、土五大行星,肉眼很容易看見,自古人類就很熟悉。第一顆以望遠鏡發現的行星是天王星。1781年(清乾隆46年)3月13日夜裡,日耳曼出生的風琴師赫雪爾(William Herschel)在英格蘭家裡以自製的六英吋反射式望遠鏡掃描夜空,系統地觀察夜空上的星星。在雙子座,他立刻認出了一個微小的黃綠色圓盤,過去沒見過,說不定是顆彗星。不過,後來其他天文學家的觀測與計算,證明業餘天文學家赫雪爾觀察到的物事不是彗星。要是彗星的話,軌道會是個離心率很高的橢圓。它是顆不折不扣的行星,繞著太陽運行,軌道穩定、接近圓形,與太陽的距離大約是土星軌道半徑的兩倍。

我們太陽系居然窩藏著過去沒有人知道的行星!這個發現令天文學家著迷。他們開始搜尋過去觀星者的記錄,結果發現:這顆由日耳曼天文學家波德(Johann Elert Bode)命名為天王星的行星,其實在1781年之前給人看見過20次,只是當做恆星登錄罷了,最早的一次是1690年。1821年,法國天文學家布瓦(Alexis Bouvard)將所有觀測記錄彙整在一起,遇上了一個大問題。布瓦發現,就算把木星、土星這兩顆巨行星的引力都考慮進去,他還是沒法以牛頓運動定律與萬有引力定律解釋天王星的觀測記錄。牛頓定律錯了嗎?還是空間裡充塞了一種有阻力的介質,拖住了行星的運動?或者,天王星受到另一顆未知行星的影響?這是19世紀的「暗物質」問題;現在「暗物質」仍然教天文學家困惑,可是現在的「暗物質」不像行星那麼具體。


偉大的日耳曼天文學家貝索(Friedrich Wilhelm Bessel)打算研究這個問題,但是還沒做出什麼就過世了。第一份完整的研究報告是勒威耶完成的,刊登在1846年6月1日出版的《法國國家科學院學報》。勒威耶認為天王星之外還有一顆行星,並算出1847年1月1日可以發現它的黃經度(325度),也就是這顆行星在黃道帶的位置(見47頁圖示)。這一期學報在1846年6月下旬寄達倫敦,艾瑞讀了之後立即想起他去年秋天看過同樣的預測,寫在一張毫不起眼的紙片上,是由劍橋大學聖約翰學院一位研究員到他家所留下的。


不食人間煙火

那位研究員是亞當斯。他的生平在幾個方面都與牛頓相似。他們都在英格蘭鄉間長大,牛頓的父親是蘭卡夏郡的自耕農,不識字;亞當斯的父親則是康瓦耳郡的佃農。兩人從小就對數學與自然現象的規律感興趣;他們或在牆上釘樁,或在窗櫺刻痕,記錄太陽的季節運動。他們獨特的性格也一樣:穩重、耐煩、具有嚴謹的宗教信仰。認得他們的人都認為他們不通世務、古怪、心不在焉。今天,牛頓與亞當斯可能都會給當做亞斯伯格症候群患者(Asperger's syndrome,有時又叫做「高智商自閉症」)。

亞當斯出生於1819年6月5日,不到10歲就嶄露了非凡的數學天賦,有位親友認為他是「神童」,對他父親說:「要是我的孩子,我就算傾家蕩產也要送他上大學。」亞當斯讀遍了他找得到的數學與天文學書籍,才10多歲,他就會計算在康瓦耳能夠觀察到日食的時間,當年沒有電子計算器與電腦,這可不是件容易的事。據說他曾斜倚在家附近的古塞爾提十字架(ancient Celtic cross)上觀察星空,但是他視力不好,所以沒考慮當個觀星天文學家。後來亞當斯能上劍橋大學,全憑機緣巧合—他家的土地裡發現了一塊錳礦石,由於可製成煉鋼添加劑,賣得了好價錢。


這幅漫畫刊登於1846年11月7日出版的法國雜誌《畫報》,反映出法國對英國主張亞當斯也是海王星的發現者並不信服。漫畫下寫著:「亞當斯在勒威耶的報告中發現了新行星。」


1839年,亞當斯進入劍橋大學,他的超卓智力立即使他脫穎而出。他的同學坎貝爾(A. S. Campbell)回憶道:「我很沮喪,因為我胸懷大志去了劍橋,可是我遇見的第一位同學就讓我覺得相形見絀,自嘆弗如。」亞當斯囊括了學校提供的所有數學獎項。不過,除了數學成就,他似乎很健忘,簡直是個心不在焉、不食人間煙火的人。另一位同學記得他「身材矮小,走路很快,穿著一件褪色的深綠外衣。」他的房東說︰「有時看見他躺在沙發上,身邊沒有書也沒有期刊論文;但是,往往……要是想和他說話,唯一吸引他注意的辦法是走到他面前,拍他肩膀;光是對他說話是沒有用的。」


1841年7月,亞當斯的大學學業已完成了一半,他在劍橋的一家書店裡閒逛,發現了艾瑞的〈天文學進展報告〉,這篇論文是艾瑞在1832年發表的,其中提到天王星的軌道與預測值的偏差越來越大。亞當斯讀完這篇論文後,在日記裡記下:畢業之後,要盡快構思一個方案……研究天王星運動軌道的偏差,到現在為止還沒有合理的解釋,說不定天王星外面有一顆還沒有發現的行星,才造成這種結果。


消閒嗜好

接下來五年,亞當斯似乎都把天王星的運動問題當做消閒嗜好。他並不急著解決這個問題,反正它已經懸而未決許多年了。1843年他畢業後,就向劍橋大學的天文學家查理斯索取了天王星觀測記錄。查理斯的天文台距聖約翰學院1.6公里。可是亞當斯在劍橋忙於教學,回到家鄉度假時才有空進行計算。這些計算是很繁重的工作,但是亞當斯對這種工作甘之如飴。

首先,他假定那顆未知行星與太陽的平均距離符合波德定律(Bode's law)的預測,就是距太陽38個天文單位,為天王星軌道半徑的兩倍。(波德定律是個經驗關係,也不知為了什麼,可以正確描述已知行星與太陽的距離。)然後,亞當斯不斷調整這顆未知行星的軌道參數,以縮小天王星位置的預測值與觀測值差距。這種逐漸逼近的程序叫做「微擾理論」,日後成為數學物理學的支柱。