星系和星云

對于那些眺望太空，試圖揭示其神秘性的人們來說，18世紀(jì)帶來的是一批嶄新的挑戰(zhàn)。直到17世紀(jì)末，行星的復(fù)雜路徑還始終吸引著權(quán)威天文學(xué)家的注意。記錄可以追溯到公元前數(shù)千年，那時(shí)最早的占星術(shù)師注視著這些“漫游者”，把復(fù)雜的哲學(xué)和法術(shù)活動(dòng)（諸如占星術(shù)）建筑在他們所見的現(xiàn)象基礎(chǔ)上。相形之下，在天空穩(wěn)定不動(dòng)的恒星似乎更可預(yù)測，唯一的例外是現(xiàn)在解釋成地球圍繞太陽的運(yùn)動(dòng)。古人——即使機(jī)智的古希臘人和善于觀察的古代中國人都相信恒星和行星不一樣，它們是不動(dòng)的。偉大的希臘哲學(xué)家亞里士多德和幾個(gè)世紀(jì)以后的追隨者托勒密都把宇宙想象成是由層層鑲嵌的天球組成，其排列就像是一個(gè)圍繞著地球的洋蔥，不動(dòng)的恒星鑲嵌在外層球面上。17世紀(jì)哥白尼的新見解澄清了許多有關(guān)太陽系的混亂看法，意識(shí)到太陽處于中心位置。但即使這一新的革命性宇宙觀，也把不動(dòng)的恒星放在行星軌道之外。哥白尼、開普勒和牛頓以及牛頓定律解釋了行星的運(yùn)動(dòng)。但是如果牛頓定律確實(shí)是“普遍”的，那么，恒星是不是也有可以預(yù)測的運(yùn)動(dòng)？牛頓沒有提到這個(gè)問題。為此我們將目光轉(zhuǎn)向牛頓的年輕信徒——哈雷。

關(guān)于恒星和彗星

哈雷生于1656年11月，是富有的倫敦肥皂制造商之子。就在成為牛津大學(xué)學(xué)生時(shí)，他對天文學(xué)發(fā)生了興趣。就在19歲，還是一個(gè)學(xué)生時(shí)，他就出版了一本關(guān)于開普勒定律的書。這本小冊子引起了弗拉姆斯提德的注意，同年弗拉姆斯提德就任英國第一任皇家天文學(xué)家，正開始收集北半球新恒星表。他對哈雷的書印象深刻，鼓勵(lì)這位年輕人進(jìn)一步做下去。

到了17世紀(jì)70年代中期，望遠(yuǎn)鏡和其他設(shè)備的改進(jìn)表明舊的星表有許多不精確之處。急需新的星表。于是，正當(dāng)弗拉姆斯提德等人忙于為北半球天空編制星表時(shí)，雄心勃勃的天文學(xué)家哈雷卻想到南半球的天空尚無人問津。于是，他說服了父親資助這一旅行，向牛津大學(xué)申請了休學(xué)，就登上了去南半球的航船，為那里的繁星制作星表。

之后的一年半，1676—1678年，哈雷和全體船員待在非洲西南海岸外面荒涼的圣海倫納島上，始終孤獨(dú)地守著望遠(yuǎn)鏡。氣候極其惡劣，對天文觀測極為不利，對年輕的哈雷也不例外。但是最終他起航回到英國，帶回以前從未有過的南半球星空的星表，列出了不下于341顆以前從未在圖中標(biāo)注過的星星。如果氣候更為有利的話，哈雷原本希望列出更多。但是1679年發(fā)表的《南半球恒星表》（Catalogus Stellarum Australium）已經(jīng)足以使哈雷在倫敦的科學(xué)精英中名聲大振。弗拉姆斯提德歡呼他是“南半球的第谷”。幾年后，弗拉姆斯提德卻和哈雷發(fā)生爭執(zhí)，為的是要匆忙出版弗拉姆斯提德自己的一部星表。但是這得哈雷說了算，他充分地利用了這一點(diǎn)，盡管做得極有禮貌和周到。由于巨大的成功，哈雷被邀加入享有盛名的皇家學(xué)會(huì)。這里的一切令人興奮，年輕的哈雷突然發(fā)現(xiàn)自己置身于一群巨人當(dāng)中，其中有牛頓、胡克、弗拉姆斯提德以及魅力超凡的雷恩。但是，聰明謙遜并討人喜歡的哈雷很快就被接受了。出乎意料的是，他甚至和沉默寡言、經(jīng)常發(fā)脾氣的牛頓交上了朋友。第一件事情是《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》的問世。哈雷不僅鼓勵(lì)牛頓出版這一革命性的巨著，而且自己掏腰包資助出版，因?yàn)榛始覍W(xué)會(huì)的經(jīng)費(fèi)不足。對于哈雷來說，錢從來都不是問題，他父親被神秘地謀殺后，他繼承的遺產(chǎn)足以讓他過上舒適的生活。

非凡的古德利克

在古德利克（John Goodricke，　1764—1786 ）短暫的21年生命中，天文學(xué)為他帶來安慰，也為他帶來名聲。古德利克生于荷蘭，是英國外交官的兒子，他短暫的一生是在無聲世界中度過的，不能聽也不能說。 不過，他的雙親都很富有，他們理解并且鼓勵(lì)兒子在十幾歲時(shí)發(fā)展對天文學(xué)的興趣。在閃爍著繁星的夜空下，古德利克安詳?shù)叵硎苤@份寂靜 。由于智力出色并且還有一雙善于觀察的眼睛，每晚他都會(huì)拿起望遠(yuǎn)鏡。

有一顆星星引起了他的注意。英仙星座的大陵五（Algol ）一直令天文學(xué)家深感困惑 亞里士多德曾經(jīng)教導(dǎo)說，恒星是完美永恒的，但是在夜空中閃閃發(fā)光的大陵五，其亮度卻在不斷變化。也許正是這一特點(diǎn)吸引了古德利克的注意。和 他一樣，大陵五也與眾不同，孤獨(dú)地在群星之中閃爍。

古德利克決心解開大陵五之謎，這件事要有驚人的耐心和細(xì)致的觀察。大部分時(shí)候都是用肉眼（也就是不依靠望遠(yuǎn)鏡）來觀測，因?yàn)樗枰谕h(yuǎn)鏡所及視域之外比較星星的亮度。

好幾個(gè)月的緊張研究和仔細(xì)記錄使古德利克相信，這顆星的變化是有規(guī)則的，它有一個(gè)特定的周期或循環(huán) 。在經(jīng)過更多的緊張研究后，他得以證明大陵五的亮度變化有一個(gè)規(guī)則的周期，正好是三天 。這是第一個(gè)有關(guān)一顆變星的變化規(guī)律的確鑿證據(jù)。

1782年，古德利克試圖回答大陵五為什么亮度會(huì)發(fā)生變化的問題，他提出，這或者是它的表面有黑斑，或者是有一顆我們看不見的伴星圍繞它旋轉(zhuǎn)，周期性地阻檔了恒星發(fā)出的光線 。這是一個(gè)大膽的假說，尤其這是出自于一位不知名的17歲業(yè)余天文學(xué)家之口　。古德利克關(guān)于大陵五有一顆神秘伴星的理論要到很久以后才得到驗(yàn)證——人們發(fā)現(xiàn)大陵五不是有一個(gè)，而是有兩個(gè)伴星。不過，盡管還沒有得到驗(yàn)證，古德利克的論文還是為他贏得了令人向往的皇家學(xué)會(huì)科普利獎(jiǎng)?wù)?。古德利克?786年逝世，正好是他22歲生日之前， 當(dāng)選皇家學(xué)會(huì)會(huì)員的兩周之后。這位年輕人一直病魔纏身，他的死是由于在寒冷的夜晚呆得過多的緣故。

在今天已知的36 00顆以上的變星中，很少有像大陵五的神秘性這樣容易被解釋的事例，但大陵五本身仍然有許多異常的特性 然而，由于年輕的古德利克，我們對天空的理解中多了一小塊知識(shí)作為點(diǎn)綴

求知心切的哈雷對安逸的生活毫不為所動(dòng)，不久他再次投入艱苦的工作之中。在他遠(yuǎn)航去圣海倫納的旅途中，他曾觀察到船上的羅盤并不像通常相信的那樣總是指向北極。也就是說，地球磁極和北極并不是一回事。盡管可以把這一差別看成是次要的，但是對于航海家和船長來說這卻是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)。17世紀(jì)后半葉的世界性貿(mào)易已經(jīng)開發(fā)了許多新的海上通道，競爭十分激烈。正如需要新的星圖一樣，人們也需要新的和更好的海圖，以供海員提高航海效率。1698年，在哈雷的指揮下，第一艘僅為科學(xué)目的而被委派和裝備起來的船只離開倫敦起航。這艘船命名為“情人紅”，雖小卻堅(jiān)固，在海上航行了兩年，正是在此期間哈雷和他的團(tuán)隊(duì)測量了世界各地的磁偏差，編制了新的航海圖表，并且試圖測定幾十處重要港口的精確緯度和經(jīng)度。

哈雷第一個(gè)根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律計(jì)算彗星的軌道。在這一畫面中我們看到哈雷彗星和歐洲航天局的太空船喬托。喬托在1986年訪問過哈雷彗星。

哈雷回到倫敦，已是一位熟練的海員，他急于開始另一類研究，這次是要鉆研幾百種古代天文學(xué)書籍和圖表。在航行中，哈雷開始對古代星表與當(dāng)代星表之間的許多分歧發(fā)生了興趣。盡管古老的星表有許多明顯的錯(cuò)誤，有的甚至錯(cuò)得離譜，但他還是注意到，有許多正確標(biāo)注的恒星其位置與近代觀測存在差別。經(jīng)過仔細(xì)的研究，他證明至少有三顆主要的恒星：天狼星、南河三和大角星，自從希臘人標(biāo)注之后，它們的位置已有變化。

某些天文學(xué)家正開始懷疑的事，現(xiàn)在哈雷證明是真實(shí)的。恒星竟然也在運(yùn)動(dòng)。甚至在太陽系之外的天體看來也處于不斷的運(yùn)動(dòng)之中，并且這種運(yùn)動(dòng)是可以預(yù)測的——這一推測其實(shí)已隱含于牛頓的引力定律中，現(xiàn)在由于哈雷的仔細(xì)研究終于證實(shí)了它。古代的宇宙觀又一次被牛頓的萬有引力和幾何學(xué)觀察所粉碎。這個(gè)新信息對以后的天文學(xué)具有巨大影響。

但是哈雷的名聲卻來自于他對彗星的研究。長期以來人們對于彗星在夜空中神秘莫測的出現(xiàn)一直抱著敬畏和迷信的心態(tài)。在對古代記錄深入思考后，哈雷發(fā)現(xiàn)其中存在某種規(guī)律。當(dāng)他試圖根據(jù)彗星在幾個(gè)世紀(jì)里出現(xiàn)的記錄，計(jì)算彗星軌道的形狀時(shí)，他看到計(jì)算結(jié)果符合牛頓理論。但是，精確的信息實(shí)在太少，他不得不放棄自己的計(jì)劃，直到作出有趣的發(fā)現(xiàn)。他的計(jì)算強(qiáng)烈地暗示，四個(gè)已知的彗星，分別在1456年、1531年、1607年和1682年出現(xiàn)，它們很可能就是同一個(gè)彗星，依據(jù)牛頓的引力定律每76年沿自己的軌道返回太陽系內(nèi)一次。哈雷預(yù)言，1758年它還會(huì)回來。盡管他在　1742年去世，比他的預(yù)言實(shí)現(xiàn)的年份要早了16年，但今天已被稱為哈雷彗星的這顆彗星，卻是對這位最早認(rèn)識(shí)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的天文學(xué)家的最好紀(jì)念。

這幅圖標(biāo)注了哈雷彗星上一次在夜空中出現(xiàn)以來沿著它的軌道運(yùn)行的情況。

新宇宙觀

如果恒星和行星都在運(yùn)動(dòng)，那么太陽系之外的宇宙就再也沒有必要像人們往常認(rèn)為的那樣是神圣、靜止和完美的處所。同樣，如果牛頓定律對于所有天體都是有效的，就像18世紀(jì)中葉的觀測事實(shí)顯示的那樣，那么，建立總體宇宙的新模型和新推測就非常必要。

18世紀(jì)中葉，一些學(xué)者提出各種理論，它們開始徹底改變?nèi)祟惖挠钪嬗^和我們在宇宙中的地位。這些人中有法國作家和博物學(xué)家布豐（Georges Louis Leclere de Buffon，1707—1788），強(qiáng)烈宗教信仰的業(yè)余科學(xué)家萊特（Thomas Wright， 1711—1786），年輕的哲學(xué)家康德（Immanuel Kant， 1724—1804），還有一位是杰出的數(shù)學(xué)家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace， 1749—1827）。

萊特

萊特是興趣廣泛的英國思想家。受過良好教育，并大量讀過當(dāng)時(shí)流行的哲學(xué)和科學(xué)著作。和18世紀(jì)許多思想家一樣，他被科學(xué)觀察與思考和宗教信仰之間的矛盾深深困擾。他的天文學(xué)觀察和閱讀引導(dǎo)他去思考：如果圍繞太陽運(yùn)動(dòng)的行星成了一個(gè)軌道系統(tǒng)，那么，有了牛頓引力定律，很可能恒星本身也是某個(gè)或者許多類似軌道系統(tǒng)的一部分。然而，如果天空就是這樣組成的，那么，在這個(gè)機(jī)械論和引力相互作用的新宇宙中，上帝的領(lǐng)地在哪里？萊特既不是訓(xùn)練有素的天文學(xué)家，也不是嚴(yán)格和系統(tǒng)的思想家，他只是提出了一系列不同的宇宙模型。其中最早的一個(gè)模型是，太陽、太陽系以及恒星都圍繞著一個(gè)巨大的中心運(yùn)轉(zhuǎn)，這個(gè)中心也許是固體，也許不是固體，但無論如何，它是上帝的領(lǐng)地。

在這一巨大系統(tǒng)的外圍，遠(yuǎn)離太陽系和眾恒星之處，則是一片神秘黑暗的“冥界”之地，它包圍了所有。這是一個(gè)極其神秘的體系，但在精心修飾之后，則有某種可取之處。在1750年出版的《宇宙起源理論和新假說》（An Original Theory and New Hypothesis of the Universe）一書中，萊特提出另外一種可能性：宇宙可能實(shí)際上是一個(gè)旋轉(zhuǎn)著的扁平圓盤，而不是眾恒星和太陽系圍繞共同的中心運(yùn)動(dòng)的殼形。他仍然堅(jiān)持上帝或者某一神靈占據(jù)共同中心的思想，但是他也建議所謂的星云，天空中存在的神秘的霧狀的白斑，既不是恒星，也不是行星，而是在遠(yuǎn)離圓盤之處。

康德

德國思想家康德，可能讀過萊特的書，也可能是讀過有關(guān)的評(píng)論，他以敏銳的心智迅即抓住了萊特那結(jié)構(gòu)松散的思想中的某些要點(diǎn)。

1755年，康德在《自然通史與天體論》 （Univeral Nature History and Theory of the Heavens）一書中提出了自己的思想。作為一部理論宇宙學(xué)和天文學(xué)的著作，它是一項(xiàng)真正意義上的巨大成就。沿著萊特開辟的道路，再加上他本人對牛頓物理學(xué)的鉆研，康德指出，星際系統(tǒng)和太陽系一樣，形狀也像一個(gè)扁平圓盤。正如太陽系中的行星在黃道帶的平面內(nèi)以橢圓軌道圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，康德提出，恒星也許也在圍繞著一個(gè)公共的未知的中心旋轉(zhuǎn)。

不像萊特，康德沒有讓神靈占據(jù)假想的中心位置?？档绿岢觯梢姷暮阈菢?gòu)成了這一共同“星系”，但是由我們的太陽系以及和其他恒星共同組成的，圍繞某個(gè)未知中心旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，也許并不是宇宙中存在的獨(dú)一無二的系統(tǒng)。實(shí)際上，宇宙也許是由許多這樣的星系組成的?？档逻M(jìn)一步指出，我們也許已經(jīng)看到了那些其他的星系，事實(shí)上，它們也許就是天文學(xué)家觀察到的、萊特提到的星云?？档轮赋?，這些星云大多都是橢圓形或圓盤形，它們離我們是如此之遙遠(yuǎn)，于是，在所有恒星的映襯之下，它們看上去就像是乳白狀的模糊一片。這是一個(gè)富有靈感和大膽的思想火花，盡管到20世紀(jì)才得以證實(shí)，卻為宇宙學(xué)開辟了一個(gè)廣闊的新天地：浩瀚無邊的宇宙，充滿了漂浮、旋轉(zhuǎn)著的島狀星系，這是一個(gè)人類從未夢想過的更為宏大壯觀的宇宙。

然而必須提醒，康德的思想雖然以牛頓物理學(xué)作為基礎(chǔ)，富有靈感，但僅是思辨。盡管他富有物理學(xué)和數(shù)學(xué)的修養(yǎng)，但是后來他更多還是以哲學(xué)家的身份引人關(guān)注，而不是一位真正意義上的物理學(xué)家或數(shù)學(xué)家。

遙遠(yuǎn)星系（NGC 4013）主盤的側(cè)視圖，是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在2001年拍攝的。有證據(jù)證明圍繞圓盤中心的暗帶是星際塵埃區(qū)，在那里有可能形成新星。

拉普拉斯

1749年出生在法國諾曼底的拉普拉斯則不同于康德。他是一位才華橫溢而又富有靈感的數(shù)學(xué)家，是18世紀(jì)最有影響的科學(xué)家之一。盡管今天大多數(shù)人不一定知道他，但他扎實(shí)的數(shù)學(xué)工作彌補(bǔ)了牛頓留下的某些缺口，并為康德的思辨提供了更為扎實(shí)的基礎(chǔ)。

梅斯?fàn)柡退男潜?/p>

梅斯?fàn)枺–harle Msessier，1730—1817）是一 位彗星獵手。就像許多當(dāng)時(shí)以及如今的天文學(xué)家一樣，他迷戀于在夜空中尋找和追蹤那些撲朔迷離的流星。在他的一生中，發(fā)現(xiàn)了不止15顆新彗星，因此贏得“彗星搜尋者”的綽號(hào)。梅斯?fàn)柡推渌麑Ｗ⒌目茖W(xué)家一樣，沉浸于自己的專業(yè)之中，不受外界干擾。在他早年通過望遠(yuǎn)鏡的觀測中，經(jīng)常被天空中一些微小的乳白色物質(zhì)所迷惑，它們被叫做星云。當(dāng)梅斯?fàn)栭_始工作時(shí)，對它們了解不多?？档伦鬟^一些猜測，但是威廉·赫歇爾（Friedrich William Herschel，1738—1822）的經(jīng)典工作尚未誕生。而梅斯?fàn)栒诟欏缧牵豢赡苋リP(guān)注星云，他面臨的問題是，星云容易被誤認(rèn)為彗星，由于它距離遙遠(yuǎn)因而移動(dòng)很慢，這就需要花費(fèi)大量的時(shí)間來跟蹤它們。

梅斯?fàn)枦Q定，解決這個(gè)問題的唯一方法就是建立一個(gè)星表，把那些混淆視線的星云和它們在天空中的精確位置列出來，以便使其他彗星獵手知道它們的精確位置，這樣就不會(huì)耽誤本可用于尋找彗星的寶貴時(shí)間了。

這是一件艱苦的工作，要知道在他那個(gè)時(shí)代望遠(yuǎn)鏡還很原始，這件事需要極大的耐心。但是梅斯?fàn)柕?781年竟列出了103個(gè)天體。由于梅斯?fàn)柕闹ぷ?，今天許多希望能看到大仙女座星系、球狀星團(tuán)、銀河星團(tuán)、行星星云，甚至超新星殘骸之類奇觀的業(yè)余天文學(xué)家　和職 業(yè)天 文學(xué) 家， 都可以很快　找到　它們。

1773年，拉普拉斯在考察木星軌道時(shí)，想要弄清為何當(dāng)土星軌道擴(kuò)張時(shí)，木星軌道會(huì)出現(xiàn)持續(xù)的收縮。在分別發(fā)表于1784和1786年之間的三篇論文中，他證明這一現(xiàn)象是周期性的，周期是929年。在詳細(xì)解釋這一現(xiàn)象的理由時(shí)，拉普拉斯的論文同時(shí)也解決了牛頓遺留下來的一個(gè)重要問題，那就是太陽系的穩(wěn)定問題。牛頓曾經(jīng)被太陽系各行星之間復(fù)雜的引力相互作用這個(gè)問題所困擾，并得出結(jié)論，為了保持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，有時(shí)需要某種神力的干預(yù)。拉普拉斯在他的同事，數(shù)學(xué)家拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange， 1736—1813）的幫助下，從數(shù)學(xué)上證明，由于圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的所有行星都沿同一方向，因此它們相互間的離心率和傾斜度總是足夠的小，以至于無須外界的干預(yù)，就能保持長期的穩(wěn)定?；蛘撸缤绽顾鶎懀?/p>

“從整體考慮，行星和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)都是以接近圓形軌道運(yùn)行，它們沿同一方向，所處平面相互間只有微不足道的傾斜，這樣的系統(tǒng)就會(huì)圍繞一個(gè)平均態(tài)振蕩，偏移值非常之小。”

實(shí)際上，拉普拉斯說，太陽系本質(zhì)上具有一種自我糾錯(cuò)機(jī)制，它不需要神力把它扳回原位。

拉普拉斯寫過許多重要論文，從數(shù)學(xué)的角度出發(fā)，討論與牛頓理論及行星和衛(wèi)星引力相互作用有關(guān)的大大小小各種問題。不過，他最通俗、最受讀者歡迎的是1796年出版的《宇宙體系論》（Exposition du Système du Monde），這是一本天文學(xué)通俗讀物，就在它的后記中，提出了解釋太陽系起源的理論。

“星云假說”，拉普拉斯以此來命名自己的設(shè)想，但他也許不知道康德已經(jīng)提出這一假說，只不過沒他的嚴(yán)格，并略有不同。不管是誰的星云假說，這一思想很快流傳開來，并且被19世紀(jì)里大多數(shù)天文學(xué)家接受。

拉普拉斯運(yùn)用牛頓引力理論，成功地說明了所有行星運(yùn)動(dòng)。拉普拉斯的星云假說提供了理性的和富有成效的方法，解決了恒星如何起源的問題。

簡單來說，這一假說的大意如下：最初太陽起源于巨大的旋轉(zhuǎn)中的星云或氣體云。隨著星云旋轉(zhuǎn)，氣體收縮，此時(shí)其旋轉(zhuǎn)速率不斷增大，直到星云中最外面的物質(zhì)無法靠引力維持為止。在這一過程中，這些氣狀物質(zhì)就凝聚在一起，形成一顆行星，而中心星云則繼續(xù)加快自旋速度并進(jìn)一步收縮，此時(shí)又留下更松散的物質(zhì)，形成另一顆行星。而中心星云則在中心處形成穩(wěn)定的太陽。這一理論存在許多疑問和尚未回答的問題，但它卻令人耳目一新，因?yàn)樗亲钤鐕L試運(yùn)用科學(xué)和理性推理來解釋太陽系的起源，而沒有借助于神靈或超自然的力量。

拉普拉斯知道，他的“理論”已經(jīng)帶有思辨的成分，但是他毫不懷疑，天體的所有奧秘以及其他種種都可以靠數(shù)學(xué)和牛頓定律的推理加以解決。他不夠謙遜，也不夠?qū)捄瘢ㄋ耐聦λ旨啥视至w慕），但他卻是啟蒙運(yùn)動(dòng)最虔誠的信徒，對機(jī)械論的宇宙觀堅(jiān)信不疑。這是理性時(shí)代許多科學(xué)家共同的信仰，但是很少有人像他那樣進(jìn)行強(qiáng)有力的表述，他寫道：在牛頓的宇宙中，決無偶然現(xiàn)象，假設(shè)有這樣一種情況，“在一個(gè)理智之士看來，只要給出宇宙初始時(shí)刻所有作用力的大小，以及所有物質(zhì)的瞬時(shí)狀況，就能推斷出宇宙中各種最大物體的運(yùn)動(dòng)……一切都是確定的，過去和將來都等同于現(xiàn)在”。

拉格郎日伯爵，18世紀(jì)公認(rèn)的偉大的數(shù)學(xué)家之一，也曾研究過行星運(yùn)動(dòng)。

然而，并不是18世紀(jì)所有的牛頓追隨者都是如此雄心勃勃的哲學(xué)家。盡管理論依然享有自己的地位，但許多天文學(xué)家，特別是在英國，寧可回避這種龐大的理論設(shè)想，轉(zhuǎn)向更有效和更實(shí)際的研究，把科學(xué)革命的教訓(xùn)和牛頓的定律運(yùn)用到日常的實(shí)用天文學(xué)之中。

齊心協(xié)力：威廉·赫歇爾和凱洛琳·赫歇爾

如果數(shù)學(xué)家拉普拉斯是18世紀(jì)最有影響的理論天文學(xué)家，那么，音樂家和業(yè)余天文學(xué)家威廉·赫歇爾則是啟蒙運(yùn)動(dòng)最有影響的實(shí)干天文學(xué)家。赫歇爾1738年生于德國的漢諾威，1757年為了逃避軍事服役來到英國。在德國他是一位有名的音樂家（雙簧管、風(fēng)琴、小提琴，樣樣都會(huì)，還當(dāng)過音樂會(huì)主持人），到英國重操舊業(yè)，先是教授和翻制音樂。然而不久他就站住了腳，當(dāng)上了軍樂隊(duì)指揮，成為有名的作曲家和風(fēng)琴演奏家。1766年，他受雇成為貝斯的奧斯太崗（Octagon）禮拜堂的風(fēng)琴演奏家。這是一個(gè)好職位，使他有時(shí)間教學(xué)、指揮和作曲。這一工作報(bào)酬豐厚，使他有足夠的錢發(fā)展他在天文學(xué)方面的興趣。1772年，他的妹妹凱洛琳（Caroline Lucretia Herschel，1750—1848）來到英國和他一起工作，此時(shí)的赫歇爾對恒星和行星是如此入迷，以至他已讀了數(shù)百本天文學(xué)、微積分和光學(xué)的書籍。他還購買了一臺(tái)小型望遠(yuǎn)鏡，開始把自己的夜晚時(shí)間用來凝視貝斯的天空。

凱洛琳很快就被哥哥的熱情吸引住了。她也是一位有造詣的音樂家和歌唱家，不久就幫助赫歇爾從事管弦樂作曲、復(fù)制他的音樂　，同時(shí)還表現(xiàn)出對天文學(xué)和望遠(yuǎn)鏡幾乎同樣濃厚的興趣。就在妹妹來到身邊不久，在妹妹的幫助下，赫歇爾建造了第一臺(tái)小型望遠(yuǎn)鏡。從那時(shí)起，就一發(fā)而不可收。很快建造了另一臺(tái)稍大一些的望遠(yuǎn)鏡，接著又添置了一臺(tái)。

這些望遠(yuǎn)鏡都很有趣，要比通常相似長度的望遠(yuǎn)鏡寬許多。當(dāng)問到為什么他的望遠(yuǎn)鏡與眾不同時(shí)，他解釋說，他不僅追求放大率，而且還注重采集光線的能力。望遠(yuǎn)鏡鏡面越大，捕捉到的光線就越多，可以看到的恒星和星云也就越多。赫歇爾早已迷戀于太陽系以外的宇宙。在他漫長的生涯中，在凱洛琳的幫助下，他確立了星際天文學(xué)這一學(xué)科，使天文學(xué)家的眼界遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了太陽系的范圍。不過有趣的是，正是有關(guān)太陽系內(nèi)的一件發(fā)現(xiàn)使他聲名鵲起，也使觀測天文學(xué)再獲生機(jī)，并且使他獲得世界級(jí)知名度。

盡管赫歇爾是一位很有耐性和細(xì)心的觀測者（他曾測量過一百多個(gè)月亮上的環(huán)形山，并用三種不同的方法親自校驗(yàn)了三遍），但他還是更感興趣于發(fā)現(xiàn)而非計(jì)算。對于赫歇爾來說，夜空宛如是一個(gè)浩瀚隱秘的海洋，因?yàn)樯儆腥丝碧?，因而充滿了發(fā)現(xiàn)機(jī)會(huì)。為了能在夜間巡視星空，他設(shè)計(jì)了一套仔細(xì)“掃描”天空的方法。每天夜晚他只對天空的某一小塊區(qū)域工作，一般僅為兩度左右的一條帶，在休息之前往往可以巡視兩遍。第二天他再巡視臨近的另一條，直到把他所在區(qū)域的可見夜空逐步掃描完畢。

1781年3月，赫歇爾在一次仔細(xì)掃描中發(fā)現(xiàn)在土星之外很遠(yuǎn)處有一顆新行星（當(dāng)時(shí)天文學(xué)家認(rèn)為土星是最遠(yuǎn)的行星），這是一項(xiàng)著名的發(fā)現(xiàn)。其他天文學(xué)家曾經(jīng)看到過這顆不久被命名為天王星的行星，但是他們總把它當(dāng)成一顆恒星，因而毫不在意。然而，赫歇爾在夜空掃描中記住了數(shù)千恒星的位置，于是迅速意識(shí)到這一小光斑是一個(gè)“漫游者”，因?yàn)檫@個(gè)地方不應(yīng)該有恒星。那它是彗星還是行星呢？赫歇爾向當(dāng)時(shí)的皇家天文學(xué)家報(bào)告這一發(fā)現(xiàn)并等候回答?；始姨煳膶W(xué)家在計(jì)算它的軌道之后回復(fù)說，這是一顆行星。確實(shí)是行星，由于它離得如此之遠(yuǎn)，于是，太陽系的大小幾乎比人們公認(rèn)的增加了一倍。赫歇爾一夜成名了。

威廉·赫歇爾是一位杰出的音樂家，開始做天文觀測時(shí)是業(yè)余的。但由于發(fā)現(xiàn)天王星很快就被公認(rèn)為18世紀(jì)最偉大的觀測天文學(xué)家之一。

奇怪的是，在牛頓之后，天文學(xué)在所有人看來都已回歸平常。畢竟，牛頓已經(jīng)解釋了每一件事情，該知道的都已經(jīng)知道了。理論家正在對付不切實(shí)際的哲學(xué)，但是這些哲學(xué)大多是太難了而無法認(rèn)真對待，而那些一線的天文學(xué)家忙于計(jì)算和編制星表。不時(shí)有新恒星公布，但是對于大多數(shù)人來說，一顆恒星就是一顆恒星而已。然而，一顆新的行星就不同了，這是以前所不知道的，卻又離我們更近，甚至普通人也能實(shí)際去想象它的存在。更為激動(dòng)人心的是，人們會(huì)想，也許太陽系里還有未被發(fā)現(xiàn)的東西吧，也許科學(xué)家并不是什么都知道。

這位音樂家和業(yè)余天文學(xué)家突然使天文學(xué)再度令人激動(dòng)。但是對于赫歇爾來說，興奮有點(diǎn)過頭了。他被指定為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，有人請他喝酒，聚會(huì)，赴宴，并給喬治三世（George Ⅲ ， 1738—1820）當(dāng)宮廷天文學(xué)家。正如凱洛琳很快認(rèn)識(shí)到的那樣，這最后一項(xiàng)榮譽(yù)對她兄長是一個(gè)巨大不利。有了它，雖然可以領(lǐng)到一筆年金，卻必須辭退音樂家的工作，變成全職的天文學(xué)家。遺憾的是，年金遠(yuǎn)不及他當(dāng)音樂家的收入。不過赫歇爾卻認(rèn)為，不可以拒絕國王的任命。必須尋找別的辦法維持收入。他們是優(yōu)秀的望遠(yuǎn)鏡制造者，事實(shí)上，有人說，他們做的望遠(yuǎn)鏡是世界上最好的。兄妹兩人不得不制造并出售這些精制儀器，以換取額外收入。

與此同時(shí)，因?yàn)橛辛烁嗟臅r(shí)間可以從事新的事業(yè)，赫歇爾致力于建造夢寐以求的大型儀器，使他能夠看得更遠(yuǎn)。他寫道：“我要比所有前人都看得更遠(yuǎn)?！碧焱跣鞘撬尿湴?。1787年，他又發(fā)現(xiàn)了天衛(wèi)三和天衛(wèi)四（天王星的兩顆衛(wèi)星），并且，在他結(jié)束工作之前，他又發(fā)現(xiàn)了土星的兩顆衛(wèi)星。但是赫歇爾的至愛依然是滿天的繁星以及那些龐大的望遠(yuǎn)鏡，正是它們使他有可能探望更遠(yuǎn)的星空。

他的望遠(yuǎn)鏡并不都是成功的。有一臺(tái)“巨人”望遠(yuǎn)鏡，當(dāng)赫歇爾爬上它的底座時(shí)，由于不堪承重而塌了下來。另一臺(tái)，計(jì)劃要安裝一面直徑3英尺的鏡面，于是，他不得不用“一大堆馬糞”作為鏡片鑄模，熱心的凱洛琳加工制作了這些馬糞。就在澆鑄的那一天，過熱的鑄模熔化了，熔化的金屬隨之流到地板上，頓時(shí)作坊變成了一座惡臭熏人的小型維蘇威火山，凱洛琳和赫歇爾只得拔腿就跑。

1772年，凱洛琳·赫歇爾來到英國加入她兄長的觀測工作。

在某些人看來，赫歇爾兄妹一定是全力以赴在建造望遠(yuǎn)鏡，其實(shí)他們?yōu)橛^測擠出了足夠的時(shí)間。1788年赫歇爾和一位有錢女子結(jié)婚，這使他們不用再忙于建造望遠(yuǎn)鏡，于是才有可能專注于自己的望遠(yuǎn)鏡和觀測。

哈雷證明過，恒星并不總是“固定”的，而是在天空中做“固有運(yùn)動(dòng)”。1783年威廉在觀測中證明，太陽也在天空中運(yùn)動(dòng)，這是他作出的第一個(gè)“有關(guān)恒星的重大發(fā)現(xiàn)”。我們的太陽系確實(shí)在做整體運(yùn)動(dòng)。太陽、行星和月亮不僅彼此在做復(fù)雜的相對運(yùn)動(dòng)，而且這種運(yùn)動(dòng)的舞臺(tái)本身也處于運(yùn)動(dòng)之中，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)在相對天空而移動(dòng)。不僅太陽不再是宇宙靜止的中心，而且現(xiàn)在看來，太陽系也不是。人類又再次發(fā)現(xiàn)自己在宇宙中并不占有優(yōu)越地位，而只是棲居于一個(gè)小球上，這個(gè)小球也只不過是偉大的宇宙中的一個(gè)小小參與者。對于18世紀(jì)的思想家來說，越來越明顯的是，整個(gè)宇宙就是一種永不停息的運(yùn)動(dòng)之舞。

觀測天文學(xué)家凱洛琳·赫歇爾是8顆彗星的獨(dú)立發(fā)現(xiàn)者，也是她兄長的密切合作者。她活到98歲，把一生奉獻(xiàn)給了天文學(xué)。

不僅是萬物都在運(yùn)動(dòng)，而且“萬物”要比人們所能想象的更多。

赫歇爾總是著迷于天上神秘的片狀星云物，有些思想家猜測，這些星云是大量恒星的集合，因?yàn)樗鼈兲h(yuǎn)了，無法看清楚。用他那更大更精確的望遠(yuǎn)鏡，赫歇爾就能看清它們中的許多，并且證明，它們確實(shí)是大量恒星的集合或者說就是星系。不過，他早期認(rèn)為所有星云都是巨大星系的結(jié)論后來被證明是錯(cuò)的，因?yàn)樵S多星云不能再分解成確鑿的恒星，他猜測，許多星云是某種“發(fā)光流體”組成的巨云，是形成“未來太陽的原始材料”。

18世紀(jì)80年代，在和凱洛琳對所謂的雙星做了一系列長期觀測之后，他還證明牛頓定律確實(shí)是普遍的。許多雙星不一定正好成對，而是相互靠得非常之近，以至于被引力鎖住，在一個(gè)彼此共有的軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)。這就進(jìn)一步證明了，牛頓定律的有效性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了太陽系，延伸到了整個(gè)浩瀚的太空。

赫歇爾于1816年被封為爵士，他的觀測幾乎從未中斷，直到1822年去世時(shí)為止。在啟蒙運(yùn)動(dòng)時(shí)期的所有天文學(xué)家中，正是他的貢獻(xiàn)更多地使天文學(xué)走向現(xiàn)代。他的望遠(yuǎn)鏡觀測使理性時(shí)代思想家的思辨變成了現(xiàn)實(shí)，這些思想家開始看到并且理解人類在宇宙中的地位——處在這一卑微的名為地球之行星上的我們，與那些游蕩著的恒星和星系一起，只不過是浩瀚宇宙中的滄海一粟。

對于有些人來說，這些知識(shí)是可怕的。人類和地球在科學(xué)家眼里變得越來越不重要，不再享有特權(quán)。然而，對于其他人，一個(gè)奇異的新世界正在展開。因?yàn)楣?、赫歇爾和其他觀測天文學(xué)家開始向我們揭示，那是什么；像康德、拉普拉斯那樣的思想家則企圖按宇宙的機(jī)械論特性理解它如何而來。所有的片段如何形成一個(gè)整體？如果宇宙確是充滿了星系，星系又是怎樣形成的？恒星和行星又是如何形成的？宇宙本身從何而來？它有開始嗎？有結(jié)束嗎？這些都是大問題，甚至需要許多年才能建立起一套嚴(yán)肅的理論，必須知道更多東西，需要發(fā)展許多新儀器和技術(shù)。還有更多基本的物理學(xué)有待理解。這一“控制”如此之多東西的神秘“引力”究竟是什么？什么是光？什么是熱？恒星如何“發(fā)光”？

這是一個(gè)費(fèi)力和復(fù)雜的議程——它將會(huì)占用許多的科學(xué)家好幾百年的時(shí)間。 自從古希臘以來，沒有人試圖解釋這么多問題。但是，牛頓已經(jīng)給予他們一把鑰匙——而且啟蒙運(yùn)動(dòng)的思想家們相信，他們用那把鑰匙就可以輕易解開所有的自然奧秘。這是他們的榮耀，因?yàn)檫@項(xiàng)任務(wù)遠(yuǎn)比他們想象的要復(fù)雜得多。