因數學而發現的行星——海王星

19世紀中葉，海王星的發現轟動了世界，在當時這簡直是個不可思議的奇蹟。

這是思維與計算的勝利，是牛頓萬有引力理論的偉大勝利，也是科學史上一個令人難以忘懷的業績。

茫茫星空不再神秘

海王星的發現歸功於望遠鏡的誕生，望遠鏡何時發明已無法考證，但望遠鏡肯定誕生在最早發明玻璃的國家。

當義大利的天文學家伽利略一聽到望遠鏡誕生的消息，馬上意識到它對天文學的重要性，自己動手研製出望遠鏡，並第一個把望遠鏡指向天空，觀測神秘的星空，於是天文望遠鏡就誕生了。

在1609年一個晴朗無雲的夜晚，一輪明月懸掛在天空，這是一個可以載入史冊的夜晚，伽利略用望遠鏡對準月亮。

幾千年來，人類始終以為月亮美麗無瑕，黑夜給人帶來光明，月亮是人類尊崇的神靈，月面上斑斑點點的陰影，使人們聯想到月宮、桂樹和玉兔，那是當時人類嚮往的天堂，有誰能想到月亮的表面竟像地球一樣呢？當伽利略在望遠鏡里看到月面覆蓋著蒼古斑斕的大山和平原，還有無數大大小小像火山口一樣的環形山時，他十分驚奇。

伽利略在望遠鏡中看到月球上有的山峰峻峭，蜿蜒曲折，完全如同地球上的山脈，所謂的陰影處，原來是一望無際的平地。

伽利略興奮地繪製了第一幅月面圖，並且用「阿爾卑斯」和「亞平寧」給月亮上兩條最顯眼的山脈取了名字，以表示對自己祖國的熱愛。

接著伽利略又發現了木星衛星、太陽黑子等，從此天文學獲得了探索宇宙的新武器，開創了人類探索宇宙的新紀元。

望遠鏡的研製迅猛發展，折射望遠鏡、反射望遠鏡、折反射望遠鏡相繼誕生。

其中第一架反射式望遠鏡由牛頓於1668年發明，現珍藏在皇家學會圖書館，研磨望遠鏡數量最多的當數英國有「恆星之父」美稱的天文學家赫歇耳，他早年為樂師，後轉為天文學，一生研製數百架望遠鏡。

1781年3月13日，他用自製的15cm的望遠鏡觀測並發現了天王星。

當時人們只知天上有5顆行星，最遠的是土星，距太陽約1.4×109km，那是太陽系的疆界，所以土星也被稱為「鎮星」，鎮守在太陽系的疆界。

天王星距太陽約2.87×109km，天王星的發現將太陽系的疆界拓展了一倍。

天王星的發現引起了世人極大的關注，世界各國天文學家把望遠鏡對準天王星，發現天王星運動不守規矩，不老老實實在軌道上運動，有時候誤差角度竟高達2角分，當時根據「行星星曆表」預報其他行星的運動，觀測數據與預報數據很相符，而且很準確。

天王星不安分的原因是什麼呢？問題出在什麼地方呢？大多數天文學家在反覆研究後，分析有可能在天王星軌跡之外還有一顆未知的行星在干擾（或影響）天王星的運動規律，德國天文學家貝塞爾曾預言：天外行星的存在，因為行星運動參數主要取決是太陽，與行星之間的萬有引力，但是行星還受到其他行星的引力，而影響它的運動規律，導致其偏離預定軌道．這種偏離現象稱為「攝動」。

筆尖上的發現

19世紀中葉，雖然當時從已知的行星去計算對另一個已知行星的影響是可以做到的，計算卻十分困難，但要解決反其道而行之的問題，也就是從天王星已知的軌道偏差去反推一個在未知軌道上運行的未知行星，並且求它當時所在的位置、質量、距離是一項相當困難的計算，致使那時沒有敢進行嘗試。

1843年，英國劍橋大學裡有位剛畢業的24歲青年學生亞當斯勇敢地承擔起了這個艱巨的任務，是最早從事這顆未知行星軌道要素研究和計算的人，劍橋大學天文台長鼎力支持此項工作並提供有關資料，經過一年多的複雜計算，終於算出了天王星外的一顆未知行星的軌道要素、質量和位置。

1845年9月，亞當斯通過劍橋大學的一位天文學家教授，把計算結果寄給了英國皇家天文台長喬治·艾里爵士，請求他用大型望遠鏡來尋找這顆行星，不料艾里台長對亞當斯的結果抱懷疑態度，因此只是禮貌地向亞當斯寫了封回信，根本沒有組織天文台研究人員進行觀測和尋找。

亞當斯只好在缺少星圖的條件下，自己在劍橋大學天文台進行觀測，但沒有找到。

一直拖延到第二年7月，英國格林尼治天文台台長艾里已意識到問題重大，又請巴黎天文台任台長的朋友沙里斯帶領人去觀測，其實他們在8月4日、12日再次觀測都記錄到新行星，只是未做及時處理，從而再次丟掉機會，讓新行星從他們的手裡逃失。

正在這個時候，當時34歲的法國青年天文工作者勒維烈也開始研究這一難題。

1846年8月31日，他的傳世論文《論使天王星失常的行星，它的質量、軌道和當前位置的確定》發表在《法蘭西數學學報》上。

他的結果與亞當斯的非常接近。

由於當時巴黎天文台沒有詳細完備的星圖，勒維烈求助於柏林天文台，於1846年9月18日把他的計算數據寄給了擁有大量星圖的柏林天文台的天文學家伽勒，請求幫助尋找。

他在信中這樣說：「請您把你們的望遠鏡指向黃徑326°處寶瓶座內的橫道上的一點，您將在離此約１°的區域發現一個強而明顯的新行星，它的亮度約9等……」

勒維烈太幸運了。

這封具有歷史意義的信走了5天，就在這封信9月23日到達伽勒的當天晚上，這位德國天文學家就把望遠鏡對準寶瓶座勒維烈計算出的位置，認真進行搜索，細心記下經過望遠鏡里每一顆星。

僅僅花了不到半個小時，就發現了一顆星圖上沒有的略帶淡綠色的8等小星，它位於勒維烈所預言的那一隻以外不到１°（52角分） 的位置上。

第二天晚上又繼續觀測，發現這顆小星在恆星之間步履遲緩地移動著，這表明它確實是顆行星，伽勒興奮極了。

9月25日，他立即覆信給巴黎的勒維烈：「先生，你給我們指出位置的新行星是確實存在的。

」這封信寄到巴黎時，勒維烈如耳聞驚雷，看到自己的預言如此迅速地變成現實，激動萬分，震驚不已。

伽勒把觀察結果發表在德國《天文學雜誌》第23卷上。

需要指出的是，海王星的發現具有一定的偶然性。

因為勒維烈在計算過程中，錯設了未知行星的軌道半徑和質量數據，當然很難做出準確無誤的預言。

幸好勒維烈算得的未知行星在星空中的位置同實際位置十分接近，這才被發現了。

新行星的發現轟動了整個世界，這在當時簡直是個奇蹟。

一位天文學家在巴黎憑數學計算預言出一顆新行星的位置，另一個天文學家在柏林操縱望遠鏡找到了它。

巴黎天文台長阿喇戈說：「天文學家有時偶爾碰到一個動點，在望遠鏡里發現一顆行星，可是勒維烈先生髮現這個新的天體，都沒有朝天一瞥，他在筆頭下便看到這顆行星了。

只靠計算的力量，他決定了我們所知道行星疆界之處的一個天體的位置和大小，這是一個離太陽12億里（法國的古里）的一個天體，在最大的望遠鏡里也看不出它的圓輪來。

」這個被天文學家稱為「筆尖上的發現」的新行星被命名為海王星。

視名利淡如水

海王星發現後面臨著命名問題，當時巴黎天文台台長的阿喇戈認為勒維烈「為祖國爭得了光輝，為子孫贏得了榮譽。

」建議命名為「勒維烈星」，勒維烈拒絕接受。

後來人們還是用傳統的行星命名法來命名這顆不平凡的行星，行星的命名歷來都是用古代神話里的神來命名的，如Ｖenus（金星）為古希臘的愛神，Ｍars（火星）為古希臘的戰神。

人們從望遠鏡里觀測到這顆淡藍色的星，聯想到大海，稱為「Ｎeptune」，Ｎeptune為古羅馬神話中的海神。

據說全世界海洋的統治者（海神），住在深深的海底宮殿里，常乘坐一輛由金鬃色白馬拉的兩輪馬車在海上奔馳巡邏。

我國恰當地把Ｎeptune譯成了海王星。

海王星發現後，使許多人又想起了亞當斯的工作成果，又重新釋讀亞當斯的論文，其中一段明白無誤地寫著：「新行星位於寶瓶座，其亮度大約相當於一顆9等星……」由此可見，兩個互不知曉的青年，計算得到幾乎相同的結果。

當英法兩國學術界爭論海王星的發現優先權時，亞當斯本人異常平靜，對名利十分淡薄，在他的日記中寫道：「對他人的榮譽不應嫉妒，對自己的成功不應驕傲。

」他本人抱著十分超然的態度，甚至對格林尼治天文台台長艾里也沒有絲毫的怨言和責怪之心。

1847年英國女皇在參觀劍橋大學時，曾讓校長轉告亞當斯，為表彰亞當斯在研究新行星方面的貢獻，女皇陛下決定給他授予爵位。

可亞當斯卻謙遜地回答：「這是科學巨人牛頓曾經獲得過的殊榮，我與牛頓是無法相比的。

」1847年，兩個年輕人在倫敦的一次國際性學術會議上友好地相見了，他們互相稱頌對方的工作，科學家的胸懷得到了充分的展示。

歷史是公正的，人們一致認為他們應當共享這個榮譽。

後來英國天皇天文學會把兩枚金質獎章分別授于勒維烈和亞當斯，來表彰他們各自的功績。

鑒於他們的科學才華和所做的貢獻，以及他們表現出的高尚情操，勒維烈後來兩度出任巴黎天文台台長，亞當斯也擔任了兩屆英國天文學會會長1861年後任劍橋大學天文台台長。

來源：算法與數學之美