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世界科技全景百卷书: 哈雷与彗星
1682年，惊慌和恐怖的气氛正笼罩着伦敦。 夜晚，天空中挂着一根银光闪闪的木棒，或者说是一把寒气逼人的利剑，它使满天星斗为之失色。它扰乱了天空的正常秩序，同时也扰乱了尘世间人们的心灵。在伦敦街头，人们惶恐不安地望着天空，有的人跪在地上，在向上帝做祷告。 “天啊，这是什么怪物啊！” “连月亮也被它淹没了！” 教堂里的牧师说，这是灾祸的预兆，是上帝发怒时所派遣的可怕的使者。牧师要人们向上帝祷告忏悔自己的罪过：“只有信仰上帝，信仰耶稣，才能得救。” 在伦敦东南近郊的格林威治天文台。天文学家佛兰姆斯第德正对着天文望远镜，观测着这个怪物，记下它所在的位置，及它在天空中所占面积的大小，查对它位置的移动和大小的变化。 “这真是少见的大彗星！”他赞叹地说。在天文学家的眼里，在望远镜里，彗星是经常见到的，并不足怪。然而这样巨大的光亮的彗星，他过去却从没见过。 佛兰姆斯第德刚刚写完一段记录，就有人告诉他：哈雷先生来了。 哈雷是一个青年科学工作者，只有26岁。由于他对南半球星座的研究，和对一次水星凌日现象所作的观测记录，使他成为英国皇家学会最年轻的成员，天文学界的人都知道他。佛兰姆斯第德快步走进会客室，和他亲热地握手。 “亲爱的佛兰姆斯第德先生，你看到那个大怪物没有？” “当然看到了。哈雷先生，我知道你所说的是彗星。我已经注意它半个多月了。” “对呀！”哈雷说，“佛兰姆斯第德先生，你知道不知道，它在社会上引起多大的骚乱！它让愚昧和迷信统治着人们的头脑！你们天文台，有责任解释它的存在，用科学扫除愚昧和迷信！” 佛兰姆斯第德抱歉地赔笑道：“你说得对，我们有责任。可是，我们现在还不知道这怪物是从哪里来的啊。” 哈雷在天文台的望远镜里观察了这颗彗星。它横贯半边天空，光芒四射。它的一端比较浓，像是一团浓雾。 佛兰姆斯第德在旁解释说：“你看那浓雾似的一头，叫做彗头。那彗头的中心有个明亮的光点。看见了吗？我最初看见它时，它就只有那么个光点，和普通星星一样。后来，我才看见这团浓雾似的光斑。再过几天，它靠近太阳，就伸出那个长长的尾巴，而且一天比一天长。” 哈雷看着长长的彗尾，是一条或明或暗的光带，很淡薄，很模糊。这光带是如此淡薄，以致哈雷还能透过它，看到它后面的某些恒星闪烁发光。 佛兰姆斯第德说：“彗星越靠近太阳，尾巴越长，然而当它过分逼近太阳的时候，它就隐没在太阳的光辉里，最终看不见。像这一颗彗星，过些日子也会被太阳的光辉掩没。几天以后，它又会带着长长的尾巴出来。出来以后，它的尾巴慢慢变短，最后只剩下一个光点，渐渐消失在天空，连望远镜也看不见了。” 佛兰姆斯第德取出一大叠资料给哈雷看，这是天文台历年来观测到的许多彗星的记录。哈雷非常感兴趣地翻看着。他一面看资料，一面自言自语地说：“彗星怪是怪，但是也有运行的规律，不是胡来乱闯的嘛！” 两年以后，哈雷到剑桥大学去，访问大名鼎鼎的天文学家牛顿，他同时也是数学家和物理学家。 牛顿房间的墙上，挂着一幅《太阳系图》，图的中间是太阳，四周画的水星、金星、地球、火星、木星、土星六大行星，以及它们绕着太阳公转的轨道。有的行星旁边还画着卫星。这就是当时已知的太阳系全体成员了。 哈雷一走进房间，牛顿就热情地欢迎道：“啊，哈雷先生，年轻的天文学家！我很高兴见到您。我正有个困惑的问题要向您求教呢。” “啊哟！”哈雷吃了一惊：鼎鼎大名的牛顿竟会向我求教！他恭敬地站着说道：“尊敬的牛顿先生，我是因彗星的问题来向您求教的。我怎么能解答您感到困惑的问题？” “你在研究彗星？很好。不过我们还是先谈谈行星吧。我们已经知道，行星都是围绕太阳公转的。”他指着墙上的《太阳系图》说，“我们不了解的是，为什么行星不会脱离太阳，飞往更遥远的空间呢？” 哈雷想，这问题不难。他说：“这恐怕用得着您著名的苹果故事了。” 苹果故事便是牛顿自己的故事。“你是说，太阳具有强大的引力，吸引行星不离开它，对吗？” 哈雷含笑点点头。 “那么，”牛顿又说，“太阳为什么不把行星吸引到自己身上，也像地球吸引苹果一样呢？” 哈雷沉思了一会，摇摇头说：“这个我说不清楚。” “我是这样想的，”牛顿拿出一张图说，“您看，这行星P本要向P的 1方向前进的，然而它被太阳吸引，而向P方向前进了。但是到了P以后，它也并不是沿着PP的方向前进，因为受了太阳引力的影响，它到了P。同样的道理，行星又转向P。总之，由于各种力量的平衡，行星就以椭圆形（接 4近正圆）的道环绕太阳运行。您说对吗？” “可是，”牛顿又说，“这却只是一种设想。要证明这种设想，就必须把这几种力量的大小计算出来，看是否与设想相符合。” “我知道了！”哈雷抢着说，“我们如果算出太阳的质量多大，行星的质量多大，便能算出它们相互的引力有多大。不过，如果相隔距离太远，那么相互间的引力就会要小些吧？” “对极了！”牛顿说。 “行星运行速度越大，它所造成的离心力也就越大，这也会抵销太阳的引力，正像您刚才所阐述的那样。是吗？” 牛顿听了非常高兴。他说：“您讲得完全正确。”关于行星运行的轨道问题，他们已经在互相讨论中取得了一致的看法。现在牛顿把话题拉回到哈雷所提出的问题上来，他说，“哈雷先生，请您再想一想，您所要研究的彗星，不也是太阳引来的吗？可是它并不会跌到太阳上面去，而也有它自己的轨道。我们能不能算出它的轨道呢？” 牛顿的话虽然没有直接解答哈雷提出的问题，但是给了哈雷很大的启发。从此以后，哈雷便全身心地投入到引力问题的研究之中，他进行了种种复杂的计算。后来他的研究，对牛顿也有所启发和帮助。 1687年，牛顿关于万有引力的著作出版了。根据万有引力的理论，一切物体都是互相吸引的，引力的大小和物体的质量成正比，和物体之间距离的平方成反比。牛顿还计算了物体运动的速度和引力的关系、他用精密的计算，论证了一切天体都要受万有引力理论的支配。 就行星的运行而论.牛顿计算了太阳和各个行星的质量以及相互之间的距离.他还计算了行星运动的轨道和速度，对行星绕太阳公转作出了明确有据的解释。 对于这怪异笑星，牛顿同样也提出了研究它的轨道的方法。举星出现的一段时间，它在天空星座之间运行的路线是可以观测记录的。分析这些记录，可以算出它的轨道和速度，可以算出它和太阳相互吸引的作用力，从而取得很多数据。于是，通过这已知的数据，再运用万有引力的理论，就能算出智星整个轨道的情形，包括它出现以前以及隐没以后在茫茫天空运行的情形。 哈雷按照牛顿提出的方法，计算了1682年大智星的轨道。但是由于当时天文观测资料不够精确，似乎这轨道是一条抛物线，也就是从一端来，绕过太阳到另一端去，永远不回来了。然而经过仔细分析，发现这轨道又像是一个偏心率很大的椭圆。如果是一个偏心率很大的椭圆，那么管星在离开太阳亿万公里以后，又会折回头，向太阳前进，重复出现在人类的眼前。 这轰动人类、扰乱天空的旁星，究竟是太阳系的常住户，还是天外飞来的过客？哈雷为此又去格林威治天文台，查阅历来观测彗星时留下的记录。他耗费了巨大的精力，进行无数次复杂的计算，发现 1607年的那颗彗星和1682年的那颗彗星，有着相同的轨道。接着又发现1531年的彗星也和1682年的那颗轨道相同。同时人们描述见到的这三颗彗星的形状大小也相像。 “这三颗彗星实际上是同一颗彗星出现了三次！”哈雷想。 1682-1607=75 1607-1531=76 这三次出现，每两次之间相隔75年或76年，这就是这颗彗星出现的周期吗？ 哈雷从1531年再向前推75年，则是1456年，但没有天文台观测资料，然而历史书上记载着，1456年，出现过大彗星。再由此往上推，1380年和1305年也都出现了大彗星，它们之间也是相隔75年或76年。 哈雷越来越坚定地相信，自己的推测是正确的。 哈雷运用万有引力定律，经过精密的计算以后，便断言：1682年的彗星是太阳系的一员。它以椭圆形轨道绕太阳旋转，但是轨道的偏心率非常大；近日点靠近太阳，远日点则很远，比近日点要远百倍。它绕太阳一周时间需要75年或76年。他断定下一次出现是1758年。 1758年到了。但这时哈雷已经去世了。然而爱好科学的人们却没有忘记哈雷的预言。他们期待着1682年的彗星再度出现。他们把期待着的那颗彗星称为哈雷彗星。 满天星斗，像平常一样，没有出现什么异常现象。天文台的望远镜对准彗星将要出现的空间，也不见彗星的踪影。为什么彗星没有出现呢？难道万有引力的理论不灵吗？ 对于万有引力的理论和计算，人们是找不出什么毛病来的。但是有些迷信保守的人，却仍然认为彗星是上帝发怒的信息。他们责备天文学家竟然欢迎一颗“灾星”。半年过去了，有些人用轻蔑的口气说哈雷的预言不过是胡说罢了。他们冷眼看着那些焦躁不安、不知所措的天文学家们，说： “你们的希望已经成了泡影！” “万有引力理论只是一种幻想的假说！” 这时候，法国数学家、天文学家克来罗站出来说话了。他通过精密的计算，算出：土星的引力使哈雷彗星迟到了若干天，而木星的引力又使它迟到若干天。因此，哈雷彗星的迟到，并不证明万有引力理论是幻想，恰恰相反，这证明万有引力理论是非常正确的！ 克来罗还断言：哈雷彗星在1758年是不会出现了，它将于1759年春天来到，大家热烈地欢迎吧！克来罗还算出，彗星将于1759年4月13日通过近日点。 1759年2月的一天，人们注意到天空出现了一颗新星。 “哈雷彗星！”人们仔细地观察着这颗新星，而且希望它就是哈雷彗星。天文学家一天接一天地追踪它。 果然是哈雷彗星！它的尾巴一天比一天长，终于又像一把寒气逼人的利剑，辉煌地照耀了半个天空。 科学胜利了！ 万有引力的理论胜利了！ 当时感觉美中不足的是，克来罗关于哈雷彗星将于1759年4月13日就通过了近日点的预言，不够准确。实际上，哈雷彗星3月12日就通过近日点，比他的预言要早一个月左右。这是什么原因引起的呢？ 在22年以后，天文学家发现了新的大行星——天王星。后来又发现天王星的轨道有一些不规则，根据万有引力的理论来分析，在天王星轨道外还有一颗大行星在吸引它，影响它的运行。1846年，人们根据万有引力理论而进行精密计算之后，天文台把望远镜对准计算到的小块空间，果然发现了肉眼不能见的大行星——海王星。这以后才知道，天王星和海王星曾在1759年拉动过哈雷彗星，促使它提早走向太阳。这样一来，克来罗计算的误差就得到了合理的解释。但这时候，克来罗本人也已经去世了。 赫歇耳发现天王星 直到200多年前，人类还一直把土星看做是太阳系的边疆。那时，人们都只知道天空中有6颗大行星：水星、金星、火星、木星、土星和我们人类的故乡地球。 水星、金星、火星、木星和土星合称为五大行星，人们用肉眼就能看见，所以我们的祖先很早就认识了它们，并且把它们与太阳、月球一起称为“七曜 （yào）”。意思是说，它们是天上七颗有光芒的、能够照耀人间的天体。 就在1781年3月13日这一天，发现了太阳系的一个新成员，从而扩大了太阳系的边疆。那是英国天文学家威廉·赫歇耳，用自己制造的望远镜所观测到的在土星之外那一颗蓝色的天体。 威廉·赫歇耳于1738年11月15日出生在德国汉诺威城。父亲是一位穷苦的乐师，在父亲的熏陶下，赫歇耳从小就表现出很好的音乐才能，以后还在吹奏乐方面有很高的造诣。18岁那年，因战争流亡到英国，孤独一人远离家乡，全靠以音乐谋生，收入十分微薄，只能勉强糊口度日。 赫歇耳从小就酷爱读书，如今他虽然是一位宫廷里的双簧管吹奏者，但仍然抓紧业余时间如饥似渴地读书，从不荒废点滴时间。他读的书很多，尤其喜爱数学、物理学和天文学。渐渐地对天文学抱有特殊的兴趣，不久便成为一名天文爱好者。 赫歇耳正式成为一名业余天文工作者时，他已35岁了，各方面都已比较成熟。他深知天文学是一门观测的科学，因此，所制定的业余天文工作的第一步计划，便是自己动手，磨制天文望远镜。 要动手制造望远镜，谈何容易。他已经把全部的业余时间都用来搜集有关光学理论的参考资料，购置必要的制作工具和材料，再要安排时间磨制镜面实在困难。于是，他便写信把妹妹卡罗琳·赫歇耳和弟弟阿历山大·赫歇耳两人从家乡接来，帮助他进行望远镜的研制工作。就这样，在1774年的夏天，赫歇耳和他的妹妹、弟弟三人，组成了家庭望远镜制作“工厂”。 客厅变成了木工车间，卧室当成磨制反射镜车间……三个人劲头十足，锯木声、磨镜声响成一片，分工合作，热闹非凡。 那时的反射镜一般都是采用铜做镜面。单纯的铜面容易被氧化而失去光泽。经过大量的试验，赫歇耳确定采用两份铜与一份锡的合金做镜面。他用手工操作，一点一点地把整个镜面磨成准确的凹面。他在宫廷演奏后，一回到家，便马上换上工作服进行他的镜面磨制工作。他不分寒暑地磨制镜面，时常磨到饥肠辘辘，也不肯放手，就让妹妹给他喂饭吃，疲倦了，就让妹妹在一旁为他朗读小说。他就是以这种“十年磨一箭”的精神来磨制镜面的。 1776年5月1日，一架2米长的反射望远镜，在他们三人的苦战中诞生了。 有了自己磨制的望远镜，赫歇耳便请了一些帮手立即把它安装起来，使望远镜轻巧、灵活地指向天空，开始他的第二步计划——巡天观测。他珍惜每一个可以进行观测的晴夜，常常是整夜的观测，第二天还得拖着疲惫的身子到宫廷去演奏，以便换来日常生活费用；晚上不管回来多晚，只要是好天，他总是要打开望远镜，继续进行观测。妹妹始终跟在哥哥身边做观测记录，白天便进行整理归算。弟弟在哥哥指点下继续做磨制更大的镜面的准备工作。 就在他们进行巡天观测的第五个年头，即1781年3月13日，那天晚上10时许，当赫歇耳把望远镜指向双子座时，一颗从来没有看见过的新星在望远镜里出现了。 开始，赫歇耳使用的是能够放大270倍的目镜镜面，接着更换成能够放大460倍的，最后又使用了能够放大930倍的目镜面。更换目镜镜面是判断恒星还是行星或彗星的一种观测方法。在更换目镜镜面后，星体如果变大，则该星体属于行星或彗星；星体如果不变，则该星体是属于恒星。 赫歇耳更换目镜镜面后，发现星体增大，这说明他所观测到的那颗星是属于行星或彗星。但是，自从天文望远镜发明以来，虽然发现许多新星，而行星却从未增加过一颗，所以当时不论哪位天文学家，都认为在太阳系里围绕太阳转动的只有水星、金星、火星、木星、土星和地球等六大行星而已。传统的偏见，使赫歇耳不敢相信这是太阳系里的另一个新成员——行星，于是，赫歇耳便似是而非地把它当成一颗遥远的彗星。 卡罗琳的观测记录簿上连续记录着： 3月19日，彗星东移。 3月25日，彗星速度加快，星体逐渐增大…… 3月28日，彗星星体再增大，逐渐接近地球。 4月6日，使用放大278倍的目镜镜面观测，彗星边缘清楚可见，但是，未见周围的雾状云以及彗星尾…… 一般彗星都有彗尾，即使没有彗尾的，周围也要有雾状云，对此，赫歇耳认为：“既不见彗尾，又没有雾状云，恐怕不是一颗普通的彗星。” 为了弄清这颗新星的真实身份，赫歇耳迫切需要求助于整个天文学界的帮助，希望各国天文学家都来进行对这颗新星的观测。因此，他在1781年4月26日向英国皇家学会提交了一篇名叫《一颗彗星的报告》的论文，阐明了他发现的这颗新星的位置和特点，并希望各国天文学家对它进行观测。 赫歇耳的报告，引起了天文学界的极大震动，许多天文学家纷纷将天文望远镜对准这颗“不平凡”的“彗星”，进行跟踪观测。可是，根据“彗星”运行轨道的计算结果表明，它不像其他彗星那样走着一条拉长了的道路而是十分近似其他行星所走的圆形轨道。“这难道是一颗新行星吗？”人们经过很长一段时间的怀疑，最终才不得不承认它的确是太阳系里的第七颗行星。 当时，赫歇耳以英国国王乔治三世的名字，给这颗新行星命名为“乔治星”。但是，忠于神话传统的英国人，把这颗太阳系的新成员，用希腊神话中的天神“伏拉纳斯”的名字来命名它，翻译成中文就叫“天王星”。 天王星的发现，突破了千百年来的传统观念，第一次扩大了太阳系疆界的范围，这无疑是人们在探索宇宙的道路上，迈出的十分了不起的一步，它对于进一步认识太阳系起着意义重大的解放思想的作用。天王星的发现，犹如在平静的池塘中投了一块石子，人们相继又发现了第八颗行星海王星、第九颗行星冥王星，乃至今天人们仍在努力寻找着第十颗行星。 冥王星的发现 与海王星比较起来，冥王星的发现则显得更加曲折些。因为它是比海王星还要远的一颗行星，它的运行更慢，而且在海王星上看太阳，已不见太阳的圆面，仅呈现一个光亮的点。那么再落到冥王星上的太阳光就更少了，经它反射到达地球的光就更加微乎其微。现在我们所看到的冥王星，只像一个15等暗星。为了发现冥王星，不少人曾仿效勒维烈和亚当斯的方法，想从天王星和海王星所受的摄动反推它的位置。但是冥王星并不像预计中的那么大，它对天王星、海王星的摄动太小了，很难得到确定的结果。它又比较暗，行动又太慢，要在黄道带上一个一个地检测15等的暗星，并发现它们是否移动，即使预告了位置也是不容易做到的，要知道15等星的数目比9等星至少要多300倍。 本世纪初，美国天文学家皮克林（1858～1938年）主张用照相的方法去搜寻这颗遥远的行星，只要隔几天就对同一天区拍照，如有移动位置的天体就会从前后两张底片上找出来。由于预报的未知行星位置很不可靠，所以只能沿黄道带有计划地系统拍照。这个任务交给了年仅23岁的汤博，汤博发现每一张底片上总有几万甚至几十万个星点，要将这些星点逐个核实简直不可能。正巧，这时德国有一家仪器公司发明了“闪视比较仪”，它有两个置片台，放置待比较的两张底片，左右两张底片不能同时在镜头里看到，而是自动控制着按一定频率轮流进入视场。如果在两张底片上没有移动位置的星，两张底片上的星象全同。由于视觉暂留现象，视场里的星象会是稳定的，只要有一个星移动位置，在视场里看就会来回跳动。 汤博利用了这一仪器，他耐心地坐在内视仪前，将底片逐张进行观察。由于一张底片上星象很多，必须分成若干区，每一次只能校核十几个星点，在确认每一个星点都不跳动后才能通过，因为任何微小的疏忽都可能前功尽弃，使后来的工作变为徒劳。有时他确实发现了跳动太快，就可能是小行星。这项工作既要有耐心，还要有清醒的头脑。直到1930年1月，他完成了金牛座40万颗星的检核工作，仍一无所获。下一个天区是双子座，这里靠近银河，暗星密聚，工作更是异常繁重，他日复一日不间断地工作。 1930年2月 28日下午4时，他发现双子座δ星东有一个跳动的15等小星，在相隔六天拍摄的两张底片上只移动了3毫米～4毫米，同预计中的新行星又暗又慢的特点相符合。他欣喜若狂，但没有立即宣布这个发现。在以后的几个星期里又连续对该天区拍照，确认这是一个新行星后，才于3月13日公布于世。这一年他才24岁！ 冥王星到太阳的距离约40天文单位，公转一周需要247年，轨道偏心率也较大。从发现到现在的50多年里，它才完成公转一周的1/5。在1989年冥王星过近日点时，人们在比较近的地方观测到了它。 |
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