第1章 未知世界的地圖——海王星
一個坐在巴黎書桌前的人怎麽可能借助數學“看到”宇宙呢？這就好比蒙著眼睛的天文學家用夫琅和費望遠鏡發現了彗星一樣。但是奇跡就是奇跡，勒維耶的行星就在漆黑的太空深處若隱若現，而且就在他預測的那個位置。
成功的假說不僅能夠解釋已經觀察到的現象，還應該能夠預測尚未觀察到的現象。
——威廉·胡威立(William Whewell)[5]
我從小就相信妹妹來自海王星，她是被派到地球上來殺我的。
——佐伊·丹斯切爾(Zooey Deschanel)
1846年9月23日，柏林
經過將近一個小時的搜索，他們二人的動作早已經進入了某種機械狀態。透過巨大的黃銅折射望遠鏡，約翰·伽勒(Johann Galle)眯起眼睛盯著晴朗的夜空，不斷調整著望遠鏡的控製裝置，每當十字準線瞄準一顆星星時，他就會大聲喊出它的坐標。年輕的助手海因裏希·德瑞斯特(Heinrich d'Arrest)坐在天文台圓頂屋石頭地板對麵的一張木桌旁，借助一盞昏暗的油燈，用手指在星圖上尋找對應坐標的位置，然後大聲回答道：“有這顆星星。”就這樣，伽勒不停地轉動著銅鈕，瞄準著天空中一顆又一顆星星，德瑞斯特則在星圖上一一搜尋核對。那個夜晚寒氣逼人，伽勒的脖子已經僵硬抽筋，他開始懷疑他們這是在浪費時間。
那天下午，伽勒出現在柏林天文台(Berlin Observatory)台長約翰·弗朗茨·恩克(Johann Franz Encke)的辦公室門口，提出要使用22厘米折射望遠鏡。恩克確信伽勒是在浪費時間，但是，因為那天晚上他要留在家裏慶祝自己55歲的生日，用不到望遠鏡，所以勉強答應了伽勒的請求。
德瑞斯特是一名天文學專業的學生，為了獲得更多的實際操作經驗，平時就住在天文台附近。他無意間聽到了伽勒和恩克的談話，當即請求做伽勒的助手。於是在1846年9月23日，這樣一個萬裏無雲的夜晚，伽勒和德瑞斯特用當時世界上同類儀器中最先進的儀器之一——由時鍾驅動的夫琅和費望遠鏡(Fraunhofer telescope)——開始掃視天空。
在柏林的煤氣燈剛熄滅、城市陷入黑暗之後，二人就開始了搜尋工作。現在已接近午夜時分，伽勒的思緒已轉到他和他妻子躺過的溫暖的**了。伽勒將十字準線又瞄準了一顆星星，然後報出了坐標。在等待德瑞斯特回應時，伽勒心中在想，要是明天早上告訴恩克什麽都沒找到，那該有多麽荒唐可笑。但德瑞斯特遲遲沒有回應，伽勒很納悶地想，這家夥在做什麽呢？
椅子碰撞地板的聲音把伽勒嚇了一大跳，他回頭一看，隻見在油燈的映射下，一個黑影向他衝了過來。德瑞斯特癲狂地揮動著手裏的星圖，雖然光線太暗，伽勒看不清德瑞斯特的表情，但他一輩子都不會忘記當時德瑞斯特大聲喊叫的內容：“那顆星星不在星圖上!星圖上沒有那顆星星!”
1846年9月18日，巴黎
9月23日，在一封寄到柏林天文台的信中，有人建議伽勒尋找一顆星圖上沒有的星星，這個人就是巴黎綜合理工學院(the Ecole Polytechnique in Paris)的天文學家奧本·勒維耶(Urbain Le Verrier)。勒維耶對從冷氣森森的望遠鏡圓頂屋觀察天體不感興趣，他更喜歡坐在辦公桌旁，用牛頓引力定律計算天體的軌道，並將其與現有的觀測結果進行比較。在不停地比較中，讓勒維耶魂牽夢繞、寢食難安的是一顆似乎打破了所有規則的行星——天王星。
天王星是由德國漢諾威的一位音樂家發現的。1757年，年僅19歲的威廉·赫歇爾(William Herschel)和他的妹妹卡洛琳(Caroline)一起搬到了英格蘭西部的巴斯(Bath)。這是一座有著溫泉的美麗小鎮，羅馬人最先對其進行了開發。赫歇爾找到了一份在教堂演奏風琴的工作，但他真正熱愛的還是天文學。赫歇爾在自家花園裏建造的望遠鏡是當時最好的望遠鏡之一。那是在1781年3月13日，當赫歇爾用這個望遠鏡掃視夜空時，一顆模糊的星星突然出現在目鏡中。起初，赫歇爾認為這是一顆彗星，但它與彗星不同，它沒有縹緲的彗尾。不僅如此，赫歇爾在隨後的夜晚觀察到，在它掠過雙子座(Gemini)期間，是按行星的近圓形軌道運行的，並沒有按彗星那種拉得很長的橢圓形軌道運行。
於是，赫歇爾發現了望遠鏡時代的第一顆新行星，第一個古代天文學家未知的世界。縱觀曆史記載，行星的數量一直都是6顆，難以相信，居然有人發現了第7顆。赫歇爾的發現理所當然地引起了國際轟動，這也使他一躍成為科學界的超級巨星。
作為移民，赫歇爾最大的願望就是能得到移居國的認可，因此他想以英國國王喬治三世的名字，將這顆新行星命名為“喬治”(實際上，他命名的名字是“喬治之星”， George's star)。不出意外，法國天文學家反對用英國國王的名字命名一顆行星，建議將其命名為“赫歇爾”。為了避免衝突，天文學家約翰·波得(Johann Bode)建議以烏拉諾斯(Uranus)命名，即“天王星”。烏拉諾斯是希臘神話中克洛諾斯(古希臘語：Κρ?νο?；英文：Saturn)的父親，之後，這個名字被沿用了下來(否則，幾大行星按照離太陽的距離從近到遠依次排序，可能就是這樣了：水星、金星、地球、火星、木星、土星和……喬治)。
實際上，英國天文學家約翰·弗拉姆斯特德(John Flamsteed)在大約一個世紀之前(即1690年)就曾看到過天王星，但他錯誤地認為那是一顆恒星，將其歸到金牛座(Tauri)下，並命名為“金牛座34”，也就是在金牛座中發現的第34顆恒星。弗拉姆斯特德的曆史記錄補充了這顆新行星的觀測資料，因此，到19世紀初，人們已經對天王星的軌道有了足夠多的了解，可以將其與牛頓的萬有引力定律所預測的軌道相比較。但是通過比較，人們發現，這顆行星的軌道有點不太正常。
無論如何預測天王星的軌道，它都會在接下來的幾個月裏偏離計算的軌道。沒有人懷疑牛頓定律可能存在錯誤，因為牛頓萬有引力定律的全麵、強大，在人們的心目中等同上帝的聖言。人們懷疑是因為有一顆離太陽更遠的未知行星牽引著天王星，所以它才不斷地偏離計算軌道。因此，找到這顆未知行星是一件非常誘人的事，勒維耶無法抗拒這種挑戰的**。於是，他坐在巴黎綜合理工學院自己的辦公桌前，根據觀測到的天王星偏離正常軌道的數據，著手推斷這顆未知行星在夜空中的確切位置。
太陽占據了太陽係質量的99.8%，所以可以肯定，行星的運行主要受到太陽引力的影響。然而，牛頓的引力定律是一個普遍適用的定律，這意味著在任意兩個天體之間都存在引力作用。因此，行星不僅受太陽引力的影響，也受到其他所有行星引力的影響。為了確保計算結果準確，勒維耶需要先減去已知行星的影響，尤其是兩顆最大的行星：木星和土星。
計算過程複雜且費時，每個步驟都必須進行反複檢查，一個小小的失誤就可能使整個計算結果作廢，導致前功盡棄。但這不是勒維耶麵臨的唯一難題，更難的是，理論上無法區分靠近天王星的小質量行星的引力與遠離天王星的大質量行星的引力之間的不同。因此，為了確定假想行星的軌道，勒維耶不得不靠猜測來確定這顆未知行星的質量和它與太陽的間距[1]。這是一項艱巨的任務，除了要投入全部的工作時間，有時夜晚的休息時間也被占用了，最終，勒維耶成功了。他不僅推導出了假想行星的軌道，而且更重要的是，他推斷出了應該用望遠鏡在夜空中的什麽位置去搜尋這顆星體：介於摩羯座(Capricorn)和水瓶座(Aquarius)之間。
勒維耶心中充滿自信，但當他坐在鋪滿紙的桌前，拿著羽毛筆，審視著那些密密麻麻的公式時，還是難以抑製地感到一陣緊張。能有幸洞悉世界上沒有人知道或理解的東西，自然有一種令人興奮的權威感，但萬一錯了呢？如果對了，那他就是神；如果錯了，豈不被別人譏笑為傻瓜？麵前的方程描述的結論怎麽可能就是現實呢？勒維耶沒有被自我懷疑嚇倒，很快就恢複了鎮靜。眼下隻有一件事情要做，那就是通知做觀測研究的天文學家。
勒維耶向時任巴黎天文台(Paris Observatory)台長的弗朗索瓦·阿拉戈(Francois Arago)報告了新行星的位置，而阿拉戈明確表示，他有充分的理由相信尋找新行星並不是當務之急。現在，包括巴黎國家天文台在內的天文單位，首要任務是製作用於導航的行星和恒星的位置圖。單這項工作就需要很多人進行漫長而艱苦的觀測，阿拉戈當然不願意浪費寶貴的時間去尋找一顆存在性十分渺茫的行星。顯然，對於以傲慢和難以相處著稱的勒維耶來說，阿拉戈的話並不能打消他的念頭。
對處於北半球的人來說，11月之後就看不到摩羯座和水瓶座了，所以必須盡快開始尋找這顆新行星。有一段時間，勒維耶還很有耐心，但是等來等去，也不見阿拉戈那邊有任何鬆口的跡象，失望不免與日俱增。不過，勒維耶已經開始嚐試其他方法了，他將一篇描述這一預測的論文寄給了德國《天文學》(Astronomische Nachrichten)雜誌的編輯，在和論文一起寄給海因裏希·舒馬赫(Heinrich Schumacher)的投稿信中，勒維耶表達了自己的失望——沒有法國天文學家願意尋找這顆行星。舒馬赫對此表示同情，並在回信中提出了一個建議：為什麽不聯係一下其他擁有先進望遠鏡的天文學家呢？勒維耶立刻想到了兩個人，一個是德國的弗裏德裏希·斯特魯夫(Friedrich Struve)，另一個是愛爾蘭比爾城堡的羅斯伯爵三世(Erd Earl of Rosse)。羅斯伯爵設計並製造的利維坦(Leviathan)是當時世界上最大的望遠鏡，配有直徑達72英寸(約1.8米)的鏡麵。勒維耶原本可以聯係這兩個人，但他想起一年前曾經收到過一位年輕天文學家從柏林天文台寄來的信。
約翰·伽勒是一個職級較低的助理天文學家，這一點特別吸引勒維耶。他覺得柏林天文台的台長約翰·弗朗茨·恩克會像巴黎天文台的台長弗朗索瓦·阿拉戈一樣，不願意花力氣去尋找一顆新行星，但伽勒可能渴望成名。所以，勒維耶在想，繞過恩克直接聯係這位年輕的天文學家效果可能會更好。伽勒會做出積極回應，還是會讓他再一次失望，隻有試著向他發出請求才知道。
唯一的問題是，這位法國天文學家並未回複伽勒一年前的來信以及隨信所附的一篇論文，而現在卻需要他的幫助，這真是令人尷尬。然而，說一些奉承的話也許可以化解尷尬，所以在請求伽勒幫助尋找新行星之前，勒維耶寫了一些露骨的、姍姍來遲的溢美之詞，稱讚伽勒的論文完美清晰、工整嚴謹。1846年9月18日，勒維耶將信寄出，其中包含了對新行星所在位置的粗略估計。
1846年9月24日，柏林
拂曉時分，三個人終於聚集在柏林天文台圓頂屋的夫琅和費望遠鏡前。不久之前，德瑞斯特一路小跑到天文台台長恩克的家，把慶生宴會之後醉得腳步踉蹌的恩克拽上了山。三個人努力保持鎮靜，輪流透過目鏡仔細觀察，直到確認無誤。伽勒和德瑞斯特看到的天體肯定不在星圖上，原因顯而易見：那根本就不是一顆恒星。由於與地球的距離太過遙遠，無論望遠鏡的放大倍率有多高，看到的恒星都是光點；但這個天體並非光點，而是一個發光的微小圓盤。他們找到了!他們發現了勒維耶的行星!
伽勒簡直不敢相信剛過去的半天裏發生的事情。就在昨天，他用小刀拆開一封看起來很普通的、來自法國的信件時，絲毫沒有想到這會永遠改變他的生活。伽勒立刻認出了勒維耶的名字，他本來可以選擇向這個法國人實施報複，把信丟進桌上的文件堆裏，對其置之不理，但勒維耶的請求激起了他的興趣。
信中預測了一顆新行星的存在和位置，雖然伽勒知道這樣的預測一般來說都是荒謬的，然而，信中有些話使他不能置之不理。“我想找一位堅持不懈的觀察者，”勒維耶寫道，“他願意花些時間觀察可能發現新行星的那部分天空。”伽勒決定成為那個堅持不懈的觀察者。
即使那顆行星真的存在，伽勒也沒指望會發現什麽。這怎麽可能呢，一個坐在巴黎書桌前的人怎麽可能借助數學“看到”宇宙呢？這就好比蒙著眼睛的天文學家用夫琅和費望遠鏡發現了彗星一樣。但是奇跡就是奇跡，勒維耶的行星就在漆黑的太空深處若隱若現，而且就在他預測的那個位置。
自太陽係誕生以來，這顆行星就在天王星的軌道之外極度深寒的黑暗中，繞著太陽靜悄悄地運行，直到1小時前，還沒有人目睹過它的存在。此刻，地球上也隻有伽勒他們三人看見了這顆未命名的行星。然而，很快，世界上的每個人都將知曉它的大名——海王星。
1846年9月29日，巴黎
幾天後，勒維耶在巴黎拆開了一封來自柏林寫於1846年9月24日的信。“先生，”他讀道，“在您指出的那個位置上，確實存在一顆行星。”
伽勒找到了他預測的行星!勒維耶欣喜若狂，一顆懸著的心終於放下了。勒維耶雖然做出了預測，但也曾有過疑慮，畢竟他也是普通人。勒維耶把自己的聲譽押在了神秘的數學上，其結果要看造物主的安排。造物主既可以選擇支持他，也可以輕易否定他。和別人談論這個預測時，他看上去信心滿滿，但隻有他本人知道自己是有多麽虛張聲勢。
10月1日，勒維耶給伽勒寫了回信。在信中，勒維耶向這位德國天文學家表示感謝，並聲稱伽勒是唯一認真對待他請求的人。勒維耶寫道：“多虧了你，我們擁有了一個新世界。”
曾經，天王星的發現引起了轟動，因為天王星到太陽的距離是土星到太陽的1倍，也就是說，赫歇爾一夜之間就讓太陽係的大小擴大了1倍。但發現海王星是一種完全不同的感覺，天王星是赫歇爾偶然發現的，而海王星的存在、位置，甚至大小都是勒維耶用筆在紙上計算出來的。
法國天文學家卡米爾·弗拉馬裏翁(Camille Flammarion)寫道：“勒維耶沒有離開他的書房，甚至沒有看一眼天空，僅僅通過數學計算就發現了這顆未知的行星，可以說，他用筆尖觸碰到了這顆行星!”[6]
弗拉馬裏翁認識到，能用桌子上的紙和筆發現現實世界中存在的東西是見所未見的新鮮事。蘇格蘭天文學家約翰·普林格·尼科爾(John Pringle Nichol)寫道：“人類在冒險精神驅使下進行的理論猜想，能夠得到如此非凡的驗證，這在整個人類的觀察曆史中都是絕無僅有的!”[7]
海王星的發現不僅是勒維耶的勝利，更是艾薩克·牛頓和他在兩個世紀前提出的萬有引力定律的勝利。牛頓定律不僅解釋了已知的東西，還預測了未知的東西。
勒維耶以無比震撼的方式展示了科學的核心魔力——科學驚人的預測能力：能夠預測那些人類從未想象到的事物，而這些事物都能在現實世界中被發現。讓人難以置信的是，塗寫在紙上的數學方程竟然可以如此完美地描繪現實世界，而且確實奇跡般地被證實了。勒維耶用抽象的公式在現實世界裏找到了一個真實的物體，而世界曆史上從未有人取得過類似的成就。勒維耶當數首屈一指的“魔術師”。
海王星的發現引發了法國和英國之間激烈的優先權爭奪戰，因為一位英國的數學家也曾利用天王星的異常運動預測過這顆新行星的位置，他就是來自英格蘭康沃爾郡患有自閉症的數學天才約翰·庫奇·亞當斯(John Couch Adams)。1841年，亞當斯還在劍橋大學上學時，就開始著手推斷夜空中這顆新行星的位置，以便解釋天王星軌道的異常。亞當斯總共花了4年的時間進行計算，在1845年，他把結果交給了喬治·比德爾·艾裏爵士(Sir George Biddell Airy)。艾裏是皇家天文學家(Astronomer Royal)，同時也是在格林尼治的皇家天文台(The Royal Observatory)的台長。不幸的是，亞當斯的請求也像在法國的勒維耶一樣被漠視了。當艾裏最終注意到亞當斯的預測時，他並沒有公開亞當斯的預測，也沒有直接授權亞當斯使用格林尼治天文台的望遠鏡進行搜尋，而是將消息轉給了當時，查利斯剛剛接替艾裏成為天文台台長的繼任者喬治·查利斯(George Challis)。
查利斯立刻發現，亞當斯所謂的預測並沒有在天空中指向一個精確的位置，而是可能發現這顆假想行星的一大片天空。如果用劍橋大學天文台的中天望遠鏡(Transit telescope)對這一大片天空進行全麵搜索的話，需要近百次的觀察，每一次觀察都要持續幾個小時。查利斯預計整個搜尋過程需要大約300小時，他耽擱了一段時間才開始觀察。當終於開始搜尋時，查利斯兩次記錄下了海王星，卻沒能辨認出它。現在再怎麽說都為時已晚，因為柏林的伽勒已經首先發現了這顆新行星。
這件事讓艾裏和查利斯非常尷尬，因為他們在伽勒收到勒維耶的預測之前，就已經從亞當斯那裏收到過關於這顆新行星位置的預測了。更糟糕的是，當初他們對亞當斯的預測守口如瓶，也許就是為了確保劍橋大學獲得發現新行星的榮耀。然而，亞當斯的計算結果並沒有公開發表過的事實，讓法國人懷疑英國人是否曾經做出過這樣的預測。
海王星命名優先權的國際爭端漫長而激烈，但值得稱道的是亞當斯和勒維耶都沒有參與其中。也許是因為欣賞對方的數學魔法，並且都遭遇過類似的冷遇，兩人首次在英格蘭相識後，便結下了深厚的友誼。時至今日，人們大多把海王星的發現歸功於勒維耶和亞當斯的共同努力。
成功預測了海王星的存在之後，勒維耶在科學界聲名鵲起，並在1854年成為巴黎天文台台長。但在這之後，他取得任何成就所獲得的興奮感都無法與奇跡般地揭開太陽係邊緣一個未知世界時獲得的相提並論。受到國王的追捧、被科學家們尊為神、名望和奉承，使勒維耶陶醉，他渴望再次擁有那種感覺。於是，勒維耶將研究方向從外太陽係轉向了內太陽係。
勒維耶的目標是徹底解析這些行星的軌道：水星、金星、地球和火星。如果他能成功做到這一點的話，那麽也許，僅僅是也許，一個與天王星軌道異常類似的天文現象將又會是引人注目的發現。出乎意料地，這種異常現象確實存在，而且與最靠內的這顆行星有關。即使考慮到其他行星對水星的引力作用，這顆行星的軌道仍然與理論預期的軌道有偏差。
勒維耶確信，有一顆行星比水星更接近太陽，1860年2月，這顆行星有了名字。行星一般以古希臘神的名字命名，因為這顆新行星永遠逃不出太陽的炙烤，所以用希臘眾神之家奧林匹斯山的鍛造之王——火神伏爾甘(Vulcan)的名字來命名似乎再恰當不過了。
在將近半個世紀的時間裏，天文學家們一直熱衷於尋找火神星。隨著時間的推移，火神星漸漸失寵了，因為人們什麽都沒找到。但水星的反常運動依然存在，沒有人相信這種現象背後的真相是：牛頓關於引力的看法並不完全正確。這實在是太難以置信、太匪夷所思了。一直到1915年，阿爾伯特·愛因斯坦提出了一種更好的引力理論——廣義相對論(general theory of relativity)——取代了牛頓的理論，牛頓不正確的想法才不再匪夷所思。
盡管對火神星的研究走入了死胡同，但對海王星的絕對沒有。勒維耶展示了如何利用牛頓的萬有引力定律來預測未知的東西，繪製了未知世界的地圖。
在20世紀的前幾十年裏，有一種觀點認為，海王星的軌道就像天王星的一樣受到擾動。事實證明，這不是真的。盡管如此，類似的觀點還是引發了對距離太陽更遠的“X行星”的搜索，並在1930年2月18日冥王星被發現時達到了頂點。這是唯一被來自牛津的11歲的孩子威妮夏·伯尼(Venetia Burney)命名的行星。[8]
冥王星太小了，甚至比地球的衛星(月亮)還小，因此對海王星的運動不造成影響。在20世紀末，人們在海王星軌道外發現了45.5億年前太陽係形成時留下的冰冷的建築垃圾柯伊伯帶(Kuiper Belt)，冥王星實際上是柯伊伯帶中成千上萬個在海王星軌道之外、環繞太陽運行的天體之一。因此，國際天文學聯合會(International Astronomical Union)於2006年8月將冥王星從行星降級為矮行星(dwarf planet)。
但是，牛頓的萬有引力定律似乎還有能力揭示太陽係中的未知天體。2016年初，帕薩迪納市加州理工學院的兩位天文學家指出，至少有6個柯伊伯帶天體存在軌道異常。邁克·布朗(Mike Brown)和康斯坦丁·巴蒂金(Konstantin Batygin)聲稱，這些天體的異常運動是受太陽係外側的一顆圍繞太陽運行的未知行星牽引造成的。[9]與冥王星那樣的小行星(asteroid)不同，這顆行星的質量大約是地球的10倍。
布朗和巴蒂金宣稱，行星九的軌道距離太陽的平均距離大約是海王星的20倍。由於行星反射太陽光，因此這顆未知行星一定非常暗淡，很難被找到。但是許多天文學家渴望成為新的約翰·伽勒，於是積極尋找行星九。
然而，由勒維耶和亞當斯開創的這項技術的真正成功之處在於，能夠探測遙遠的係外行星(exoplanets)——通過探測行星的引力拖曳引起的恒星的反常運動，從而發現未知的係外行星。1995年發現的飛馬座51b(51 Pegasi b)是第一顆在太陽係以外的普通恒星周圍被發現的行星，現在已知的係外行星有4000餘顆，而且數量在以越來越快的速度增長。
牛頓萬有引力定律揭示的最重要的未知事物是暗物質(dark matter)。盡管暗物質的概念是20世紀30年代由瑞士裔美國人弗裏茨·茲維基(Fritz Zwicky)和荷蘭人詹·奧特(Jan Oort)首先提出的，但確認其存在的是在華盛頓卡內基研究所(Carnegie Institution)地磁學係工作的兩位天文學家。20世紀70年代末至80年代，薇拉·魯濱(Vera Rubin)和肯特·福特(Kent Ford)發現，旋渦星係(spiral galaxies)外圍區域的恒星圍繞星係中心運行的速度太快，就像飛快旋轉的旋轉木馬上的孩子一樣，這些恒星本應被甩進星際空間。
天文學家解釋了這一異常現象。他們認為，旋渦星係中的物質比我們能以恒星的形式看到的要多得多，而正是這種看不見的暗物質提供了額外的引力，牢牢地抓住了最外層的恒星。在整個宇宙中，暗物質的質量是可見恒星和星係的6倍。盡管有人估計，暗物質是未被發現的亞原子粒子或大爆炸遺留下來的木星質量(Jupiter-mass)大小的黑洞，但沒有人知道其確切構成。要是你能弄清楚暗物質的身份，就會有諾貝爾大獎在斯德哥爾摩等著你。
[1]在猜測這顆假想行星與太陽的距離時，勒維耶用到了用來推論行星軌道半徑的公式——提丟斯-波得定律(Titius-Bode law)。還沒有科學依據來解釋為什麽行星會遵循這一定律。詳見：http://demonstrations.wolfram.com/TitiusBodeLaw/。