编者按

自从牛顿提出万有引力定律，揭示了宇宙运行的法则以来，人们对太阳系家族的认识依然没有实质性的进展，直到1781年3月的一个夜晚，一个音乐家兼业余天文爱好者将他的望远镜对着天空进行例行的扫描时，他发现，在土星之外很远处有一个小光斑。在此之前，天文学家们已经多次观察到这个小光斑，但他们都把它当成一颗恒星，因而毫不在意。然而，这个业余天文爱好者凭借自己对天空多年的扫描记录，他迅速意识到这个小光斑是一个“漫游者”，而不会是一颗恒星。不久答案揭晓，那就是天王星。这位音乐家由此名声大噪，成为18世纪最伟大的观测天文学家之一。他就是威廉·赫歇尔，伟大的天空猎人。

威廉·赫歇尔（1738—1822）

赫歇尔1738年生于德国的汉诺威，1757年为了逃避军事服役来到英国。在德国他是一位有名的音乐家（双簧管、风琴、小提琴，样样都会，还当过音乐会主持人），到英国重操旧业，先是教授和翻制音乐。然而不久他就站住了脚，当上了军乐队指挥，成为有名的作曲家和风琴演奏家。1766年，他受雇成为贝斯的奥斯太岗（Octagon）礼拜堂的风琴演奏家。这是一个好职位，使他有时间教学、指挥和作曲。这一工作报酬丰厚，使他有足够的钱发展他在天文学方面的兴趣。1772年，他的妹妹凯洛琳（Caroline  Lucretia  Herschel, 1750—1848)来到英国和他一起工作，此时的赫歇尔对恒星和行星是如此入迷，以至他已读了数百本天文学、微积分和光学的书籍。他还购买了一台小型望远镜，开始把自己的夜晚时间用来凝视贝斯的天空。

赫歇尔《降E大调第15号交响曲》手稿

凯洛琳很快就被哥哥的热情吸引住了。她也是一位有造诣的音乐家和歌唱家，不久就帮助赫歇尔从事管弦乐作曲、复制他的音乐，同时还表现出对天文学和望远镜几乎同样浓厚的兴趣。就在妹妹来到身边不久，在妹妹的帮助下，赫歇尔建造了第一台小型望远镜。从那时起，就一发而不可收。很快建造了另一台稍大一些的望远镜，接着又添置了一台。

威廉和凯洛琳·赫歇尔抛光望远镜镜头

赫歇尔制作的望远镜（复制品）

这些望远镜都很有趣，要比通常相似长度的望远镜宽许多。当问到为什么他的望远镜与众不同时，他解释说，他不仅追求放大率，而且还注重采集光线的能力。望远镜镜面越大，捕捉到的光线就越多，可以看到的恒星和星云也就越多。赫歇尔早已迷恋于太阳系以外的宇宙。在他漫长的生涯中，在凯洛琳的帮助下，他确立了星际天文学这一学科，使天文学家的眼界远远超出了太阳系的范围。不过有趣的是，正是有关太阳系内的一件发现使他声名鹊起，也使观测天文学再获生机，并且使他获得世界级知名度。
尽管赫歇尔是一位很有耐性和细心的观测者（他曾测量过一百多个月亮上的环形山，并用三种不同的方法亲自校验了三遍），但他还是更感兴趣于发现而非计算。对于赫歇尔来说，夜空宛如是一个浩瀚隐秘的海洋，因为少有人勘探，因而充满了发现机会。为了能在夜间巡视星空，他设计了一套仔细“扫描”天空的方法。每天夜晚他只对天空的某一块小区域工作，一般仅为两度左右的一条带，在休息之前往往可以巡视两遍。第二天他再巡视临近的另一条，直到把他所在区域的可见夜空逐步扫描完毕。

浩瀚的银河

太阳系

1781年3月，赫歇尔在一次仔细扫描中发现在土星之外很远处有一颗新行星（当时天文学家认为土星是最远的行星），这是一项著名的发现。其他天文学家曾经看到过这颗不久被命名为天王星的行星，但是他们总把它当成一颗恒星，因而毫不在意。然而，赫歇尔在夜空扫描中记住了数千恒星的位置，于是迅速意识到这一小光斑是一个“漫游者”，因为这个地方不应该有恒星。那它是彗星还是行星呢？赫歇尔向当时的皇家天文学家报告这一发现并等候回答。皇家天文学家在计算它的轨道之后回复说，这是一颗行星。确实是行星，由于它离得如此之远，于是，太阳系的大小几乎比人们公认的增加了一倍。赫歇尔一夜成名了。

漂亮的天王星

奇怪的是，在牛顿之后，天文学在所有人看来都已回归平常。毕竟，牛顿已经解释了每一件事情，该知道的都已经知道了。理论家正在对付不切实际的哲学，但是这些哲学大多是太难了而无法认真对待，而那些一线的天文学家忙于计算和编制星表。不时有新恒星公布，但是对于大多数人来说，一颗恒星就是一颗恒星而已。然而，一颗新的行星就不同了，这是以前所不知道的，却又离我们更近，甚至普通人也能实际去想象它的存在。更为激动人心的是，人们会想，也许太阳系里还有未被发现的东西吧，也许科学家并不是什么都知道。

英国科学家伊萨克·牛顿（1643—1727），万有引力的发现者

音乐和天文，究竟谁吸引力更大？面临抉择，赫歇尔将何去何从？

这位音乐家和业余天文学家突然使天文学再度令人激动。但是对于赫歇尔来说，兴奋有点过头了。他被指定为皇家学会会员，有人请他喝酒，聚会，赴宴，并给乔治三世（George Ⅲ, 1738—1820）当宫廷天文学家。正如凯洛琳很快认识到的那样，这最后一项荣誉对她兄长是一个巨大不利。有了它，虽然可以领到一笔年金，却必须辞退音乐家的工作，变成全职的天文学家。遗憾的是，年金远不及他当音乐家的收入。不过赫歇尔却认为，不可以拒绝国王的任命。必须寻找别的办法维持收入。他们是优秀的望远镜制造者，事实上，有人说，他们做的望远镜是世界上最好的。兄妹两人不得不制造并出售这些精制仪器，以换取额外收入。

赫歇尔的镜面抛光机

与此同时，因为有了更多的时间可以从事新的事业，赫歇尔致力于建造梦寐以求的大型仪器，使他能够看得更远。他写道： “我要比所有前人都看得更远。”天王星是他的骄傲。1787年，他又发现了天卫三和天卫四（天王星的两颗卫星），并且，在他结束工作之前，他又发现了土星的两颗卫星。但是赫歇尔的至爱依然是满天的繁星以及那些庞大的望远镜，正是它们使他有可能探望更远的星空。

他的望远镜并不都是成功的。有一台“巨人”望远镜，当赫歇尔爬上它的底座时，由于不堪承重而塌了下来。另一台，计划要安装一面直径3英尺的镜面，于是，他不得不用“一大堆马粪”作为镜片铸模，热心的凯洛琳加工制作了这些马粪。就在浇铸的那一天，过热的铸模熔化了，熔化的金属随之流到地板上，顿时作坊变成了一座恶臭熏人的小型维苏威火山，凯洛琳和赫歇尔只得拔腿就跑。

在某些人看来，赫歇尔兄妹一定是全力以赴在建造望远镜，其实他们为观测挤出了足够的时间。1788年赫歇尔和一位有钱女子结婚，这使他们不用再忙于建造望远镜，于是才有可能专注于自己的望远镜和观测。

哈雷证明过，恒星并不总是“固定”的，而是在天空中做“固有运动”。1783年威廉在观测中证明，太阳也在天空中运动，这是他作出的第一个“有关恒星的重大发现”。我们的太阳系确实在做整体运动。太阳、行星和月亮不仅彼此在做复杂的相对运动，而且这种运动的舞台本身也处于运动之中，因为整个系统在相对天空而移动。不仅太阳不再是宇宙静止的中心，而且现在看来，太阳系也不是。人类又再次发现自己在宇宙中并不占有优越地位，而只是栖居于一个小球上，这个小球也只不过是伟大的宇宙中的一个小小参与者。对于18世纪的思想家来说，越来越明显的是，整个宇宙就是一种永不停息的运动之舞。

英国天文学家哈雷（1656—1742）

哈雷彗星，以其发现者命名的彗星

不仅是万物都在运动，而且“万物”要比人们所能想象的更多。
赫歇尔总是着迷于天上神秘的片状星云物，有些思想家猜测，这些星云是大量恒星的集合，因为它们太远了，无法看清楚。用他那更大更精确的望远镜，赫歇尔就能看清它们中的许多，并且证明，它们确实是大量恒星的集合或者说就是星系。不过，他早期认为所有星云都是巨大星系的结论后来被证明是错的，因为许多星云不能再分解成确凿的恒星，他猜测，许多星云是某种“发光流体”组成的巨云，是形成“未来太阳的原始材料”。

18世纪80年代，在和凯洛琳对所谓的双星作了一系列长期观测之后，他还证明牛顿定律确实是普遍的。许多双星不一定正好成对，而是相互靠得非常之近，以至于被引力锁住，在一个彼此共有的轨道上运转。这就进一步证明了，牛顿定律的有效性远远超过了太阳系，延伸到了整个浩瀚的太空。

赫歇尔于1816年被封为爵士，他的观测几乎从未中断，直到1822年去世时为止。在启蒙运动时期的所有天文学家中，正是他的贡献更多地使天文学走向现代。他的望远镜观测使理性时代思想家的思辨变成了现实，这些思想家开始看到并且理解人类在宇宙中的地位——处在这一卑微的名为地球之行星上的我们，与那些游荡着的恒星和星系一起，只不过是浩瀚宇宙中的沧海一粟。

对于有些人来说，这些知识是可怕的。人类和地球在科学家眼里变得越来越不重要，不再享有特权。然而，对于其他人，一个奇异的新世界正在展开。因为哈雷、赫歇尔和其他观测天文学家开始向我们揭示，那是什么；像康德、拉普拉斯那样的思想家则企图按宇宙的机械论特性理解它如何而来。所有的片段如何形成一个整体？如果宇宙确是充满了星系，星系又是怎样形成的？恒星和行星又是如何形成的？宇宙本身从何而来？它有开始吗？有结束吗？这些都是大问题，甚至需要许多年才能建立起一套严肃的理论，必须知道更多东西，需要发展许多新仪器和技术。还有更多基本的物理学有待理解。这一“控制”如此之多东西的神秘“引力”究竟是什么？什么是光？什么是热？恒星如何“发光”？

德国哲学家康德（1724—1804），运用其天才的思辨，曾提出太阳系起源的星云假说

这是一个费力和复杂的议程——它将会占用许多的科学家好几百年的时间。自从古希腊以来，没有人试图解释这么多问题。但是，牛顿已经给予他们一把钥匙——而且启蒙运动的思想家们相信，他们用那把钥匙就可以轻易解开所有的自然奥秘。这是他们的荣耀，因为这项任务远比他们想象的要复杂得多。

本文摘自北京大学出版社《科学的旅程》一书。

《科学的旅程》珍藏版

作者：雷•斯潘根贝格（R.Spangenburg）、戴安娜•莫泽(D.K. Moser)是美国著名科普作家，纽约公共图书馆“最佳青少年读物”获奖人，专门从事批判性思维、科学、技术和科学史的写作。他们合作出版五十多部科普书籍，许多作品被翻译成多种文字，畅销世界各地。《科学的旅程》是其影响力最大、最畅销的一部代表作。

本书在国内共获奖13项，是备受好评的经典读物：

第二届中国出版政府奖（提名奖）

第三届中华优秀出版物奖（提名奖）

第五届国家图书馆文津图书奖第一名

中国大学出版社图书奖第九届优秀畅销书奖一等奖

2009年度全行业优秀畅销品种

2009年影响教师的100本图书

2009年度最值得一读的30本好书

2009年度引进版科技类优秀图书奖

第二届（2010年）百种优秀青春读物

第六届吴大猷科学普及著作奖佳作奖（中国台湾）

第二届“中国科普作家协会优秀科普作品奖”优秀奖

2012年全国优秀科普作品

2013年度教师喜爱的100本书

《科学的旅程》插图

【本期编辑：陈静、吴卫华】