【物理史中的九月】1846 年 9 月 23 日:觀測證實海王星的存在

1846 年 9 月 23 日:觀測證實海王星的存在

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自APS News,2020 年 9 月)

當牛頓於 17 世紀闡述他的運動定律和萬有引力法則時,他絕沒想到他的研究有一天會導致太陽系發現了一顆新的行星:海王星。預測海王星在夜空中的位置在歷史上要歸功於法國的天文學家和數學家樂維耶(Urbain Le Verrier),但樂維耶的一位英國競爭對手亞當斯(John Couch Adams),也獨立得到相同的結論。

在那之前,也有人用望遠鏡觀測到海王星的紀錄:伽利略於 1612/1613 年,拉朗得(Jerome Lalande)於 1795 年,而最有名的是赫歇耳(John Herschel)於 1830 年,但他們當時都不知道他們所觀測到的星體是一個行星。伽利略認為他看到的是一顆恆星,也許因為他觀測到時,海王星正倒行運轉(即明顯和其他行星的運行方向相反),所以看起來像似靜止的。赫歇耳也誤認海王星為一顆恆星。

NASA/JPL
樂維耶(Urbain Le Verrier)和亞當斯(John Couch Adams)獨立地預測海王星的存在。這張海王星的照片是由太空船航海家二號最近所拍攝海王星全影像所製作。

然而於 2009 年,物理學家傑密森(David Jamieson)主張說,伽利略當年可能已懷疑那是一顆行星,因為傑密森在伽利略的筆記簿中找到一張便條,於 1613 年 1 月 28 日提到一顆「背景星」的運行,還用不同顏色加點,這些都讓傑密森認為是從早一些 1 月 6 日的草稿而來,也是伽利略追蹤它可能運行的證據。但是並沒有伽利略曾經繼續研究此星球的紀錄。

找尋可能存在的新行星於 1821 年啟動,當年法國天文學家布瓦爾(Alexis Bouvard)發表了天王星軌道的天文表,列有根據牛頓的運動和引力定律所預測行星的位置,天文學家於是開始將他們的觀測和天文表做比較,發現預測和他們實際觀測之間有些不小的差異,尤其是天王星於 1781 年被赫歇耳發現後,於 1847 年運行一完整的軌道時有明顯差異。這些差異可能因為太陽重力影響的緣故,也可能是觀測錯誤的結果,亦或是天王星的軌道被其他尚未發現的行星所干擾的證據。

樂維耶是傾向有新行星這個選項的其中一人,他出生於 1811 年,大學讀巴黎綜合理工學院(École Polytechnique),起先研讀化學,後來轉到天文學,對天體力學特別感興趣。他任職於巴黎天文台,在那裡度過他大部分的職業生涯,並於 1854-1870 年,及 1873 年直到他於 1877 年過世止,出任天文台台長。他早期研究太陽系的穩定性,以及周期彗星,後來就在物理學家阿拉戈(François Arago,1786-1853,法國數學家、物理學家和天文學家)的敦促下,將注意力轉移到天王星軌道的不規則性上面。

1846 年 8 月 31 日,樂維耶將他所預測新行星的位置呈給法國科學院,還將他的結論寫信寄給在柏林天文台的德國天文學家加勒(Johann Galle)。加勒立即將他的望遠鏡對準預測的位置,就在觀測的第一個晚上,1846 年 9 月 23 日,加勒和他的同僚在樂維耶預測位置1度的範圍內發現海王星。他們花不到 1 小時就找到,而在 17 天後,英國天文學家拉塞爾(William Lassell)則發現了海王星的衛星 Triton。

但很快地出現了爭議,正當樂維耶做他的計算時,一位英國的數學家及天文學家亞當斯也在英國做著相同的研究。亞當斯於 1819 年出生,父親是英國康瓦耳(Cornwall)的一個貧窮佃農。亞當斯起先都是自學,直到有一次偶然繼承的機會才讓他能去劍橋大學讀天文學。當他還是大學生時,他得知天王星軌道的偏差,很有可能是受到一顆新行星影響的關係。亞當斯認為他應該可以利用天王星的觀測數據,依據牛頓物理,來確定那顆懷疑中行星的質量、位置以及軌道。

亞當斯在完成學業後,在他的大學當研究員,繼續此研究,並輔導大學生的課業。他好像有跟劍橋天文台台長查利斯(James Challis)談到他於 1845 年 9 月中旬所完成的計算,但此說法並沒有得到確切的證實;而且,亞當斯並無提供計算的細節,只說他得到預測的方法而已。查利斯在那時並不認為這樣足以開始尋找假設中的星球。

1845 年 10 月,亞當斯拜訪皇家天文學家艾瑞(George Biddell Airy,1801-1892,英國數學家、物理學家和天文學家),但艾瑞不在,據說亞當斯就留了他自己解決此問題詳細計算的手稿給艾瑞。後來艾瑞回信,詢問一些專業上的說明,但亞當斯從未回覆。(這也可能是因為年輕人會拖延、缺乏組織能力的緣故。)

當艾瑞得知樂維耶的預測後,他指示查利斯去尋找假設中的星球,希望能搶在法國之前找到。亞當斯於 1845 和 1846 年提供了 6 個不同的計算結果,其中有幾個讓查利斯找錯了天空的位置。在海王星正式發現後,查利斯才想到他曾於 8 月 8 日和 12 日觀測到此顆星球,比加勒和德黑斯特(d’Arrest)他們大約早了一個月,只是,他當時不知道就是這顆星球,因為他的星圖已過時。

雖然有些人對於是誰最先預測海王星的位置有激辯,然而亞當斯於 1846 年 11 月送交英國皇家天文學會有關他自己研究的一篇論文中,勉力承認是樂維耶先提出的。

亞當斯寫道:「毫無疑問地,樂維耶最先對世人發表他的研究,讓我們真的發現了這顆行星」,悲嘆他無法說服同僚相信他的計算,「然而,我不會期待務實的天文學家會像我一樣,對我的研究結果有著相同的信心。」後來亞當斯接下查利斯成為劍橋天文台台長,直到 1892 年過世。

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