关于作者




本书作者卢昌海,是一个著名的科普作家,先后发表过大量科普文章和书籍。用「得到」作者卓克老师的话说,卢昌海老师的每本作品都值得一读。




关于本书




著名科普作者卢昌海先生的代表作之一。作者用侦探小说一般生动的语言,还原了人类寻找太阳系疆界过程中那些激动人心的细节。天王星、海王星、冥王星每一次的发现都拓展了太阳系的边界,同时也拓展了人类自身的认知。




核心内容




第一,天王星是如何被人类发现的?工具在这个过程中起到了什么作用?



第二,人类就是如何发现海王星的?为什么它被认为是牛顿力学最伟大的一次胜利?



 



第三,冥王星是如何被发现的?又为被踢出九大行星之列?这背后的原因究竟是什么?






 



前言




你好,欢迎每天听本书,今天为你解读的书是《那颗星星不在星图上》。



猛一听到书名,你可能会有点儿奇怪这书是讲什么的呢?别着急,结合书的副标题你就明白了。这本书的副标题是寻找太阳系的疆界,对,它讲的就是人类向外探索,寻找太阳系疆界的过程。



说到探索太阳系,你可能会有点不屑这不是小学知识吗?我们小学时就知道水金地火木土天海八大行星,也知道冥王星被降级成了矮行星。这有什么好讲的?



如果这么想,就把这事儿想简单了。要知道从开始观测星空,一直到公元1781年,这中间长达数千年的时间里,人类认知范围内的行星都很少水星、金星、火星、木星、土星,顶多加上地球。



1781年是什么概念?英国早就开始了工业革命,美国都在打独立战争了。但直到这一年,人类对于太阳系疆界的认知,才向外拓展了一步天王星被发现了。而从1781年发现天王星,到1930年冥王星被发现,这中间又过了整整150年。



如果是一件简简单单的事情,哪会折腾人类顶尖的天文学家们这么多年?实话告诉你吧,这个过程跌宕起伏、一环扣一环,堪比武侠小说。



回到今天这本书。这本书的作者叫卢昌海,是一位著名的科普作家。他曾发表过大量的科普文章,光科普书就写过十几本。这些科普内容,主要集中在天文学和数学两个领域。今天这本《那颗星星不在星图上》,就是他在天文学领域的代表作。从2009年第一次出版到现在,虽然已经整整十年,但这本书里的内容毫不过时。其中关于太阳系构造和形成的科学理论,仍然是当今主流天文学界的共识。



人类探索太阳系疆界的过程,就是逐步扩展自身认知边界的过程。这个过程到底是什么样的呢?今天,我会用三个部分为你还原这个探索过程,并带你看看人类如何运用三种方法,一步步扩展自己的认知。



第一部分,我给你讲讲天王星是如何被发现的,在这里你会看到工具的作用。



第二部分,我会为你讲讲发现海王星的故事,它能让我们深刻感受到科学理论的价值。



 



第三部分,我们一起看看冥王星的发现以及它为什么被降级。通过这部分,我们能理解剔除主观干扰,抽象事物内在逻辑的重要性。




 



第一部分




我们首先进入第一部分人类是如何发现天王星的?要说天王星,咱们得从它被发现前人类对于太阳系的认知讲起。



刚才说过,长期以来,人类认知范围内的行星只有五颗水星、金星、火星、木星和土星。你可能会好奇,这是为啥呢?其实很简单,因为满天繁星中的绝大多数,位置都是不变的,也就是咱们说的恒星;只有这五颗星星很特殊,它们会移动。行星的英文单词planet源自希腊文,最开始就是漫游者的意思。



几千年来,五颗行星的观念从没有变过,甚至被认为是永恒的真理。你回想一下,中国古人是如何给这五颗行星命名的?对,金、木、水、火、土,直接和阴阳五行联系在一起了。这样命名除了蕴含天人合一的观念外,也体现了古人对行星数量五这个数字的神秘解读。



直到近代哥白尼提出日心说,地球被贬为一颗行星后,太阳系行星的数字才从五变成了六。但地球毕竟不算个新发现,所以一直以来,不存在其他行星的观念根深蒂固,连天文学家都把它当作不言而喻的事实。



但是,事情在1781年3月13日发生了变化。



让事情发生变化的主人公,是英国的天文学家赫歇尔。那天晚上,酷爱观测的赫歇尔像往常一样,打开自己手工制作的望远镜,开始了巡天观察。



在观测过程中,赫歇尔意外地在镜头里,发现了一个略带圆面的新天体。这个细节引起了赫歇尔的注意。因为恒星是不会在望远镜里留下圆面的,所以这一定不是一颗普通的恒星。于是赫歇尔更换望远镜的镜片,把放大倍率从227倍增加到460倍,再增加到932倍。结果发现,这个天体边缘的圆面在镜头里被等比例的放大了。这进一步证实了赫歇尔的判断。因为恒星即使在更大的放大倍率下,也不会有被等比例放大的圆面。奇怪,这究竟是个什么天体呢?



四天后,赫歇尔再次追踪到这个天体。意外地发现,它和四天前不在一个位置。能移动,还不是恒星,赫歇尔的第一反应是自己发现了一颗彗星。



这颗新彗星引起了其他天文学家的兴趣,大家立即投入对它的观测。很快,随着观测数据的完善。天文学家得出了一个让人吃惊的结论这个天体不是彗星。



一方面,它绕太阳运行的轨道接近于圆形,而彗星的轨道则是接近抛物线的形状;另一方面,它的个头很大,是地球直径的四倍左右。如此近圆形轨道上运行着一个如此巨大的天体,它不可能是彗星,而只有一种可能它是一颗行星。



就这样,太阳系第七大行星被发现了。它就是我们现在熟知的天王星。几千年来,人类认知范围内太阳系的疆界,第一次得到了扩展。



听到这里,可能你会好奇:天文学家那么多,为啥是赫歇尔发现了天王星呢?哎,这就要提到我们说的扩展认知的第一个方法利用外部工具。



别看赫歇尔只是一位天文学的业余爱好者,而且是在家里观测,但是他手里,拥有当时各国天文台都羡慕的杀手锏超强望远镜。毫不夸张的说,赫歇尔制作望远镜的水平在当时独步天下。举个例子,他做出的最强的望远镜的放大率高达2010倍,而当时英国皇家天文台最好的望远镜也只有270倍。几乎相差一个数量级,你想想这是什么概念。



从这个角度,我们就不难理解为什么是赫歇尔发现天王星了。历史上确实有人在赫歇尔之前,观察到过天王星。但无一例外的,他们都没有意识到这不是一颗恒星,而是一颗绕太阳公转的行星。



原因很简单,他们没有赫歇尔这样强大的望远镜。还记得咱们刚才说的发现天王星的过程吗?赫歇尔在镜头中,直接就发现了新天体的圆面,而且先后更换几种不同的镜片,发现新天体边缘的圆面被等比例的放大了。在静态条件下就发现了天王星和恒星的区别,这是其它天文学家做不到的。正是这个原因,引导他跟踪观测,发现新天体会移动。而这,正是天王星被发现的关键线索。看到其他人看不到、看不清的东西,这就是望远镜这个工具的力量。是它,成就了赫歇尔的美名。



 



 



 



好,总结一下这部分的内容。依托于强大的观测工具望远镜,人类在1781年发现了天王星,认知范围内太阳系的疆界第一次得到扩展。千百年来,制造工具能力的提升,促使人类认知边界的不断扩展。望远镜,让人在更宏观的尺度上认识世界;显微镜,在相反的方向,让人在微观层面扩展认知。这两者,是人类利用工具扩展认知的最典型的例子。而这样的工具,实在是太多太多。




 



第二部分




在发现天王星的欣喜之余,天文学家们很快陷入了深深的疑惑。而这个疑惑,直到65年后,也就是1846年发现海王星才被解决。这就是我们接下来第二部分的内容海王星的发现。



天王星被发现之后,摆在天文学家面前的任务就是计算它的轨道。很快,计算就完成了。但是没过多久,发生了一件让所有人都大跌眼镜的事情天王星出轨了。本该照常运转的天王星,偏离了人们计算出的轨道。



起先,天文学家们没有太在意,以为是自己的计算不够精确。毕竟天王星刚发现不久,数据太少,计算不精确很正常嘛。于是结合更多的观测数据,天文学家重新完成了计算。天王星的运转轨道又和人们的计算结果,完美一致了。



这下该万事大吉了吧?不,调皮的天王星偏不让人省心。因为很快,人们发现天王星又出轨了。没办法,天文学家们只能在疑惑中,重新计算。



而这,还只是个开始。在此后几十年里,整个天文界都陷入了天王星出轨、重新计算轨道,出轨、重新计算轨道的循环。每次新的计算结果出来没两年,天王星就会重新偏离轨道。而且更可气的是,偏离的幅度还越来越大,甚至逐渐大到了难以用重新计算来弥补的程度。



让我们设想一下,摆在天文学家面前的可能性都有哪些:第一,可能是之前的天文学家集体昏了头,他们记录的观测数据有问题;第二,天王星受到了其他天体的影响,导致轨道出现了偏差。很显然,第一种可能性发生的概率极低,可以忽略不计。那唯一可能的解释只有一种天王星的运行,受到了其他天体的影响。



沿着这条思路,天文学家们提出来了一系列假说:有人认为,天王星是被某颗彗星撞了一下腰,从而偏离了原来的轨道;有人认为,天王星的出轨是受到了某种星际介质的影响;还有人认为,天王星存在一颗还没有被观测到的卫星,它是受到了自己卫星的影响;甚至还有人认为,万有引力定律可能不是很精准,所以计算结果存在偏差,要修正万有引力总之,天文学家们把所有可能的理由全想了一遍,但很快又都泄了气。因为这些理由看似很多,但所有的都站不住脚。



既不是彗星,也不是卫星,人们的计算也没有错,那原因是啥呢?福尔摩斯说过一句话:排除所有不可能的,剩下的那个即使再不可思议,也是事实。在排除了所有不可能的假设后,天文学家们不约而同的把目光投向了一种看似不可能的假设天王星外还存在一颗行星,是它的引力作用让天王星的轨道发生了偏转。



当然,理论假设还需要现实观测的验证,更何况是这样一个异想天开的假设。可问题是,去哪儿寻找这颗未知的行星呢?一方面,它距离太阳比天王星还要远,很可能非常暗淡;另一方面,因为它比天王星更靠外,公转的周期更长,移动的速度自然也更慢。所以,不仅搜寻起来极其困难,要判断它是一颗行星更是难上加难。也因此,这样一个看似意义非凡的工作,各国的天文台都不愿意干。风险实在太高了,辛苦付出后很可能是竹篮打水一场空。



既然观测这条路走不通,那还有没有其他的路呢?还真有,就是通过纸和笔,计算出这颗新行星。显然,这是非常困难的。



我们可以思考一下,这个任务就是说:已知天王星的运行数据,求另一颗未知行星。除了中间看不见、摸不着的引力作用,两颗隔着好几十亿千米的行星,完全八杆子打不着,难度可想而知。



具体怎么算呢?首先,我们要通过天王星出轨的方式,反推这颗新行星的各项参数,比如说它的质量、轨道半径、轨道形状、与天王星的相对角度等;无法反推的,尽可能进行合理的猜测;然后,利用反推或猜测得到的数据,计算出新行星对天王星的影响。因为有的数是猜的,当然就会不准确。所以,只要计算结果和现实观测到的不一致,就说明计算或者猜的不对,就得修正各项参数重新算。这样反复很多次,才能得到最终的结果。别忘了,那时候还没有计算机,所有的计算都要靠纸和笔完成。明白了吧?不仅需要丰富的天体力学知识,还要有高超的计算能力,同时还得有超常的耐力、毅力和细致程度。想想就让人头大。



不过纵观历史,人类从不缺乏天才和勇气。天难的事情,自然有天才去挑战。而且幸运的是,接受挑战的天才还不只一个,而是两个。



这两个天文学家一个是英国人,叫亚当斯;一个是法国人,叫勒维耶。两人都付出了极大的努力,经过反复计算,独立计算出了结果。亚当斯选择把结果和极少数英国天文学家私下分享,而勒维耶则在1846年8月底,将自己的计算结果公布了出来。



消息一出,立刻引起轰动。依靠计算确定了新行星的位置,这可真是个了不起的成就,但和我们刚才说的一样勒维耶收到了来自各方的赞美,但一旦涉及动用设备去寻找新天体,各天文台又变得支支吾吾、推三阻四。毕竟靠纸和笔计算出遥远天体的位置,怎么看都是一件很荒诞的事情。



几经辗转,勒维耶获得了柏林天文台的天文学家伽勒的支持。1846年9月23日的晚上,伽勒和他的同事达雷斯特共同展开了搜索。他们的方法很妙将观测结果逐一和前人绘制的星图做对比,只要发现不在星图上的,那很可能就是要寻找的新天体。于是两人分工合作,伽勒将观测到的天体一颗一颗报出来,达雷斯特在星图上一颗一颗确认,找到一颗就排除一颗突然,在伽勒报到一颗暗淡天体时,达雷斯特兴奋地喊了出来:那颗星星不在星图上。对,就是我们这本书的书名。很快,发现新行星的消息席卷整个天文界。



经过确认,这颗新天体被命名为海王星,它是太阳系的第八大行星。从1781年到1846年,历经65年,人类认知范围内太阳系的疆界,再次被扩展。



这个傲人的胜利,除了属于不懈努力的天文学家亚当斯和勒维耶,以及通过观测找到了海王星的伽勒和达雷斯特外,更要归功于它背后的科学理论牛顿力学。依靠这套理论简单的几条定律,仅仅通过一个已知天体,竟然就能间接发现另一颗远在几十亿千米之外,没有任何观测数据的未知天体,而且还能将它的位置计算到如此精密的程度。这绝对是一个前所未有的壮举,难怪很多天文学家认为这是牛顿力学最伟大的一次胜利。更神奇的是,在这套理论中,小到我们身边物品的位置改变,大到宇宙天体的运行,一切都能获得近乎完美的解释。不得不让人感叹科学理论的巨大力量。



 



好,总结一下这部分的内容。这一部分,我们讲了太阳系的第八大行星海王星的发现过程。作为一颗靠纸和笔算出来的行星,海王星的发现,不管是从人类探寻太阳系疆界的角度,还是人类自身认知扩展的角度来说,都是一次巨大的革命。自从现代科学诞生以来,不管是牛顿力学,还是爱因斯坦的相对论,又或是量子力学,这样的革命一次次发生,从而停止过。




 



第三部分




接下来,我们进行第三部分的解读冥王星的发现,以及它被降级的前因后果。通过这个部分,你会理解人类扩展认知的第三个方法剔除主观因素,寻找事物的内在逻辑。



海王星被发现之后,天王星的出轨之谜得到了解释。喜欢捣乱的天王星,终于变得安分。但是这次,天文学家们不干了。



因为靠纸和笔发现海王星的成就实在太令人心醉了,以至于之前一直追求观测和计算结果一致的天文学家们,反而开始盼望观测和计算不一致。因为只有这样,才能证明还存在其它行星,才能重现发现海王星这样的伟大成就。于是,天文学家们开始鸡蛋里挑骨头他们不仅怀疑天王星仍在出轨,而且怀疑海王星也不老实。



我们都知道,任何东西都是存在误差的。行星轨道的观测和计算也是如此,计算结果和观测数据不可能百分之百相符。只要误差足够小,就是完全正常的。天王星之前的出轨之所以反常,是因为它远远超出了人类计算和观测的误差范围。而现在,在海王星被发现之后,天王星剩余的出轨已经完全在误差的范围之内,没有进一步引申的空间了。但一些天文学们偏不这么想他们把这些误差也当作新行星的影响,立志要把这颗新行星找到。



于是,距离海王星的发现仅仅过去两年,就有天文学家预言了一颗海外行星。随后,更多的天文学家卷入预言海外行星的行列。一时间,外太阳系几乎成了计算天文学家的练兵场,甚至有的人一下子能预言三四颗新行星。但是和亚当斯、勒维耶不同,这些人的计算,依靠的都是无中生有的假设,所以他们预测的新行星的各项数据,比如说数量、质量、轨道全都是五花八门,没有一个靠谱。



这其中,最著名的是一位美国天文学家,名字叫罗威尔。拿现在的眼光看,罗威尔是个大奇葩。和其他天文学家的严谨不同,他热衷于研究各种稀奇古怪的东西,比如火星人、火星运河。他对天文学的主要贡献,就是出资建立了著名的罗威尔天文台。而这个天文台早期的一个主要任务,是观测火星运河。



除了研究这些不靠谱的东西,罗威尔也相信新行星的存在。他把生命的最后时刻,全部用在了对新行星的计算和观测上。但很遗憾,他的付出并没有获得回报。1916年,带着遗憾,罗威尔离开了人世。



不过毕竟是罗威尔亲手创办的,罗威尔天文台没有忘记罗威尔的遗愿。他们专门招聘了一位观测助理,继续从事新行星的搜索。从1929年4月开始,这名叫作汤博的年轻人,正式走上了寻找海外行星的征途。



最终,经过整整十个月的辛苦观测,汤博得到了回报。1930年3月13日,罗威尔天文台向外宣布发现新行星的消息。很快,这颗新发现的天体被命名为冥王星。



欣喜之余,问题也随之而来。和其他行星相比,冥王星是个奇怪的家伙它的轨道的椭率和倾角都是创纪录的。一方面,它运行的轨道很扁,有时候距离太阳特别远,有时候距离太阳比海王星还要近;另一方面,它的轨道倾角很大,大多数时候都是远离黄道面的。这里咱们稍微解释一下:黄道面,就是地球围绕太阳公转的轨道平面。其他行星的轨道基本也都在这个平面上,唯独冥王星差得很远。更让人意想不到的是,冥王星比人们预想的要小得多。不过如果不算彗星的话,冥王星毕竟是太阳系里,人类在海王星外发现的唯一天体。所以虽然奇葩,它还是被当作第九大行星看待。



但接下来一系列的发现,逐步把冥王星打入了谷底。我挑几个重要的发现来说:



第一个重大发现出现在1978年,冥王星的质量第一次得到确认还不到月亮的1/5,只相当于地球质量的0.21%。也就是说,500个冥王星,才大概和地球一般重。这让所有人大跌眼镜,这也太轻了吧?



更致命的打击紧随其后从1992年开始,人们陆续在海王星外发现一系列新天体。它们有大有小,其中像创神星、妊神星、死神星、鸟神星尺寸都远远超过最大的小行星,只比冥王星略小一点。这样,冥王星就不再是海王星外唯一的天体了,它的附近还有数不清的其它天体。而这块区域,就是我们现在常说的柯伊伯带。



压垮骆驼的最后一根稻草,出现在2005年。美国天文学家在柯伊伯带发现了一颗比冥王星还要大的天体阋神星。这个阋是门字里加一个儿子的儿的繁体,汉语里是争吵的意思。天文界一下子炸开了锅。冥王星不仅不再是海王星外唯一的天体,连最大的都不是了。



现在问题来了:如果冥王星算行星的话,那比它大的阋神星也该算行星,和它差不多大的一堆天体也该算行星。凭什么只有冥王星算行星呢?所以,要么开除冥王星的行星资格,要么把和它差不多大的天体也都定义为行星。但不管怎样,延续了半个多世纪的九大行星的基本格局都会受到破坏。



就这样,天文学家们开始重新审视一个很基本的问题到底什么是行星?经过反复讨论,国际天文联合会最终对行星的定义做出了修改。新定义增加了一条行星要扫清自己轨道附近的区域。就这样,冥王星因为身处柯伊伯带,没有扫清附近的轨道,被降级成了矮行星。



关于冥王星被降级这个事,很多人反对。但是在我来看,这是天文学发展的必然。为啥这么说呢?下面我说说我的看法。



人类认识事物,都是从分类和命名开始的。一开始,这里面会有很多主观因素。但随着认识的深入,我们会选择更精确的方式来分类。比如,最开始,我们会因为外形相似,把鲸鱼当成鱼类;但现在我们知道鲸鱼不是鱼类,而是属于哺乳类动物。天体的分类和命名,也是这个道理。



最开始,我们把看到的会绕着太阳转的天体都称为行星,这完全是基于主观经验。随着观测水平的提高,人们根据天体的大小和其他条件,拆分出行星、小行星的概念。虽然也还不精确,但已经尝试抛开主观经验,从天体本身来考虑问题了。再后来,人们又对天体做进一步的拆分,例如把行星划分为类地行星,也就是和地球一类的行星,比如水星、金星;类木行星,也就是和木星相似的行星,比如土星。同样的,矮行星也进行分类,细分出类冥天体,就是和冥王星相似的天体这些分类,进一步剔除出了人的主观因素,完全是从天体自身构成、形成机制的角度来进行的。这样,有利于我们进一步探索太阳系和宇宙形成的奥秘。



你看,随着主观因素逐步被剔除,天体的分类和命名方式不断被优化。伴随着这个过程,人类逐渐透过表面,开始深入到形成机制的角度来思考问题,对外部世界的认知也不断被扩展。



其实不止是天文学,抛开主观臆断来定义事物的现象,在其他领域也屡见不鲜。比如说度量衡方面,过去衡量长度的单位五花八门,完全是人的随意规定;而现在,全世界通用的长度单位是米。米是怎么来的呢?1米等于赤道到北极距离的1/1000万。它的长度不受任何人的影响。除了米之外,国际单位制中的其他六大基本单位,也都不再依托具体的实物和随意的主观规定,全部由自然界的常数定义或推导而来。这是个必然的趋势。



 



好,总结一下这一部分的内容。冥王星被降级成矮行星,是天文学发展的必然。抛开主观干扰,寻找事物的内在逻辑,是优化人类对外部世界认知的有效方法。这种定量化、抽象化的思维方式,是科学思维的重要特征。




 



总结




到这里,这本《那颗星星不在星图上》的精华内容,就为你解读完了。



回顾一下,我们一共讲了三部分的内容。第一部分,通过超强望远镜发现天王星的故事,我们了解了人类扩展认知的第一个方法利用外部工具;第二部分,通过用纸和笔计算出海王星的故事,我们了解了人类扩展认知的第二大方法建立科学理论;第三部分,通过冥王星的发现以及被降级的过程,我们理解了人类扩展认知的第三个方法剔除主观干扰,寻找事物的内在逻辑。



音频最后,我想为你分享原书里的一段话:



 



有关太阳系疆界的故事在这里就要和你说再见了,但人类探索太阳系疆界的事业却远未结束。这样的事业有一个美丽的名字叫科学,她值得人们去做永生的探索。



撰稿:耿利杰

脑图:摩西脑图工作室

转述:徐溟旭




 


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