卢昌海同学介绍
作品推荐
——卢昌海同学近年来写了不少的科普作品，部分已正式发表。近期有幸阅读了寻找太阳系的疆界一文，被深深吸引！现转帖第一段如下，欢迎有兴趣的老师、同学到他的个人网页上去阅读更多很有价值的文章！个人感觉，他的网页是一个不可多得的，可以让我们更好、更全面地了解物理的地方！ — 乐永康 2009/02/06 00:14
寻找太阳系的疆界
卷首语
记得念小学的时候， 有一篇课文叫做 “数星星的孩子”， 讲述汉朝天文学家张衡童年的故事。 时隔这么多年， 小学的很多课文我已经忘了， 但那篇数星星的课文却依然历历在目。 那时候， 我住在杭州郊外， 家门口有一个池塘， 在许多个晴朗的夏夜里， 我和小伙伴们也常常坐在池塘边仰望星空。 那时候， 郊外的天空还没有被都市的灯光所污染， 在广袤的天幕下， 那一颗颗璀璨夺目的星星显得格外晶莹美丽。 自远古以来， 这种无与伦比的美丽就吸引了一代又一代的追随者， 他们中的一些人甚至将自己的一生都献给了探索星空奥秘的科学事业。 人类寻找太阳系疆界的故事只是科学史上的几朵小小浪花， 但在那些故事中有浪漫， 也有艰辛， 有情理之中， 也有意料之外， 有功成名就的兴奋， 也有错失良机的遗憾， 它们就像天上的星星一样动人。
一. 远古苍穹
很多故事都会从 “很久很久以前” 开始的故事， 仿佛久远的年代是成就一个好故事的要素。 现在让我们也从 “很久很久以前” 来开始讲述人类寻找太阳系疆界的故事吧。
在很久很久以前， 一群古希腊的牧羊人孤孤单单地生活在辽阔的原野上。 他们白天与羊群为伍， 在原野上漫游， 夜晚则与星空为伴， 期待黎明的到来。 渐渐地， 他们注意到在黎明之前， 在晨光渐露、 太阳即将跃出地平线的时候， 天边有时会出现一颗闪烁的星星。 与多数星星不同的是， 那颗星星的位置会一天天地变化， 甚至有时会连续一段时间不出现。 他们把这颗出现在黎明时分的星星叫做 “晨星” (morning star)。 细心的牧羊人还注意到， 在黄昏时分， 在日沉大地、 暮色四合的时候， 天边有时也会出现一颗闪烁的星星， 它的位置也会一天天地变化， 有时也会连续一段时间不出现。 他们把那颗出现在黄昏时分的星星叫做 “晚星” (evening star)。 后来人们用希腊及罗马神话中的太阳神阿波罗 (Apollo) 表示晨星， 用希腊或罗马神话中的信使赫耳墨斯 (Hermes) 或墨丘利 (Mercury) 表示晚星。 很多年之后， 人们意识到晨星和晚星实际上是出现在不同时刻的同一颗星星， 据说毕达哥拉斯 (Pythagoras) 是最早意识到这一点的人[注一]。 在群星之中， 这颗星星的位置变化最为显著， 往来如梭， 仿佛天空中的信使。 信使墨丘利便成了它的名字。
象这样的小故事在人类文明的几乎每一个早期发源地都有过。 那时的人们就已经知道， 在浩瀚的夜空中， 多数星星的位置看上去都是固定的， 象晨星 (晚星) 这样会移动的星星是十分少见的。 这样的星星被称为行星， 它的英文名 planet 来自希腊文 πλανήτης (planētēs)， 其含义是漫游者。 被远古人类发现的行星共有五颗， 这个数目在长达几千年的时间里从未改变过， 甚至一度被认为是永恒不变的真理。 在东方的中国及深受中华文化影响的东方国家如日本、 韩国及越南， 人们将五颗行星与阴阳五行联系在一起， 并以此将它们分别命名为水星 [即上面提到的墨丘利 (Mercury)]、 金星 [在西方世界被称为维纳斯 (Venus)， 她是罗马神话中掌管爱情与美丽的女神]、 火星 [在西方世界被称为玛尔斯 (Mars)， 他是罗马神话中的战神]、 木星 [在西方世界被称为朱比特 (Jupiter)， 他是罗马神话中的众神之王] 和土星 [在西方世界被称为萨坦 (Saturn)， 他是朱比特的父亲， 是罗马神话中掌管农业与收获的神]。 很明显， 这种命名方式除了起到命名作用外， 还代表了古代东方文化对行星数目 “五” 的一种神秘主义的解读。 类似的解读方式不仅存在于东方， 也存在于西方； 不仅存在于古代， 也存在于近代。 哥白尼 (Nicolaus Copernicus) 的日心说提出之后， 地球本身也被贬为了行星， 行星的数目由 “五” 变成了 “六”， 对此， 开普勒 (Johannes Kepler) 提出了一个几何模型， 试图将天空中存在六颗行星与三维空间中存在五种正多面体这一几何规律联系在一起[注二]。
诸如此类的对行星数目的神秘主义解读虽然没什么生命力， 但除了日心说导致的地球地位变更外， 行星数目的长期不变却是不争的事实。 一百年、 两百年， …， 一千年、 两千年， …， 这个数目是如此地根深蒂固， 天文学家们大都在事实上将之视为了不言而喻， 他们做梦也没想到， 这个数目有一天竟然也会被改变。 这一天是 1781 年 3 月 13 日， 改变这个数目的是生活在一个英国小镇的一位业余天文学家， 他的名字叫做赫歇耳 (William Herschel)， 他发现了太阳系的第七颗行星， 从而成为几千年来发现新行星的第一人。 赫歇耳的发现出乎了包括他自己在内的所有人的意料， 这一发现不仅为他本人赢得了永久的荣誉， 也将观测天文学带入了一个崭新的时代， 一个由赫歇耳 “无心插柳” 而开启的天文学家们 “有心栽花” 的时代， 人类从此开始了寻找太阳系疆界的漫漫征途。
注释
- 除了墨丘利 (即水星) 外， 另一颗内行星 - 金星 - 也只能在清晨和黄昏才容易被肉眼所见 (请读者想一想为什么水星和金星只能在清晨和黄昏才容易被肉眼所见？)， 因而也曾被古代观测者误当成存在晨星和晚星。 后来也是古希腊人首先意识到它们是同一颗行星。
- 具体地讲， 开普勒提出的几何模型是这样的： 将六颗行星与三维空间仅有的五种正多面体按以下顺序自内向外排列： 水星、 正八面体、 金星、 正二十面体、 地球、 正十二面体、 火星、 正四面体、 木星、 正六面体、 土星。 排列的方式是每个行星轨道所在的球面都与其外侧的正多面体内切 (最外侧的土星除外)， 同时与其内侧的正多面体外接 (最内侧的水星除外)。 开普勒的这一模型虽然与精密的观测 - 包括他自己后来所发现的行星运动定律 - 不相符合， 但他终其一生也没舍得彻底放弃。 喜欢几何的读者不妨计算一下这一模型所给出的相邻行星的轨道半径之比， 并与观测数值作一个比较。
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