▲ 望向太空的天文台。图/视觉中国
174年前的今天，为牛顿加冕
174年前的今晚，德国天文学家约翰·加勒在望远镜中如期与一颗行星相遇了
，随即，整个天文学界都为之欢呼雀跃，
因为它是唯一一颗被人们算出来的太阳系行星：海王星。
这一天，也成为了牛顿力学最为辉煌的一天。
天王星的轨道出了问题？
1687年，牛顿撰写
的《自然哲学的数学原理》出版了
，牛顿力学从此建立
，无垠的星空仿佛一下子被照亮了。
牛顿力学有多厉害？到现在为止，以它为基础的天文学的精度之高，是所有文理学科都无法匹敌的，
我们甚至可以通过古书上出现的天象，来计算出准确的年代。
▲ 《竹书纪年》记载过：“懿王元年，天再旦于郑”，天再旦就是天亮了两次，这意味着发生了日全食，可以推算出日期是公元前899年4月21日。图/Wikipedia
自此之后，人们就一直热衷于用太阳系中的行星轨道去验证牛顿的假说。
在那个年代，想要确认一颗行星很难，因为它们看起来和恒星、彗星一样，都是一颗颗在天空中运动的亮点。
▲ 在牛顿之前，人们就发明了望远镜，图为向威尼斯大侯爵介绍如何使用望远镜。图/Wikipedia
正因为如此，在1781年天王星被发现时，人们曾误把它认成了一颗彗星。在反复地观测和计算，它的行星地位才被确认，
在考虑了木星、土星等大行星对它的影响（天文学中称为摄动）后，科学家给出了它的公转轨道和周期。
▲ 天王星发现者，赫歇尔的天文望远镜。图/Wikimedia
但是，奇怪的事情随后发生了，
1800年后，天王星的运行速度先快后慢，逐渐偏离了人们预测的位置，到1845年时，它的偏离程度已经非常之大了
——这对当时如日中天的牛顿力学，产生了不小的挑战。
▲ 天王星。图/NASA
虽然有人也因此怀疑过牛顿力学的普适性，但
大多数科学家还是想通过加入其它影响因素的方法，来解释这个“错误”
。有人把这归罪于彗星的撞击，但彗星根本不可能对这颗质量是地球14倍的大行星轨道产生如此大的影响；也有人认为这是天王星有一颗巨大的卫星在影响它，可是人们一直没能观测到这颗隐藏的卫星。
▲ 天王星的确有多达27颗的卫星，但这些卫星都非常小，最大的一颗也没有月亮的一半大。图为天王星行星环中的卫星群。图/Wikipedia
在各种猜测中，未知行星的假说逐渐脱颖而出：
会不会在天王星外面，还有一颗行星呢？
加入了外围行星的摄动，一切就都说得通了。
但是，要发现这颗潜在行星的难度相当之大：它离太阳更远，更黯淡，
在那个恒星星图尚不完善的年代，如果光靠望远镜在天空中寻找，估计几十年都找不到
，而且就算发现了，也很可能被误认为是一颗恒星。
▲ 十七世纪末的一张星图，在这张星图诞生的时候，牛顿的万有引力定律尚未提出。图/Wikipedia
于是，人们又开始计划通过摄动的效果反推出这个行星的位置，然后再观察验证。这种方法没有固定的算法，它需要计算者不断地进行假设，并根据观察结果修订假设，
这个过程讲起来容易，做起来却比登天还难，当时的大部分科学家都认为这是无法做到的。
或许正因为此，发现海王星的桂冠，最终由两位年轻的“小字辈”摘得了。
险些被错过的海王星
1846年的9月23日，柏林天文台的约翰·加勒收到了一封来自于法国人勒威烈的来信
，信中如此写到：“把您的望远镜指向宝瓶座......在这个位置1度的范围内，定能找到新的行星。”
加勒跟勒威烈关系很好，1年前，他还曾把自己的博士论文寄给勒威烈让他帮忙审阅。由于勒威烈的信里没有写计算过程，所以加勒对新行星的预测也将信将疑，不过看在朋友的份上，当天晚上他还是带上正在天文台读博的德莱斯特，打开了望远镜开始观测。
▲ 约翰·格弗里恩·加勒，按照勒维烈的预测发现了海王星。图/Wikipedia
幸运的是，德莱斯特刚好完成了对于新行星出现区域天区的星图绘制
，两个人一颗一颗地排查镜头中出现的星星，不
过半个小时就在距离勒维烈预测位置区域0.6度的地方发现了一颗星图上不存在的星星
，但尚不能确认这是否是一颗行星。
▲ 用肉眼观星，行星可能只是一个更亮的点，比如图中心略微发红的火星，但在望远镜里，行星会呈现一个圆面，而恒星还是一个点。加勒在第一次观测到海王星的时候，因为距离太远，甚至没有看出圆面，所以不能确定是否是行星。摄影/焦晨
第二天一入夜，两人立刻又去观测那片天区，发现这颗新星已经向西发生了微小的移动，毫无疑问，走得这么快的，只可能是太阳系里的新行星！
柏林天文台在9月23日发现新行星的消息迅速传遍了世界，勒威烈也就此名声大噪
，与此相对比的是，
在此之前，勒威烈其实已经就新行星的预测向巴黎科学院发送了三篇论文，但全部石沉大海
，这才把验证预测的机会留给了德国，而不是法国。
▲
奥本·尚·约瑟夫·勒维烈，作为海王星的发现者，他
是名字被刻在埃菲尔铁塔的七十二位法国科学家与工程师其中一位。
与此同时，人们才发现另一位年轻的英国天文学家亚当斯其实早在1845年的9月，就算出了这颗星的位置，
但他的资历太浅，没有人愿意认真对待这份预测
，所以一直拖到第二年7月，才在没有可靠星图的情况下，零零碎碎地观测了一个多月，结果一无所获。
▲ 约翰·柯西·亚当斯，海王星的联合发现者，他所在的剑桥大学还设立了亚当斯奖，用于表彰在数学领域做出突出贡献的英国数学家。图/Wikipedia
经过英法间一番关于“谁先发现新行星”的争论后，天文学界最终认定是两个人都是它的发现者
，勒威烈为它起的名字“Neptune”（纳普顿，希腊神话中的海神，中文译名
海王星
）也一直沿用至今。
▲ 海王星。图/NASA
我们现在知道，海王星是一颗非常漂亮的蓝色星球，这是因为它大气中所含的甲烷吸收了红色光线。
但人们在刚发现它的时候，还看不到它的颜色，所以海王的名字和它的颜色完全没有关系。
1989年8月25日，人类的飞行器旅行者2号第一次，也是迄今为止唯一一次飞跃海王星，我们才得以近距离一睹它的芳容。
▲ 艺术家笔下旅行者2号越过土星时的场景。图/NASA
海王星上有着太阳系里最猛烈的风暴，最高风速可达每小时2100千米
，这几乎是声音传播速度的两倍，而且这些风吹得并不全是气体，因为海王星大气表层的温度只有零下214多摄氏度，此时的甲烷，已经是固态的“冰”晶了。
▲ 旅行者2号拍摄到的海王星大黑斑和小黑斑，这些都是海王星上的巨型风暴，但这些风暴如今已经平息，只持续了几十年，这与木星大红斑几百年的寿命无法比拟。图/Wikipedia
如此强大的风暴，光靠微弱的太阳光是驱动不了的，因此，人们认定海王星应该拥
有一颗比地球略大的、由岩石和“冰”组成的炙热核心。这里的温度高达5000度，几乎和太阳表面一样热，压力有700万个大气压
，在这种环境下的“冰”并不是固态水，而是处在一种氧原子组成晶格、氢原子在其中流动的，看上去是固态的超离子状态。
▲ 海王星的结构：内层的“固态”核，水、氨、甲烷组成名为“水-氨大洋”的热流体地幔，氢、氮和甲烷组成的大气。图/Wikipedia
旅行者2号在经过海王星时，还发现了它的三个环，人们于是用“亚当斯”、“勒威烈”和“加勒”为它们命名，以纪念这三位海王星的发现功臣。
辉煌过后，是什么？
牛顿力学的成名，在于它能够预测未被观测到的天体
。牛顿的朋友哈雷经过精密的计算，在1705年的时候就预测一颗彗星会在1758年会回归。当时哈雷已经49岁了，牛顿力学的反对者们因此嘲笑他说：“哈雷的年龄为他的预言保了险，请问53年后如果彗星不出现，我们上哪儿去诘问他本人呢？”
▲ 1986年回归的哈雷彗星，它的下一次回归是2061年。图/NASA
最终，反对者都被现实打了脸，彗星于1758年如约而至，人们为了纪念哈雷发现了这颗彗星的周期性，而把它命名为哈雷彗星。
到了18世纪末，对于牛顿力学的质疑声音已经很小了，
天王星轨道的“危机”成为了反对者们最后的稻草，但事实却书写出牛顿力学史上最为辉煌的篇章。
▲ 牛顿的《自然哲学的数学原理》，几乎就是那个时代的圣经。图/Wikipedia
不过，想参透宇宙运行的规律，才没有那么简单，牛顿力学也不是一把万能钥匙。
勒威烈在成功发现了海王星后，又观测到了水星轨道的异常
——水星的近日点的位置按照牛顿力学计算，每百年会变化1°33'20''（科学名为进动值），但实际观测结果却是1°32'37''，这个43''的差距虽然很微小，但已经是无法被忽视的误差了。
▲ 行星进动现象示意（现象被极度夸大）。图/Wikipedia
勒威烈惊喜地认为，历史又给了他一次发现行星的机会
。
有了海王星的经验，他很快就计算出了一颗水星轨道内行星的位置，并将它命名为
“火神星”。
1877年3月22日，人们纷纷把望远镜对准了勒威烈给出的“火神星”将要出现的位置，却什么都没有发现。
▲ 一张1846年太阳系示意图上的火神星（VULCAN）。图/Wikipedia
直到1915年爱因斯坦提出广义相对论之前，火神星一直都是牛顿力学上空一朵挥之不去的乌云。根据广义相对论，人们很轻松地计算出了与实际相符的水星进动值，这多出的43''，是太阳周围空间弯曲所造成的。
牛顿力学就此“跌”下王座，成为了广义相对论的一种特例。
▲ 爱因斯坦广义相对论预
测的现象：右侧蓝色的环是一个遥远的星系，由于巨大的前景
发光红色星系
的强引力被放大并扭曲成几乎完整的环。图/Wikipedia
如今位于神坛之上的广义相对论，就是完美的么？当然不是，无论是黑洞的中心奇点，还是宇宙大爆炸前的初始状态，广义相对论都无法解释，因为它与描述微观状态的量子力学无法兼容。
没有人知道，下一个理论的辉煌时刻何时会到来，但它终会到来。
参考资料：
《牛顿力学最辉煌的一天——海王星发现周“年”纪念》，王玉民
文丨
张雨晨
封图 | 图虫·创意
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