作者

盧昌海

美國哥倫比亞大學物理學博士，科普作家，任職於IT行業。著有《包立的錯誤》、《後人類時代》等科普專著，在物理和天文領域上有諸多貢獻。

目錄

序
自序
引言
Chapter 01遠古蒼穹
Chapter 02樂師星匠
Chapter 03巡天偶得
Chapter 04命運弄人
Chapter 05虛席以待
Chapter 06失而復得
Chapter 07名分之爭
Chapter 08軌道拉鋸
Chapter 09眾說紛紜
Chapter 10數學難題
Chapter 11星探出擊
Chapter 12三訪艾里
Chapter 13殊途同歸
Chapter 14劍橋夢碎
Chapter 15欲迎還拒
Chapter 16生日之夜
Chapter 17名動天下
Chapter 18軒然大波
Chapter 19握手言和
Chapter 20祕密檔案
Chapter 21先入之見
Chapter 22火神疑蹤
Chapter 23無中生有
Chapter 24歧途苦旅
Chapter 25農家少年
Chapter 26寒夜暗影
Chapter 27大小之謎
Chapter 28深空隱祕
Chapter 29巔峰之戰
Chapter 30玄冰世界
Chapter 31冥王退位
Chapter 32疆界何方
附錄 冥王星沉浮記
術語表
參考文獻

試閱

Chapter 01

遠古蒼穹

　　很多故事都會用「很久很久以前」作為開始，彷彿久遠的年代是成就一個好故事的要素。現在讓我們也從「很久很久以前」開始，來講述人類尋找太陽系疆界的故事吧。

　　在很久很久以前，一群古希臘的牧羊人孤單單地生活在遼闊的原野上。他們白天與羊群為伍，在原野上漫遊，夜晚則與星空為伴，期待黎明的到來。漸漸地，他們注意到在黎明之前，在晨光漸露、太陽即將躍出地平線的時候，天邊有時會出現一顆閃爍的星星。與多數星星不同的是，那顆星星的位置會一天天地變化，有時甚至會連續一段時間不出現。他們把這顆出現在黎明時分的星星叫做「晨星」（morning star）。細心的牧羊人還注意到，在黃昏時分，在日沉大地、暮色四合的時候，天邊有時也會出現一顆閃爍的星星，它的位置也會一天天地變化，有時也會連續一段時間不出現。他們把那顆出現在黃昏時分的星星叫做「晚星」（evening star）。後來人們用希臘及羅馬神話中的太陽神阿波羅（Apollo）表示晨星，用希臘或羅馬神話中的信使赫密士（Hermes）或墨丘利（Mercury）表示晚星。很多年之後，人們意識到晨星和晚星實際上是出現在不同時刻的同一顆星星，據說畢達哥拉斯（Pythagoras）是最早意識到這一點的人。在群星之中，這顆星星的位置變化最為顯著，往來如梭，彷彿天空中的信使，信使墨丘利便成了它的名字。

　　像這樣的小故事在人類文明的幾乎每一個早期發源地都曾有過。那時的人們就已經知道，在浩瀚的夜空中，多數星星的位置看上去是固定的，像晨星（晚星）這樣會移動的星星是十分少見的。這樣的星星被稱為行星，它的英文名planet來自希臘文πλανήτης（planētēs），其含義是漫遊者。遠古人類所發現的行星共有五顆。這個數目在長達幾千年的時間裡從未改變過，甚至一度被認為是永恆不變的真理。在東方的中國及深受中華文化影響的其他東方國家如日本、韓國及越南，人們將五顆行星與陰陽五行聯繫在一起，並以此將它們分別命名為水星（即上面提到的墨丘利（Mercury）），金星（在西方世界中被稱為維納斯（Venus），她是羅馬神話中掌管愛情與美麗的女神），火星（在西方世界中被稱為瑪爾斯（Mars），他是羅馬神話中的戰神），木星（在西方世界中被稱為朱庇特（Jupiter），他是羅馬神話中的眾神之王）和土星（在西方世界中被稱為薩圖恩（Saturn），他是朱庇特的父親，是羅馬神話中掌管農業與收穫的神）。很明顯，這種命名方式除了造成命名作用外，還代表了古代東方文化對行星數目「五」的一種神祕主義的解讀。類似的解讀方式不僅存在於東方，也存在於西方；不僅存在於古代，也存在於近代。哥白尼（Nicolaus Copernicus）的日心說提出之後，地球本身也被貶為了行星，行星的數目由「五」變成了「六」。對此，著名的德國天文學家克卜勒（Johannes Kepler）提出了一個幾何模型（圖1），試圖將天空中存在六顆行星與三維空間中存在五種正多面體這一幾何規律聯繫在一起。

　　諸如此類的對行星數目的神祕主義解讀雖然並沒有什麼生命力，但除了因日心說導致的地球地位變更外，行星數目的長期不變卻是不爭的事實。一百年、兩百年……一千年、兩千年……，這個數目是如此的根深蒂固，天文學家們大都將之視為不言而喻的事實了。他們也許做夢也沒想到，這個數目有一天竟然也會改變。這一天是一七八一年三月十三日，改變這個數目的是生活在一座英國小鎮的一位業餘天文學家，他的名字叫做赫雪爾（William Herschel）。他發現了太陽系的第七顆行星，從而成為幾千年來發現新行星的第一人。赫雪爾的發現出乎了包括他自己在內的所有人的意料，這一發現不僅為他本人贏得了永久的榮譽，也將觀測天文學帶入了一個嶄新的時代，一個由赫雪爾「無心插柳」而開啟的天文學家們「有心栽花」的時代，人類從此開始了尋找太陽系疆界的漫漫征途。

Chapter 02

樂師星匠

　　赫雪爾的一生非常出色地實踐了兩種截然不同的職業，其中最出色的職業——天文學家——不僅出現在對常人來說很難有開創性成就的後半生裡，而且從某種意義上講，就像他對新行星的發現一樣，是一個無心插柳的故事。

　　赫雪爾於一七三八年十一月十五日出生在當時屬於英王領地的德國中北部城市漢諾威（Hanover）的一個音樂之家。赫雪爾具有很高的音樂天賦，他十四歲就參加樂隊，不僅擅長多種樂器，而且還能獨立作曲，他親自創作的交響曲和協奏曲就有幾十首之多。一七五七年秋天，十九歲的赫雪爾移居到了英國，以演奏及講授音樂為生。

　　赫雪爾的音樂成就以常人的標準來衡量應該說是頗為可觀的，但放在他的簡歷中，卻無可避免地要被他巨大的天文成就所淹沒。不過他在英國的音樂生涯中有一件事情值得一提。那是在一七六〇年代中期，當時英國的教會剛剛開始引進風琴，需要招募一批風琴演奏者，年輕的赫雪爾也參加了一個風琴演奏職位的競逐。當時的競爭頗為激烈，而赫雪爾在風琴演奏上並無經驗。但他敏銳地發現當時英國教會引進的風琴與歐洲大陸的風琴相比有一個缺陷，那就是缺少控制低音部的踏板。為了彌補這一缺陷，聰明的赫雪爾對兩個低音琴鍵進行了改動，從而演奏出了通常需要低音踏板的配合才能演奏出的低音部。他的表演不僅贏得了評審的一致讚賞，而且讓他們深感神祕（當然，他順理成章地成為了優勝者）。赫雪爾在這一競爭中顯示出過人的動手及設計能力，將為他日後的天文生涯立下汗馬功勞。

　　一七六六年，赫雪爾遷居到了英國西南部的一座名叫巴斯（Bath）的小鎮，在一所教堂擔任風琴演奏師，開始了他在那裡長達十六年的生活（圖2）。這座當時人口僅有兩千的觀光小鎮因而有幸見證了赫雪爾一生最輝煌的工作。在巴斯期間，赫雪爾的音樂生涯達到了巔峰，他不僅是風琴演奏師，而且還擔任了當地音樂會的總監，並開班講授音樂課程。一七七二年，收入已頗為殷實的赫雪爾給他母親寄去了足夠雇一位傭人的錢，從而把他妹妹卡洛琳（Caroline Herschel）從母親為她安排的枯燥繁重的家務勞動中解救了出來，並接到巴斯。

　　與赫雪爾一樣，卡洛琳也是一位頗有音樂天賦的人，但她一生注定要跟隨哥哥去走一條未曾規劃過的道路。在接卡洛琳到巴斯之前，已成為鎮上知名音樂家的赫雪爾潛心學起了數學。赫雪爾學數學的本意是想多瞭解一些和聲的數學機理，從而加強自己的音樂素養。但結果卻因學數學而接觸了光學，又因接觸光學而對天文學產生了濃厚的興趣，最終走上了一條業餘天文學家之路。而卡洛琳則成為了他在天文觀測上不可或缺的助手。

　　赫雪爾所走的這條業餘天文學家之路，不僅為他自己走出了一片絢爛的天地，也成就了業餘天文學的一段——也許是最後一段——黃金歲月。十八世紀的許多職業天文學家過分沉醉於由牛頓（Isaac Newton）所奠定，並經歐拉（Leonhard Euler）、拉格朗日（Joseph Louis Lagrange）、拉普拉斯（Pierre Simon Laplace）等人所改進的輝煌的力學體系之中。他們熱衷於計算各種已知天體的軌道，以此檢驗牛頓力學，同時也為經緯及時間的確定提供精密參照。在一定程度上，當時的許多職業天文學家變得精於驗證性的計算，卻疏於探索性的觀測。在這種情況下，自赫雪爾之後半個多世紀的時間裡，業餘天文學家們對天文學的發展起了重要的補充作用，這一時期天文學上的許多重大的觀測發現就出自他們之手。

　　常言道：「工欲善其事，必先利其器。」對天文觀測來說，必備的工具是望遠鏡。由於當時高質量的望遠鏡極其昂貴，赫雪爾決定自己動手製作望遠鏡（也順便可以實踐因學數學而接觸的光學知識）。望遠鏡的問世是在十七世紀初，其確切的發明者現已無從追溯，但德國裔荷蘭人利普歇（Hans Lippershey）於一六〇八年最早為自己製作的望遠鏡申請了專利，從而留下了文字記錄，因此人們一般將他視為望遠鏡的發明者。一六〇九年，科學巨匠伽利略（Galileo Galilei）在得知了有關望遠鏡的消息後，很快製作出了自己的望遠鏡。伽利略製作的望遠鏡在結構及放大率上都大大優於包括利普歇在內的同時代人製作的望遠鏡。並且他也是最早將望遠鏡用於天文觀測的人。通過望遠鏡，伽利略獲得了一系列前所未有的天文發現，其中包括發現月球上的環形山、太陽黑子及木星的四顆衛星（現在被稱為伽利略衛星）等。不過伽利略所用的是折射望遠鏡，這種望遠鏡由於透鏡（主要是物鏡）所具有的色差等當時技術難以消除的效應而無法達到很高的放大率。十七世紀後期，另一位科學巨匠牛頓發明了反射望遠鏡，用反射面替代了折射望遠鏡中的物鏡，從而避免了透鏡色差帶來的困擾。赫雪爾所製作的就是反射望遠鏡，這種望遠鏡的反射面可以用金屬製作而無需使用玻璃。

　　為了製作望遠鏡，赫雪爾將自己在巴斯的住所改造成瞭望遠鏡「夢工廠」：客廳被用來製作鏡架與鏡筒，臥室變成了研磨目鏡的場所，廚房裡則架起了熊熊的熔爐。赫雪爾細心試驗了許多不同成分的合金，最後選擇了用百分之七十一的銅與百分之二十九的錫組成的合金，作為製作反射面的材料。在製作望遠鏡期間，除妹妹卡洛琳外，赫雪爾還得到了弟弟亞歷山大（Alexander Herschel）的幫助。赫雪爾一生製作的望遠鏡有幾百架之多，不僅滿足了自己的需要，而且還透過出售望遠鏡使家庭獲得了數目不菲的額外收入。在長期的製作中，他的作坊也一度發生過嚴重的事故，導致熔融的金屬四處飛濺，幸好大家閃避及時，奇蹟般地未造成人員傷亡。

　　 一七七八年，赫雪爾的家庭作坊製作出了一架直徑六．二英吋、焦距七英呎的反射望遠鏡。這架望遠鏡在天文史上有著重要的意義，被後世稱為「七英呎望遠鏡」（圖3）。後來的檢驗表明，赫雪爾這架「七英呎望遠鏡」的性能全面超越了當時英國格林威治（Greenwich）皇家天文台的望遠鏡。赫雪爾用自己的雙手製造出了當時全世界最頂尖的觀測設備，為自己的天文觀測之路邁出了無比堅實的第一步。終其一生，赫雪爾孜孜不倦地建造著更大的望遠鏡，一次再次地刷新著自己——從而也是整個天文學界——的紀錄，他在這一領域的優勢不僅在其有生之年從未被反超過，甚至在去世之後仍保持了很長時間。

　　三年後的一個春季的夜晚，一顆略帶圓面的星星出現在了赫雪爾那架「七英呎望遠鏡」的視野裡，他一生最偉大的發現來臨了。