太阳系有多大？

1768年，英国皇家海军军官詹姆斯·库克（James Cook）率领80余人从英格兰起航，开始了他们的天文发现之旅。他们此行环绕了半个地球，在海上航行10个月后，库克一行人终于乘坐着“HMS奋进号”考察船抵达目的地塔希提岛，塔希提岛是位于太平洋中心的一个偏远的小岛。他们千里迢迢到此，只为奉命在岛上执行一个约6小时的天文观察任务，以求计算出太阳系的真正大小。

库克奉命前往此处是为了观测一种叫作金星凌日的罕见天象——在某些特殊时刻，金星会像一个黑点从太阳面前经过（图2-1）。天文学家为此次将于1769年6月3日发生的金星凌日准备了周密的计划，届时它将会在世界多个地点被同时观测，所有观测者都被要求记录下金星凌日的持续时间。天文学家希望通过观测结果计算出日地距离，即一个天文单位的确切数值，从而推算出太阳系的大小。金星凌日是一种十分罕见的天象，只有当太阳、金星和地球位于一条直线上时才会发生，下一次要到100多年后了。天气是一切的关键，如果赶上了阴天，库克这一趟可就白来了。还好天公作美，6月3日当天，塔希提岛的天气奇佳。库克在日记中这样写道：“天遂人意，今天的天气非常理想，万里无云，空气十分清新。”

早在库克航行的那个时代，天文学家就已经知道如何通过追踪太阳、行星以及卫星在天空中的移动轨迹来计算它们的相对距离，但他们对绝对距离却毫无把握。他们为此感到焦躁不安，如果连太阳系实际上有多大都不知道，那么怎么入手研究太阳系呢？于是，确定天文单位的具体数值成了当务之急。科学家对它的重视程度极高，还为此发起了一次在当时来说规模最大的国际联合观测活动。库克史诗般的三次探险航行便是这一壮举的一部分，此次正是他的首航。

事实上，人类史上第一次以测量太阳系大小为目的的严格意义上的科学实践是在1672年，比库克的第一次航行早了近一个世纪。1672年，时任巴黎天文台台长的天文学家让-多米尼克·卡西尼（Jean-Dominique Cassini）为了测量火星与地球的准确距离，指派他的同事让·里歇尔（Jean Richer）前往南美洲的法属圭亚那地区观测火星的位置，而他自己则留守巴黎。从这两个观测点来看，火星相对天空中更为遥远的恒星来说位置有微小的差异。只要测得了火星这两个不同位置的差异，以及两个观测点之间的距离，就可以计算出火星与地球的准确距离。只要知道这一距离，也就可以计算出地球与太阳系各行星的距离，但都是相对于地球半径的距离。两年前，法国天文学家让-菲利克斯·皮卡尔（Jean-Felix Picard）测得地球的半径约等于6 300千米。卡西尼和里歇尔利用它推算出日地距离相当于地球半径的2.17万倍，即138 000 000千米。

1679年，埃德蒙·哈雷（Edmond Halley，哈雷彗星就是以他的名字命名的）意识到，可以利用金星凌日准确测定日地距离。哈雷参考苏格兰数学家詹姆斯·格雷戈里（James Gregory）几年前提出的思路，设计出了一个计算日地距离的方法，即记录金星凌日的持续时间。它看似简单，但困难之处是需要在地球上相隔遥远的不同地点同时进行观测。哈雷在1716年公布了这一计划，但自知无法在有生之年亲眼见证它的完成，因为金星凌日一般是成对出现的，两次时间相隔8年，每对之间相隔100多年。当时哈雷已经60岁了，而下一对金星凌日的时间是1761年和1769年。

随着金星凌日预测日期的临近，天文学家们纷纷摩拳擦掌。全世界共有几十名天文学家参与了1761年和1769年的金星凌日观测，库克的航行就是其中一部分。为了观测金星凌日，一些探险队员不惜背井离乡，栉风沐雨，有些甚至还为科学事业献出了宝贵的生命。观测结束后，这些得来不易的观测结果被汇总起来并加以分析，最后得出天文单位的数值为1.53亿千米，只稍大于今天公认的1.495 978 707亿千米。

这样算来，太阳系比我们想象中的还要大得多。公元2世纪，在亚历山大（埃及北部港市）任职的希腊天文学家克劳狄·托勒密（Claudius Ptolemy），提出了日地距离是地球半径的1 210倍（换算成现代度量单位为800万千米）的猜想，这一数值保持了近1 500年。到了17和18世纪，天文学家眼中的太阳系已经扩大至原来的20倍。在此期间，新型科学仪器、新技术和强大数学工具的发明大大地推动了科学的发展，这促使天文学家开始思索太阳系真正的规模，他们对太阳系乃至整个宇宙的认识也发生了翻天覆地的变化。人们心中1 000多年来关于太阳系根深蒂固的信仰已摇摇欲坠，或者说正在瓦解。

从众神漫步到几何模型

大约在公元145年，托勒密将希腊人用以估算天体位置的各种天文观点和方法汇编成书，这本惊世杰作就是如今脍炙人口的《天文学大成》。和几乎所有前人一样，托勒密同样认为地球是宇宙的中心。他认为地球居于宇宙的中心，而月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星均围绕着它转动，它们的轨道依次增大。由于这7个天体总是在转动，不像位置相对固定的恒星星座，故被称为“行星”（源自希腊语“漫游者”一词）。

早在公元前1500年，古巴比伦的观天者就已经测得了行星的位置，并将其刻录在泥版文书上，那时候希腊的天文学还未萌芽。但古巴比伦人却对占星学更加情有独钟，而非天文学。在他们眼中，行星不只是夜空中闪烁的星光，还是神明般的存在，它们的一举一动都是对地球上万事万物的预示。古巴比伦人从事了大量精准的天象观测活动，并记录下结果，希望从中找到一些可以用于预测未来的固定规律。希腊自然哲学家也继承了这种宇宙神话论。他们对行星的命名后来被翻译成拉丁文并沿用至今，比如：金星的拉丁文为“Venus”，意为爱神维纳斯；火星“Mars”意为战神玛尔斯。

古希腊天文学家是首批将数学原理用于解释天象的人。他们认为，宇宙是一个三维动态的空间，但这种猜想其实更多地来自哲学构想，而且当时的天文观测也比较粗糙。然而，从科学的角度来说，它已经跨出了早期的神话论。早期的古希腊思想家最先将宇宙称为“大和谐”（“cosmos”），意为统一、和谐的整体，和混沌状态相反。

在所有古希腊哲学家中，论对早期西方世界认识太阳系影响最大的，非亚里士多德（Aristotle，公元前384—前322年）莫属。他认为地球是宇宙的中心，其他天体均沿着圆形轨道绕地球转动是毋庸置疑的常识。他还认为，地球和月球之下的世界是不断变幻的、不完美的，月上世界则是完美永恒的。

如果地球果真如亚里士多德所言是宇宙中心的话，那么就很难用简单的数学方法去解释行星的各种运动了。比如，为什么行星的运动方向基本相同但运动速度不同？为什么它们有时会朝着相反的方向运动（逆行）？为什么行星的亮度、太阳和月球的外观会随着时间改变？行星的这些怪异行为让古希腊哲学家们百思不得其解。

今天的我们则没有这样的困惑，那是因为我们知道行星的旋转中心不是地球，而是太阳，而且所有轨道，包括月球绕地球运转的轨道都是椭圆形的，而非圆形。如果假设天体围绕地球做圆周运动，那么行星的运动将难以解释。为了解释行星的逆行运动以及运行速度不同的现象，古希腊天文学家运用高超的数学技巧构建了一个极为复杂的同心球宇宙模型。虽然这些方法本身就有问题，而且自相矛盾，但迫于当时没有其他选择，也只好勉强接受了。接受日心说对于大多数人来说需要非常跳跃的想象力。生活在公元前3世纪萨摩斯岛（一个希腊岛屿）的阿里斯塔克（Aristarchus）是为数不多宣扬日心说的哲学家之一，他的观点几乎无人拥护。

亚里士多德接受了与他差不多同时期的欧多克索斯（Eudoxus）的观点。欧多克索斯出生在小亚细亚西南部的尼多斯。他认为所有行星都镶嵌在看不见的天球上，天球层层嵌套，它们的自转轴是互相偏斜的。在亚里士多德眼中，这些旋转的天球与行星一样都是真实存在的。最外层的天球上镶嵌着所有恒星，它是所有天体运动的原动力所在，行星天球嵌在恒星天球里。这样就没有理由假设地球到太阳的距离比其他行星远了。后来，亚里士多德在欧多克索斯的基础上将同心球宇宙模型中同心球的数量发展到了56个。虽然复杂如此，但经过深入观察，他的模型仍和实际情况不符。

500多年后的托勒密在编撰《天文学大成》时，更热衷于寻找能够准确预测行星位置的方法，而非用物理原理来描述宇宙。但他在论证同一天体的不同特性（比如月球的运行速度和外观大小）时所用的数学方法总是自相矛盾。托勒密是圆周运动定律的忠实捍卫者，但为了和实际观测结果相符，他不得不把不同的圆形轨道结合在一起，并让轨道发生移动。在他的模型里，行星并不是绕地球做简单圆周运动，而是沿着“本轮”做圆周运动。托勒密让“本轮”的中心发生位移，以使它们的中心到地球的距离是固定的。这还不够，为了解释行星之间各不相同的运动速度，他提出行星的运动速度其实是均匀的，但它们并非绕地心或偏心圆“本轮”的中心匀速运动，而是绕虚无空间里的偏心匀速点（equant）做匀速运动。这么说来，托勒密从本质上已经放弃了匀速圆周运动理论了。然而，地心说在人们心中已经根深蒂固，因此在接下来的1 000多年时间里，托勒密仍然是天文学的最高权威。

希腊的天文学在托勒密之后便沉寂了。然而，公元7世纪伊斯兰教开始扩张，在征服了中东和地中海地区之后，希腊哲学家和天文学家的著作又重见天日。公元9世纪初，它们在巴格达被翻译成阿拉伯文，从那里传到北非和西班牙，后又被转译成拉丁文。除了计算行星位置的基本图表被修正过之外，最根本的地心宇宙结构图却原封不动地保存了下来（图2-2）。在中世纪的欧洲，亚里士多德的哲学融入了基督教神学的理念。在天主教会的权威下，地心宇宙观的地位更加难以撼动了。

异军突起的日心说

尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）是第一个对托勒密的观点提出严重质疑的人。哥白尼1473年出生于波兰托伦市，是文艺复兴时期一名才华横溢的学者，他曾就读于克拉科夫、博洛尼亚以及帕多瓦等地的大学。获得法律和医学领域的从业资格后，他从1501年开始担任弗劳恩堡大教堂（Cathedral of Frauenberg）的教士，直至逝世。在克拉科夫学习期间，哥白尼对天文学产生了浓厚的兴趣。1510年至16世纪30年代，他提出了宇宙日心说，指出宇宙真正的中心是太阳，而不是地球。

哥白尼认为，托勒密为阐释太阳系所使用的数学规则既自相矛盾，又随心所欲，于是提出地球围绕太阳转动的主张。他认为，托勒密这些数学规则不仅毫无物理意义，更解释不了客观事实。哥白尼想要回归亚里士多德哲学，他渴望找到一个能够真正描述这个世界和解释天象的理论体系。和亚里士多德一样，他认同匀速圆周运动，极力反对托勒密使用的方程式。“发现这些问题以后，”他写道，“我思考了很久，想找到一个更加合理的安排，使所有表观的非匀速运动都可以被计算出来，并使一切天体都能围绕着各自的中心匀速运动，从而符合绝对运动定律。”

假设太阳是行星系统的中心，月球绕地球转动，地球自转一圈的时间为一天，那么托勒密模型中的问题似乎便可迎刃而解了。哥白尼认为，地动说和基督教的教条并不相悖，但同时也自知非议在所难免。当哥白尼尝试通过数学计算拟合数据时，他发现细节方面仍然不符合。匀速圆周运动解释不了月球与各行星运行速度不一致的问题，仍然需要借助“本轮”或偏心轨道来解释。

格奥尔格·约阿希姆·雷蒂库斯（Georg Joachim Rheticus）是一名德国青年学者，也是哥白尼的弟子，由于他的多番敦促和热心相助，哥白尼的《天体运行论》一书才得以在1543年出版问世。同年，哥白尼与世长辞。如果把《天体运行论》看作一本预测行星位置的实用指南的话，它并不如托勒密的《天文学大成》的成就高，但是哥白尼改变了整个已知宇宙的图像，破天荒地提出了太阳系这一概念（太阳系的中心是太阳，而不是地球），还按照从近到远的顺序排列了各大行星与太阳距离的顺序：水星、金星、地球、火星、木星和土星（图2-3）。他还发现，虽然地球无时无刻不在绕日公转，但是从地球上仰望天穹，各大星座中恒星的位置似乎始终纹丝不动，据此他推测恒星和太阳的距离一定至少比土星到太阳的距离大几百倍。

秩序的建立

半个世纪过去了，哥白尼这本高瞻远瞩的著作依旧反响平平。但有一位天文学家对哥白尼的学说笃信不疑，他就是约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）。开普勒1571年出生于德国西部的斯图加特附近，就读于图宾根大学，从1594年开始在格拉茨当数学教师。哥白尼的日心模型之所以吸引开普勒，是因为开普勒相信太阳是太阳系和谐运转的本源，特别是他认为太阳居于太阳系中心的位置，从而带动了各行星沿着各自的轨道运行，这是一种颠覆性的新宇宙观。开普勒认为，行星的转动不是哲学问题，而是物理问题。

1596年，开普勒的研究引起了当时颇具影响力的丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）的注意，第谷同样也不赞同亚里士多德的宇宙观。1572年，20多岁的第谷发现了仙后座中一颗短暂出现的新星，也就是我们今天所说的超新星爆炸。他计算出这颗新星与月球的距离非常遥远，这表明月球以外的天界并非如古人所想的那般恒久不变，它们同样也会变化。5年后，也就是1577年，第谷证明了当年出现的那颗大彗星是在行星的空间中运行穿梭，彗星并非之前所想的是一种大气现象。所有这些都推翻了亚里士多德的宇宙完美不变论。

第谷曾在当时的丹麦国王的资助下建立了一个装备先进的天文台，里面所配备的精密天文仪器无论设计还是制作均出自他本人之手。他20年如一日地进行天文观测，精度之高为他同时代的人所望尘莫及。1597年，丹麦国王停止了资助，他于是应神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世的邀请定居布拉格，并担任他的皇家天文学家。3年后，第谷在那里见到了比他小25岁的开普勒。在获得了第谷提供的一些观测资料后，开普勒开始着手研究火星轨道的形状。翌年，第谷驾鹤西游，开普勒继承了恩师第谷的大量研究资料，并接替他担任皇家天文学家一职。

开普勒抛开已有的与火星运动有关的理论潜心研究，经过多番艰苦探索后终于拨云见日：火星围绕地球运行的轨道可以用一个椭圆完美描绘，太阳位于椭圆的一个焦点上。很快他便提出所有行星轨道均呈椭圆形的观点，这就是著名的开普勒行星运动三大定律中的第一定律（第二定律阐释了行星在公转轨道上的运行并非匀速运动，第三定律阐明了行星的轨道大小与公转周期的关系）。1609年，开普勒将研究成果写进了《新天文学》一书中。天体做匀速圆周运动的假说从此告别了历史的舞台。

同年，荷兰人发明了望远镜的消息不胫而走，传到了远在意大利帕多瓦的伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）耳中，于是他开始制作自己的望远镜。1609年至1610年冬天，他开始利用自制的天文望远镜观察茫茫夜空，他的发现彻底驱散了心头一直以来对哥白尼日心说的疑虑。透过自制的天文望远镜，他看到月球表面和地球一样分布着山丘平原，这与亚里士多德想象中规则平滑的天球截然不同。他还观察到，虽然金星的相位与月球相似，但它并不围绕地球转动。他还发现木星周围有4个卫星环绕其运行，种种发现无不表明地球并不是万物的中心。

伽利略后来与天主教会的斗争尽人皆知。对于当时的很多学者而言，神学与科学探索之间并没有明确的分界线，他们认为，在追求真理的过程中，两者必须同时兼顾。伽利略得罪了当时多个宗教权威，他对地动说的拥护显然也违背了《圣经》中某些段落的描述。教会认为伽利略挑战了它的权威，所以当然拒绝承认这种颠覆性的思想，除非伽利略找到有力的证据。不管怎么说，当时没人能解释如果地球当真时时刻刻都在宇宙中运动的话，我们为什么感受不到它在动。今天，借助现代科学仪器，我们可以探测到地球的运动，但它的效应非常微弱，这就是我们感觉不到地球在动的原因。虽然伽利略没能直接证明地球是运动的，但他的其他发现足够令人信服，使宇宙日心说冲破重重官方管制，在整个欧洲传播开来。

引力定律

1642年伽利略与世长辞，就在第二年，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）出生了。从哥白尼开始到开普勒再到伽利略，他们都在寻找一个能够解释月球、行星运动的可行的物理理论，牛顿提出的引力理论为这一探索之旅画上了一个圆满的句号。牛顿指出，行星沿圆周运动而非直线运动是因为受到另一个天体的力的作用。他意识到这种驱使行星运动的力与让苹果掉落到地球表面的“重力”其实是同一种力。假设宇宙万物之间皆有引力，这就能够解释月球为什么绕地球转动、行星为什么绕太阳转动了，甚至还可以用来解释潮汐现象。经过深入的数学论证，牛顿证明了两个天体间的引力与它们距离的平方成反比，这个定律还可以解释开普勒的所有定律。

为了解释天体的运动，牛顿做了一系列假设，包括破天荒地提出了行星间不存在任何物质的猜想。1644年，著名法国哲学家勒内·笛卡儿（René Descartes）在他的一本著作中提出，宇宙到处充斥着由无形的物质组成的高速旋转的涡旋，每个涡旋的中心都有一颗恒星。他认为太阳就置身于其中一个涡旋中，涡旋带动着行星围绕它转动。在牛顿的宇宙观里，物体之间的相互作用并不需要依赖任何物理媒介，而是引力的作用使然。

这个引力理论后来被编入他于1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中，该著作通常被简称为《原理》（拉丁文为Principia）。虽然牛顿确定了主宰太阳系运行的力的名称及其特点，但他没有尝试解释太阳系或行星的诞生过程。他相信是上帝创造了一切，这就够了。他还留下一个问题没有解决：如果行星之间的引力作用会把它们拉向彼此，那为什么它们还保持在原来的轨道上？

难不成上帝会时不时出手干预，使宇宙万物维持在各自的位置上？要是这样的话，那他又为什么要创造出这么一个不完美的系统呢？牛顿的科学洞察力卓绝超群，他是人类知识的最大贡献者之一，但他还是无法找到一个圆满的解决方案。直到现代，科学家才知道，太阳系不会如发条一样永远只在原位运转。行星发展到最后，可能会严重偏离原来的轨道，并和其他行星相撞。

牛顿在《原理》中介绍了根据同一彗星在三个不同时间所处的位置来确定彗星轨道大小、形状和方向的方法。这个方法的发现还得归功于他和英国首任皇家天文学家约翰·弗拉姆斯蒂德（John Flamsteed）的一次争论：他们对1680年11月和12月先后出现的两颗明亮的彗星是否为同一颗各执一词。弗拉姆斯蒂德坚信它们其实是同一颗彗星，这颗彗星近距离掠过太阳后再次回归。牛顿最初持有相反意见，但后来又改变了主意。1684年左右，牛顿确信彗星因为太阳引力而沿太阳做曲线运动，而彗星呈抛物线的运动轨迹说明了1680年观测到的两次彗星实为沿抛物线运动的同一颗彗星。

牛顿编写《原理》的过程中受到了埃德蒙·哈雷的大力支持，哈雷甚至个人出资资助了该书在英国皇家学会出版。哈雷迫不及待地想要利用牛顿的轨道计算方法来计算以往发现的彗星的轨道，因为他之前就怀疑同一颗彗星是否有可能会多次回归。在1695年给牛顿的信中，他写道：“先生，可否劳烦您替我向弗拉姆斯蒂德先生索要他有关1682年彗星的观测资料，尤其是1682年9月的资料？因为我越来越肯定这颗彗星已经被看见三次了，第一次就在1531年。”最终，通过牛顿的方法，哈雷得出结论：1531年、1607年和1682年看到的三颗彗星事实上是同一颗彗星在不同时期的回归。它们回归时间的轻微差异可能是因为轨道受到了木星引力的作用。1705年，哈雷将他的发现写进《彗星天文学论》一书中，并预言该彗星的下一次回归时间为1758年年末或1759年年初。就在哈雷逝世的16年后，也就是1758年，这颗彗星果然如期而至，它后来被命名为“哈雷彗星”。这是人类历史上首次成功预测出彗星的出现时间，同时也有力佐证了牛顿引力定律的正确。

失踪的行星

整个17世纪，太阳系的图景发生了翻天覆地的变化。截至1700年，行星在万有引力的作用下绕日运行这一事实已经被普通民众欣然接受。地外行星则被认为是有可能存在生命的未知的独立世界；彗星会沿着狭长的轨道在行星间横冲直撞、畅行无阻；行星的运行轨迹几乎都在同一平面上；木星有4颗卫星，土星有5颗；土星周围环绕着一系列性质不明的圆环。人们眼中太阳系的大小已经扩大至原来的20倍。恒星像太阳一样，挂在广袤无垠的太空里。但是，当时的天文学家还没有想到太阳系在过去和现在可能会有所不同，也不认为太阳系是不断演化的。太阳系的年龄与它的诞生过程在当时仍然属于神学问题。

当时，太阳系一个有趣的现象引起了天文学家的注意，那就是行星轨道之间的距离并不是相等的。火星、木星和土星的间隔比4颗内行星之间的间隔都要大。牛津大学的戴维·格雷戈里（David Gregory）教授在1702年撰写的教科书中列出了行星轨道距离的具体数值，这些数值多年来一直被奉为标准：

假设将日地距离平均分成10等份，则水星与太阳的距离约等于4等份，金星与太阳为7等份，火星与太阳为15等份，木星为52等分，土星为95等份。

1766年，来自现位于德国维滕贝格地区的一名天文学教授——约翰·丹尼尔·提丢斯（Johann Daniel Titius）发现各大行星同太阳的平均距离存在着一个简单的算术关系。这一发现被写进了他当时正在翻译的一本书的脚注中。几年过后，德国另一位天文学家——约翰·埃勒特·波得（Johann Elert Bode），将提丢斯的发现归纳成一个经验公式，并发表在他1772年出版的著作中，同年他被任命为柏林天文台台长。按照这个公式，波得预测在火星与木星之间距离太阳约2.8天文单位的地方应该还有一颗行星，因为只有这样的话，公式才能成立。波得确信这颗行星的存在，他在著作中写道：

后一点可以由这项绝妙的关系推断出来：6个已知的大行星与太阳的距离都遵循这个规律。假设土星到太阳的平均距离为100，则水星到太阳的平均距离为4；金星为：4+3=7；地球为：4+6=10；火星为：4+12=16。到了这里，这个规律出现了一个断层。因为照此下去，火星后面应有一个行星到太阳的平均距离是：4+24=28，可是目前这个位置上并没有发现任何行星。难不成这是造物主故意留下的空白？当然不是。接着计算，木星到太阳的平均距离为：4+48=52；最后，土星到太阳的平均距离为：4+96=100。

虽然格雷戈里和波得给出的都只是大概距离，但是这些预测数据与实际结果竟然惊人地吻合，这已经足以佐证波得定则了。这一关系被普遍称为波得定则，但公平点儿来说，今天我们应该称它为提丢斯-波得定则才对。在波得著作出版10年后，一颗新行星出现了，它或多或少地印证了提丢斯-波得定则——只可惜，它不是那颗失踪的行星……

威廉·赫歇尔（William Herschel）是一名德国音乐家，1766年他到英国的巴斯市定居，并在那里谋得管风琴师一职。赫歇尔喜欢在业余时间里从事他人生中的第二大爱好——天文学。他自制了一个高级反射望远镜，并且投入了大量时间探索夜空和钻研观测技巧。1781年3月13日夜里，正当赫歇尔聚精会神地观察金牛座时，一颗不同寻常的天体进入了他的视野。他在观测笔记中写道：“在与金牛座ζ星成90度的两颗星中，下面的那颗可能是一个星云或彗星。”4天后，当他再次观察这个天体时，他注意到它的位置稍稍偏移了一些。

这个神秘的天体能够在短短几天里变换位置，说明它离我们比较近，而且它也属于太阳系。赫歇尔以为他发现了一颗彗星，但是包括英国皇家天文学家内维尔·马斯基林（Nevil Maskelyne）在内的其他人则不太确定。在接下来的几个月里，这个天体始终没有呈现出彗星独有的朦胧彗发和彗尾，于是数学家们开始计算它的轨道。直到那年夏天，它的身份之谜才终于揭开：原来，赫歇尔发现的是一颗新行星，这也是有史以来第一次有人新发现了行星。6年后，赫歇尔再接再厉发现了它的两颗卫星，即天卫三（Titania）和天卫四（Oberon）。在对这颗新星命名时，还发生了一段小插曲。原来，赫歇尔本想将它取名为“乔治”以感激他的资助人英国国王乔治三世，但无奈没有得到其他国家科学家的支持。考虑到其他行星均以神话人物的名字命名，为了保持一致性，最终采纳了波得的建议，将其命名为乌拉诺斯（Uranus，希腊神话中的天空之神），即今日我们所称的天王星。

天王星到太阳的距离接近土星的两倍。这样一来，太阳系不仅新添了一个家庭成员，它的规模也一下子变大了。天王星到太阳的平均距离约为19.2天文单位（换算成波得的距离单位为192），所有人马上反应过来这与提丢斯-波得定则预测的相当接近。这让我们更加有理由相信，火星与木星之间距离太阳2.8天文单位处的确潜伏着一颗行星。

小行星登场

有一位天文学家比任何人都更加相信失踪行星的存在，而且一心想通过系统性地搜索所有行星共同运行的天区找到它，他就是匈牙利贵族和天文学家弗朗茨·克萨韦尔·冯·扎奇（Franz Xaver von Zach）男爵。扎奇还是萨克森-科堡-哥达王朝的皇家天文学家兼塞堡天文台台长，该天文台位于哥达附近（在今德国）。从1787年开始就孤军奋战的他很快便意识到这项工作的艰巨性，非一人之力可以完成。1800年9月，他成功说服5名天文学家加入他的研究队伍，并借助他们的影响力集结了更多欧洲各地天文台的天文学家，最终这支队伍壮大到了24人。讽刺的是，扎奇的计划很快就被其他事情占据了。

此前不久，朱塞佩·皮亚齐（Giuseppe Piazzi）在意大利西西里的首府巴勒莫建造了一座堪称欧洲最南端的天文台，还配备了一个在当时来说最先进的“垂直圈仪”（一种专门用于精确测量天体位置的望远镜）。皮亚齐当然也是扎奇理想的合作对象，但皮亚齐当时一直忙于编纂新的恒星位置目录。1801年的元旦夜，正在全神贯注记录金牛座恒星位置的皮亚齐在望远镜中注意到一颗星图上没有的星——一颗黯淡的八等星。接下来的几天里它一直相对着恒星移动。他在随后的一个月里，记录了这颗星在24个夜晚的位置情况，直到黑夜蔓延看不到为止。

皮亚齐对外一直宣称他很有可能发现了一颗彗星，但对一位朋友袒露了内心真正的想法：“我怀疑，它不只是一颗彗星。”根据他的初步计算，这颗新天体距离太阳2.7天文单位，轨道近似圆形，位于火星和木星之间。1801年4月，已然胸有成竹的皮亚齐写信把他的发现告诉了包括波得在内的其他天文学家。为取悦资助他研究的西西里国王斐迪南（Ferdinand），他为这颗新星取名刻瑞斯-斐迪南星（Ceres Ferdinandea），其中，“刻瑞斯”是西西里神话故事中谷物女神的名字。但这个名字后半部分的“斐迪南”很快就被舍弃了，如今，人们一般称它为“谷神星”。

这样一来，新发现的谷神星的位置与提丢斯-波得定则预言的失踪行星的位置终于基本对上了，但新的问题很快又出现了：谷神星还会再次出现吗？原则上，谷神星的最佳观测时机为每年年末，但皮亚齐的观察数据实在有限，不足以使用已有技术计算出它的准确位置。还好，这个问题没过多久就被一名才华横溢的数学家解决了，他就是卡尔·弗里德里希·高斯（Karl Friedrich Gauss）。他准确地计算出了谷神星的轨道，得出谷神星与太阳的平均距离为2.767天文单位。1801年12月31日，扎奇在此基础上成功观测到了谷神星，而他5名合作者之一的海因里希·奥尔贝斯（Heinrich Olbers）也成功在第二天观测到了它。

但一个更棘手的问题是，谷神星太黯淡了。很明显，如果谷神星是大行星的话，以它所处的位置来说它应该更亮，所以谷神星的体积应该并不大。1802年2月，威廉·赫歇尔告知英国皇家天文学会：根据谷神星的亮度，他计算出谷神星的直径只有2 000千米，还不及月球的5/8。几个月后，他又将原来的结果大幅度缩减到260千米。对比现代所测得的谷神星直径952千米，我们知道谷神星的直径被低估了，但谷神星比所有已知行星都小这一点依旧没有变。

无独有偶，奥尔贝斯紧接着在1802年3月28日发现了第二个疑似该失踪行星的天体。有趣的是，这颗新星是奥尔贝斯在寻找谷神星时无意发现的，奥尔贝斯把它叫作智神星（Pallas）。数学家高斯很快计算出了它的轨道：智神星的轨道呈一个椭圆形，与太阳系的主平面成34度的夹角，和太阳的平均距离为2.77天文单位。它的轨道比任何行星的轨道都要扁长和倾斜，而且还和谷神星的轨道相交，在未来有可能会发生碰撞。

看得出，天文学家这回面对的既不是大行星，也不是彗星，而是一种前所未见的天体类型。威廉·赫歇尔将这种外观酷似恒星的天体取名为“小行星”。奥尔贝斯立刻联想到，莫非谷神星和智神星是哪颗已解体大行星的残骸？要是这样的话，很可能还有更多这样的残骸还散落在太空中，他觉得可以将谷神星与智神星轨道的交点作为重点搜索区域，于是，一波搜星浪潮开始了。1804年9月，德国天文学家卡尔·哈丁（Karl Harding）发现了第三颗小行星——婚神星（Juno）。1807年3月，奥尔贝斯发现了第四颗小行星——灶神星（Vesta）。至此，小行星的发现脚步停止了。有那么一段时间，天文学家还是把它们当作“行星”来看待，即使他们比谁都清楚它们的个子很娇小。当时的课本及年鉴按照与太阳的距离顺序，将这4颗小行星与大行星一同收录了进去。

往后的数十年里，小行星似乎销声匿迹，一颗也没有找着。专职的天文学家陆续抽身，转头研究其他回报率更高的问题，只有一位名叫卡尔·路德维希·亨克（Karl Ludwig Hencke）的业余天文爱好者仍然满腔热情地坚持着。亨克从1830年开始，15年如一日地寻找着小行星，即使一无所获，他还是以惊人的毅力坚持着。终于，上天不负苦心人，他在1845年发现了第五颗小行星，即我们今天所称的义神星（Astraea）。好事成双，两年后他又发现了第六颗小行星——韶神星（Hebe），又称春神星。

亨克的发现及时挽救了这场旷日持久的小行星灾荒。自此以后，小行星的发现浪潮接踵而至，已知小行星的家族也在不断壮大。随着人们发现越来越多的小行星，真相也逐渐浮出水面。原来，大部分小行星都分布在火星与木星之间一片宽广的环状区域内。从它们的轨道分布和参差不齐的组成成分来看，它们并非来自同一个爆炸后的行星。19世纪90年代，摄影测量技术的应用加快了小行星的发现步伐。到20世纪80和90年代，配备有电荷耦合装置（CCD）的精密巡天望远镜更是使小行星的发现速度再上一层楼。从1847年开始到2012年（1945年除外），每年都有新的小行星被发现。至今，已被发现的小行星数目已经超过30万颗。

天外飞石

在第一批小行星被发现的那几年里，还发生了一连串怪事，它们都说明太空中还存在大量比小行星还小的岩质天体。民间流传着许多有关石头坠地的故事，学者们或认为这些不速之客来自地球，比如是火山爆发的产物，或直接将其归因为迷信，置若罔闻。1704年，牛顿写道：“为了给行星和彗星的正常和持续运动腾出空间，除了地球、其他行星和彗星大气中极其稀薄的水蒸气或臭气以外，太空中的其他物质都会被清空。”这也是18世纪科学家普遍认同的观点，但它即将要被颠覆了。

1791年，德国物理学家克里斯托夫·利希滕贝格（Christoph Lichtenberg）亲眼看到一颗明亮的火球划过哥廷根的夜空。听完他的描述后，他的同行恩斯特·赫拉德尼（Ernst Chladni）兴奋不已，于是开始调查和整理史上有关火球和石头坠地的报道。赫拉德尼在1794年出版的一本著作中提出，这些石头，即我们今天所说的陨石，实际上是从星际空间坠入地球的。赫拉德尼的观点最开始并没有受到重视。同年，意大利一个叫作锡耶纳的城市附近发生了一起流星雨事件，许多人都目睹了这一奇观。次年，英格兰约克郡一名农夫循着头顶传来的爆炸声看到一颗巨石从朦胧的天空下落，径直砸向地面，眼前发生的这一幕把他吓得目瞪口呆。当他找到这个大家伙时，只见它浑身漆黑，大概有20千克重，还在冒着热气和烟。

然而，真正令当时的科学观点开始转变的事情发生在1803年4月26日，地点是在法国诺曼底地区的艾格勒镇（L’Aigle）。伴随着三声巨响，两三千块石头从天而降，噼里啪啦地落到了艾格勒镇附近的乡间，法国矿物学家让-巴蒂斯特·比奥特（Jean-Baptiste Biot）随之带领科学家全面调查了此次事件。他最后得出结论：这些石头来自外太空，而且星际中的这种物体还有很多。多年以后，也就是20世纪60年代，通过分析和陨石有关的火球照片，人们才终于知道陨石来自小行星带。

不守规矩的天王星

19世纪30年代，当亨克开始沿着行星运行的天区追踪小行星时，他的心里可能还怀揣着另一个目标。那时候天王星表现得有点儿奇怪。自1781年被发现以来，人们按照太阳和其他已知行星的引力计算出了天王星的运行轨道，但它一直偏离这个轨道。其实天王星的位置早在1781年之前就有记录，只是当时观测到它的人错以为它是恒星，因而错失了发现它的机会。在将这些“发现前”的记录也纳入计算后，天王星的偏移情况就更加令人担忧了。19世纪30年代的天文学界针对此事进行了广泛的讨论，他们认为天王星受到了一颗更遥远的未知行星的引力影响，所以才偏离了原轨道。

如果能找到这颗大行星，不管对于专业还是业余的天文学家来说，都将是一个可以在国际上扬名立万的好机会。可是专业人士普遍并不乐观，因为没有任何坚实的理论依据能缩小搜索的范围。要想计算出该新行星的位置比登天还难，就连英国皇家天文学家乔治·比德尔·艾里（George Biddell Airy）等一些著名的天文学家也认为这是一项不可能完成的任务，要知道艾里本身也是一名才华横溢的数学家。

但是，约翰·库奇·亚当斯（John Couch Adams）并没有被艾里的观点吓倒。1841年，还是剑桥大学圣约翰学院本科生的亚当斯在笔记本中这样写道，“本周初已经拟订好了调查计划，毕业后马上着手调查天王星的异动是否和其轨道外行星的运动有关”。1843年，亚当斯一毕业就马不停蹄地投入了研究。他假定该行星与太阳的距离为提丢斯-波得定则预测的38天文单位。1845年9月，他确信自己已经找出了这颗行星的位置，天文学家凭借他的计算结果就能按图索骥找到那颗失踪的行星。无奈，这名无名小卒的努力成果没有引起艾里和剑桥天文台台长詹姆斯·查利斯（James Challis）的重视。几个月过去了，事情依然一筹莫展，而亚当斯自己也没有条件进行必要的天文观测。

与此同时，就在与英格兰一水之隔的巴黎，于尔班·让·约瑟夫·勒威耶（Urbain Jean Joseph Leverrier）也从1845年夏天开始独立计算该行星的位置，他的计算方法和亚当斯的非常相似。1846年6月，勒威耶将他的研究成果公之于众，还特意寄了一份给艾里。勒威耶得到的结论仅仅比亚当斯小了1度，几乎一模一样。这回艾里不能再无动于衷了，他叫来查利斯让他尽快找到这颗新行星。剑桥天文台的天文学家们随即展开了全面的搜寻，只不过并没有加以重视。

看到英格兰那边不紧不慢的态度，心急如焚的勒威耶只好又联系了柏林天文台的约翰·戈特弗里德·伽勒（Johann Gottfried Galle），他是一名非常狂热的天文观测者。伽勒果然没让勒威耶失望，立刻开始了观测工作。1846年9月23日，在将望远镜对准了勒威耶预测的位置后不到一个小时，伽勒就看到了我们今天所说的海王星。紧接着，英格兰业余天文学家威廉·拉塞尔（William Lassell）在17天后发现了海王星最大的卫星——海卫一（Triton）。

海王星的发现是天体力学的一次胜利。伽勒发现它时它的位置与勒威耶的预测相差不到1度，与亚当斯的相差1.5度。但没过多久，他们计算时使用的一个基本假设被发现存在明显错误。和天王星一样，海王星在被发现前也曾被其他人观测过，包括伽利略。将它被发现前的观测资料和1846年的测量结果放在一起分析后，天文学家发现海王星和太阳的距离应该是30.1天文单位才对，比提丢斯-波得定则预测的要近得多。这一偏差使波得的这条“金科玉律”从此跌落神坛。

尽管海王星已经被找到了，但19世纪的人们发现，天王星偏离理论轨迹的情况却越发严重。20世纪初，有两名天文学家坚定不移地认为干扰天王星活动的不止海王星，他们分别是前文提到的珀西瓦尔·洛厄尔，以及威廉·亨利·皮克林（William Henry Pickering）。他们认为，既然寻找海王星的行动获得了成功，那也许能用同一种方法揭示另一颗行星的存在。哈佛大学数学硕士毕业的洛厄尔是富甲一方的商人，他在亚利桑那州北部的弗拉格斯塔夫建造了一座以他名字命名的天文台（洛厄尔天文台），并配备了精良的天文仪器设备。洛厄尔建造该天文台的初衷是为了研究火星，他相信火星上有人居住，火星上的条纹是人造运河。1905年左右，他开始将重心转移到海王星外那颗可能存在的“X行星”上，直到1916年去世前他还在苦苦寻觅。

洛厄尔和皮克林都没能在有生之年找到那颗所谓的“X行星”。为了完成洛厄尔的遗愿，洛厄尔天文台在1925年重启了对“X行星”的搜寻，这次还新加入了一架专门用于寻找行星的望远镜。1929年，洛厄尔天文台台长维斯托·斯里弗（Vesto Slipher）新聘请了一位来自堪萨斯州的年轻人——22岁的克莱德·汤博（Clyde Tombaugh）。天资聪颖的汤博很快就掌握了系统观测的方法，他在两个不同的晚上（中间相隔几天）分别对每个天区都拍摄了照片，再使用一种称为闪视比较仪的天文仪器仔细比对每组照片。只要将同一天区的两张底片来回反复比对，就可以看到哪颗星的位置出现了变化。1930年2月18日，在开始任务的一年后，汤博发现恒星天樽二附近有一个很小的光点发生了移动。他在工作日志中记录下这颗“疑似行星”，经过一番常规检查后他走进了斯里弗台长的办公室。“‘X行星’找到了。”他激动地说。3月13日，洛厄尔天文台正式对外宣布“X行星”已找到，几周内，这颗行星有了属于自己的名字——冥王星。

和谷神星一样，找到冥王星的喜悦并没有持续多久，因为它显然不符合公认的大行星标准。截至1930年夏天，科学家找到了冥王星被发现以前的136个观测记录，最早可追溯到1914年。根据这些记录，冥王星的轨道被推算了出来。结果显示冥王星的轨道与其他行星的轨道极为不同，它的轨道极其扁长，而且与太阳系主平面的夹角达到了16度。冥王星的公转周期为248年，而且部分轨道和海王星的相交，这使它比海王星更靠近太阳。冥王星的这种行为并不正常。

就算考虑到它距离太阳很远这一情况，冥王星还是有些黯淡。这说明冥王星很小，而弄清楚它具体有多小已经是50年后的事了。1978年，冥王星最大的卫星冥卫一被发现，由此，冥王星体积、质量都偏小的真相才终于确认无疑。不久后，天文学家就根据冥卫一的运行轨迹推算出了冥王星的引力，并由此推算出它的大小。结果证实冥王星的直径只有约2 000千米，相当于美国南北边境之间的距离，质量还不及月球的1/10。所以，以冥王星之力根本不足以明显改变天王星的轨道，这点早在20世纪30年代就已经知道了。天王星轨道摄动之谜的最终解决是在20世纪90年代。科学家利用更加准确的海王星质量和轨道数据重新计算后发现，天王星从头到尾都不曾偏移过原本的轨道，“X行星”一说更是子虚乌有。

近年的发现

20世纪60年代之后，大型望远镜、光敏探测器和航天飞行技术的出现加快了太阳系的探索速度。其中，太空任务在帮助我们了解太阳系，为我们呈现行星、卫星、小行星和彗星的真实面貌方面，更是功不可没。读了第1章后，我们知道“水手4号”是如何改变人们对太阳系的认识的，在它之后，两架“维京号”（Viking）火星着陆器先后登上了火星表面并首次采集到火星的岩石样本，还搜寻了火星的土壤，但没有找到任何生命的迹象。在此之后，又有无数太空任务造访了这颗星球，火星表面几乎被各种各样的火星着陆器踏遍了。在众多发现中，科学家发现有明确迹象表明火星表面在过去的某个很长的时期里曾经存在水。

空间任务对带外行星的探测同样颠覆了我们原有的认识。说到它们之中的佼佼者，非1979—1989年飞越4颗巨行星的那次太空任务莫属。“旅行者号”探测器不仅近距离拍摄了巨行星的大气层、环带、斑点的影像并传回了地球，还发现了木星环、木星木卫一（Io）上的活火山、海王星海卫一上的间歇泉，揭示了科学家们一直在苦心研究的土星环的结构原来极其复杂。紧随其后，“伽利略号”木星探测器和“卡西尼号”土星探测器分别于1995年和2004年发射升空，开启了通往木星和土星轨道的漫长征程。在第12章中我们会介绍，“伽利略号”不仅首次从巨行星的大气层中直接采集到了样本，还在木星多个卫星内部发现了海洋。“卡西尼号”为我们揭示了土星环内部更加复杂的结构，并在土卫二（Enceladus）上发现了间歇泉，“卡西尼号”携带的“惠更斯号”（Huygens）探测器登上了土卫六，发现了该卫星上存在液体烃，并且让我们第一次看到了土卫六不透明大气下的景象。

航天器为我们提供了迄今为止最详细的彗星和小行星照片。1986年，飞往哈雷彗星的“乔托号”（Giotto）探测器拍到了第一张彗核特写照，从照片中可以看到彗核的外观漆黑又不规则，有几个喷射孔从内向外喷射出物质。20世纪90年代初，“伽利略号”探测器在飞往木星途中掠过两颗岩质小行星，并拍摄了照片，它们的真实形状和结构首次被呈现在世人面前，探测器还首次发现了小行星的卫星。1997年，NASA的“会合-舒梅克号”（NEAR-Shoemaker）拍摄了玛蒂尔德（Mathilde）这颗黑暗的碳质小行星的清晰外观，“会合-舒梅克号”在2001年进入轨道并最终成功降落到爱神星上。2010年，日本“隼鸟号”（Hayabusa）探测器成为第一个传回小行星样本的航天器，这些样本揭示了岩石物质数百万年来在严苛的太空环境中的演化情况。

最近几十年来，天文学家也一直致力于探索太阳系，不断壮大已知小行星、彗星和卫星的队伍以及发现新的天体类型，如与火星和海王星共用轨道的特洛伊群小行星。过去20年间，正因为有了精密的望远镜巡天观测，如林肯近地小行星研究项目，已知的主小行星带小行星和近地小行星的数量才能突飞猛进。20世纪90年代，1992 QB1小行星以及数百个类似天体的发现证明，海王星以外存在着一个极大的冰冻天体带在围绕太阳旋转，那就是推测已久的柯伊伯带。冥王星不再孤立无援，而是太阳系外缘数千颗海外天体的一员。我们会在第14章中介绍这个发现以及后续事件。

如今，经过几个世纪的艰难摸索，我们终于对太阳系，还有它的构造和太阳系内的各种天体有了比较全面的认识。下一章我们将看到，各种起源理论是如何从日臻完整的太阳系图景中脱颖而出的。 7aE//XnWYAtOX2xFo3GKIZRnqzY1xekdsskw69sFmoxZxidgR/0FKQTIhftk2zHF