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18和19世纪没有宇宙探测器 科学家如何发现天王星和海王星?

日期: 2021-06-28
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来源:凤凰新闻20210617

在没有深空探测器和宇宙飞船的18世纪和19世纪,正是天文学家对已有科学知识的总结,大胆的观测,不断地计算数据和纠正结论,让天文学家对天王星和海王星有了相对初步和而全面的认识。

自古以来,人类对于宇宙的探索就从来没有停止。就拿人类对太阳系的探索而言,早在远古时期,我们就已经知道了太阳系的主要行星——水星、金星、火星、木星和土星的存在,古希腊天文学家托勒密提出的“地心说”就认为:太阳和“金木水火土”这五颗行星围绕地球旋转。到了15世纪,天文学家哥白尼提出了著名的“日心说”理论:水星、金星、地球、火星、木星和土星围绕太阳旋转。

18和19世纪没有宇宙探测器 科学家如何发现天王星和海王星?

“日心说”(左)和“地心说”(右)

从日心说的诞生到18世纪工业革命时期,天文学界形成了一个共识:太阳系只有6颗行星:“金木水火土”和地球,但天文学家并没有停止对太阳系其他行星的探索。虽然18世纪和19世纪,人类还没有研发出深空宇宙探测器,但人类的科学家就在18世纪和19世纪这个工业革命蓬勃起步的时代里,以自己的智慧发现了天王星和海王星的踪迹。

那么,在没有深空探测器,工业革命又取得快速发展的18和19世纪,科学家是如何找到天王星和海王星的踪迹呢?

18和19世纪没有宇宙探测器 科学家如何发现天王星和海王星?

红外线下的天王星照片


人类如何发现天王星?

第一,在英国天文学家威廉赫歇尔之前,其他国家的科学家就已经发现了天王星的踪迹。只不过,这些科学家认为天王星是恒星而不是行星。虽然这些科学家对天王星的认识和实际情况(天王星为太阳系第七大行星)相差较大,但这些科学家的发现为后来威廉赫歇尔探索天王星的性质埋下了伏笔。

早在威廉赫歇尔之前,其他科学家就已经发现了天王星的踪迹。1690年,天文学家弗兰斯蒂德在望远镜中发现了天王星,由于观测手段有限,弗兰斯蒂德认为天王星是金牛座的恒星。1750年到1759年,法国天文学家ierreLemonnier在1750至1769年对天王星的踪迹进行了至少12次观测。虽然这些天文学家没有确认天王星是太阳系的第七大行星,但他们却为赫歇尔对天王星的观测埋下了伏笔,提供了相对客观的线索和参考资料。有了其他天文学家多天王星的探索,威廉赫歇尔就能沿着前辈的足迹探索天王星的奥秘。

18和19世纪没有宇宙探测器 科学家如何发现天王星和海王星?

弗里德里希·威廉·赫歇尔(1738年11月15日—1822年8月25日),英国天文学家


第二,威廉赫歇尔本人对天王星进行了长期的观测和探索,但他对天王星的认识存在一个由浅入深的过程,中间经历了多次的纠正。

1781年3月13日,威廉赫歇尔观测到了天王星。1781年4月26日,赫歇尔在最早的一份报告中认为,他天王星可能是“彗星”。他还在学报中记录“在金牛座Zeta星90度的位置,有一个星云一样的恒星或彗星。”即便赫歇尔将报告提交给英国的皇家学会,赫歇尔仍然在公开场合认为,自己发现的天王星是彗星,而非行星。

赫歇尔发现“彗星”的消息被英国天文学家马斯基林知晓,赫歇尔告诉马斯基林,自己发现了“彗星”,但马斯基林却在回信中以严谨的口气对赫歇尔说:“我不知道该怎么称呼它(天王星),它在圆形的轨道上移动,而彗星是在椭圆形的轨道上移动的,我也没有发现它的彗发和彗尾。”马斯基林希望赫歇尔能够以对科学严谨的态度论述自己的发现。

18和19世纪没有宇宙探测器 科学家如何发现天王星和海王星?

马斯基林(Maskelyne,Nevil)英国天文学家

除了马斯基林,欧洲其他国家的天文学家也纷纷质疑赫歇尔认定天王星是彗星的结论。芬兰天文学家莱克赛尔认为,这颗新发现的行星距离太阳的距离是地球到太阳距离的18倍。德国天文学家约翰·伯得认为,赫歇尔发现的天体有点像恒星,但其很有可能是没有被发现的行星。

到了1783年,法国天文学家拉普拉斯经过观测认为,赫歇尔发现的新星球为行星。赫歇尔向英国皇家学会主席班克斯承认,自己发现的是太阳系中之前不为大家知晓的新行星。

18和19世纪没有宇宙探测器 科学家如何发现天王星和海王星?

红外线下的海王星

天文学家如何发现海王星?

第一,必须指出的是,海王星的发现离不开牛顿万有引力定律的指导。法国天文学家布瓦尔正是通过万有引力定律,对天王星实际轨道和数学计算轨道的误差进行大胆的猜测求证,认为天王星外侧的宇宙空间还有一颗体型巨大的行星,以引力干扰天王星的公转,为海王星的发现埋下了伏笔。

牛顿是英国近代的著名物理学家,他提出的很多物理学理论改变了人类对运动的认识。1687年,牛顿在《自然哲学的数学原理》提出万有引力定律,牛顿指出:任何物体之间都存在引力。牛顿的万有引力定律诞生之后,科学家遵循万有引力定律展开了一系列的科学探索和试验。而海王星的发现就是牛顿万有引力定律在天文学方面的一次成功运用。

18和19世纪没有宇宙探测器 科学家如何发现天王星和海王星?

艾萨克·牛顿(1643年1月4日—1727年3月31日),英国著名的物理学家

1821年,法国天文学家布瓦尔出版了天王星的轨道表。按照科学家的严谨,经过数学公式计算和观测测算出来的天王星轨道参数是没有问题的。但实际上,布瓦尔通过自己的观测发现了一个秘密:天王星的公转轨道和布瓦尔测算出的理论轨道有一定差距,这就让布瓦尔百思不得其解,难道天王星受到了附近某个星球的引力影响,导致其公转的轨道和计算出来的轨道有一定差距?这颗星球是否为人类没有发现的太阳系新行星?

正是布瓦尔发现的天王星公转轨道的异常,让天文学家对天王星轨道异常背后更深的科学道理进行探索,为天文学家发现海王星的踪迹埋下了伏笔。

18和19世纪没有宇宙探测器 科学家如何发现天王星和海王星?

约翰·柯西·亚当斯,英国天文学家

第二,英国天文学家亚当斯继布瓦尔之后继续探索太阳系可能存在的第八颗行星的轨道,逐渐拉开了多国天文学家联合发现海王星踪迹的序幕。海王星的发现是多国天文学家共同努力的功劳。

到了1843年,英国天文学家亚当斯通过计算,算出了可能影响天王星公转的太阳系第八颗行星的轨道,亚当斯将计算结果告诉了英国皇家学会的天文学家乔治艾里。乔治艾里想询问有关新行星轨道的问题,但亚当斯没有回复乔治艾利的疑问。

与此同时,英国天文学家约翰·赫歇尔(和发现天王星的赫歇尔并非同一人)以数学的方法不断的搜索新行星的踪迹,法国天文学家勒威耶让在柏林天文台工作的德国天文学家约翰·格弗里恩·加勒对新行星的踪迹进行探索。最终,德国天文学家达赫斯特和加勒一起,发现了海王星的踪迹。

当然,海王星的发现还是归功于法国天文学家布瓦尔对天文学轨道的计算和研究,如果没有他发现天王星的轨道出现异常,也就不会有后来各国天文学家以不同的方式计算海王星的轨道,最终找到海王星。

18和19世纪没有宇宙探测器 科学家如何发现天王星和海王星?

海王星及其卫星影像

总而言之,在没有深空探测器和宇宙飞船的18世纪和19世纪,正是天文学家对已有科学知识的总结,大胆的观测,不断地计算数据和纠正结论,让天文学家对天王星和海王星有了相对初步和而全面的认识,各国天文学家在发现天王星和海王星这两颗行星中所体现出的对科学追求永无止境的探索精神值得我们当代人学习践行。

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