第3章
天王星与红外线

在我们所处的时代，新的发现层出不穷。从磁星（具有强磁场的特殊中子星）到嗜极生物（例如在近乎致命的温度下生存的生物），这一时代的科学发现可真令人惊讶。我们也习惯了为科学日新月异的发展而赞叹。

因此，我们很难想象1781年3月，一个发现竟然震惊了全世界。一位默默无闻的天文爱好者推翻了当时最伟大的思想，一举成名。

这个在当时家喻户晓的人物到底是谁呢？你可能从未听说过他。的确，人类历史上的伟人通常是那些敢于挑战未知的人，他们的发现意义深远或者超前于他们所处的时代。萨摩斯的阿利斯塔克（Aristarchus），首次提出地球绕着太阳转；艾萨克·牛顿解释了运动定律；阿尔伯特·爱因斯坦揭示了时空会扭曲和收缩，说明宇宙没有固定的大小。在这些卓越的人物中，我们必须要说一说威廉·赫歇尔（William Herschel）。1738年11月15日，他出生于德国汉诺威。或许他没有前面提到的那几位先驱才华出众，但是凭借坚忍不拔的努力，他像猎犬一样不懈地追随科学的气息，终于有了两项惊天的科学发现，而且都是歪打正着。

早期的生活对赫歇尔后来的事业没有起到半点作用。他不是贵族出身，父亲在军队里吹双簧管，他只是家中十个孩子之一。赫歇尔子承父业，在汉诺威护卫队里吹奏双簧管，年轻的他在音乐方面崭露头角，看样子很可能会把作曲作为毕生的事业。

18岁那年，他第一次来到英国，这里令他印象非常深刻。他下定决心移民，并在第二年就搬到了英国。在当今社会，追求音乐的人搬到一个陌生的环境寻找出路就像嬉皮士在做白日梦，但在当时这可是非常流行的做法。在18世纪中晚期，音乐方面的机会就数英国最多，莫扎特、海顿、亨德尔以及成千上万不知名的音乐家都被这个国度深深吸引，因此这里的竞争十分激烈。在那个不知复印机为何物的时代，赫歇尔靠抄写乐谱勉强维持生活。他的职业生涯慢慢地走上了正轨，能靠教学和作曲养家糊口了。1766年，他在著名的温泉城巴斯的一座豪华小教堂里得到了一份弹风琴的工作。赫歇尔不仅在演奏双簧管和风琴方面技艺高超，而且还擅长演奏小提琴和大键琴。他创作了24部交响乐和多部协奏曲，作品数量可观，即便是现在，它们仍被当作治愈失眠的良方。

然而，他对科学知识的兴趣远远超过了对音乐的喜爱。有一天，他阅读了罗伯特·史密斯（Robert Smith）的《完整的光学系统》（ A Compleat System of Opticks ），掌握了制作望远镜的技术，从此他的人生发生了巨大的改变。强烈的好奇心驱使年轻的赫歇尔并不仅仅观察和描绘月球、行星，模仿当时的天文学家。最初吸引他的是遍布夜空的模糊星云。人们通常以为那是发光的流体，它们背后的神秘世界就连月球上的山脉和陨石坑都无法比拟。那隐隐约约的一大片东西究竟是什么？它们的光太过微弱，必须使用比当时最大的望远镜还要大的设备才能看得清楚，这是因为望远镜呈现图像的亮度和清晰度与其主透镜的直径成正比。和现在一样，当时人们面临的最大的问题是，大型望远镜的价格都贵得离谱，而且大多质量不高。

如果想用足够大的镜片近距离观察星云，赫歇尔就只能亲自动手制作。那个时代还没有专门的镜片玻璃，赫歇尔便在地下室熔融金属，将铜、锡和锑混合在一起做成圆盘状的坯料，再磨制成镜片。虽然第一个镜片在冷却时碎裂，沦为了价格不菲的镇纸，但最终他还是成功地制造出了巨大的镜片，它的直径差不多有60厘米，聚光性也比当时最常见的15～20厘米的镜片强很多。不仅如此，这些镜片的抛物曲面外形非常精确、考究，质量极高，不论是用它们观察遥远的恒星、行星还是星系发出的光，都能获得理想的聚焦效果。赫歇尔自制设备的性能甚至超过了著名的格林尼治皇家天文台的望远镜。他还为自己制作了目镜。

赫歇尔的哥哥亚历山大（Alexander）和妹妹卡罗琳（Caroline）也参与了这项工作。在赫歇尔漫长的余生中，卡罗琳一直都是他忠实的助手，并最终凭借自己的实力成为受人尊敬的科学家。

这一家不同寻常的兄妹和他们无与伦比的巨大望远镜的故事慢慢地传到了英国知识阶层。赫歇尔利用这些望远镜展开了一生中最消耗精力的事业——观察整个天空。这项工作结束后，他又制造了一台更大的望远镜，并完成了对天体更周密、更详尽的观测。接着，1781年3月13日，在第三次也是最全面的一次天体观测过程中，他的观察结果不但改变了自己的一生，还轰动了全世界。

赫歇尔发现了一颗绿色的“星星”，它不是一个小亮点，而是差不多有圆盘那么大。起初，他推测那是一颗彗星。但事实证明它不是，因为它从来没有形成过彗尾，也没有彗星常见的极扁的椭圆形轨道。通过每晚观察这个天体的缓慢运动，他很快意识到，这是一颗绕着太阳运动、周期为84年的新行星。他曾试图以英国国王乔治三世的名字将它命名为“乔治之星”，目的是引起国王的注意并讨他的欢心。然而，其他科学家坚持要求按照传统方法，用罗马神话中神的名字来命名它。因此，这颗首个被人类通过真正意义上的科学探索发现的行星就叫作天王星。

整个世界都震惊了。我们最为熟悉的那五颗行星 自史前就已为人们所知，《圣经》、《吠陀》（用古梵文撰写的印度教圣书），以及古埃及的莎草纸都有记载，所以根本没人想到，除了它们之外，宇宙中还存在其他行星。无论是先知、宗教圣书、伟大的思想家，还是尊贵的委员会和哲学流派，都没有料到宇宙中可能存在因为光芒太过微弱而不易被观察到的其他星球。另外，望远镜在当时已有170余年的历史了，不计其数的天文学家将天空仔细地翻了个遍。宇宙中（除了地球）只有太阳、月亮，以及五颗行星——人们没有丝毫理由去怀疑这件事，直到赫歇尔推翻了这个“事实”。这一发现令人震惊的程度就好比现代科学家突然宣布，控制我们思想的是大脚指甲而不是大脑，或者告诉我们月亮是空心的，上面还住着一群猴子。

实际上，裸眼隐约可以看到天王星。我在没有任何光学辅助设备的情况下看到过它。不论用哪种望远镜观察，那片绿色的世界都是如此耀眼、辉煌。为什么人们没能早点发现它呢？这个问题在知识分子当中引起了极大的恐慌，成为百年间人们讨论的热点。

一夜之间，赫歇尔从一个业余的望远镜制造者和不出众的古典作曲家，变成了世界上最著名的科学家。英国皇家学会授予他科普利奖章（Copley Medal），在那个时代，这相当于他获得了诺贝尔奖。刚刚失去美洲殖民地的乔治三世国王迫切需要一些威望，他对赫歇尔试图将新行星命名为乔治的事乐不可支，并因此赏给他每年200英镑的津贴。

这样一来，赫歇尔就可以把全部精力放在天文研究上了。在接下来的40年里，他兢兢业业，不辞辛苦，制造了更大的望远镜，并试图解决棘手的星云问题：揭开星际之“云”的本来面目。用最先进的设备进行观察后，他很快发现，大部分发光的斑点其实是多颗分离的行星，这使他错误地断定星云的本质就是团聚的星辰。但是，不管他用多大的望远镜、多大的放大倍数去观察，总有一些星云依旧无法看清楚。赫歇尔便认为它们一定非常庞大，距离我们非常遥远。因此他得出结论，整个宇宙就是由这样巨大的星团——恒星的都市——组成的，它们后来被称为星系。

1786年，赫歇尔举家搬到了斯劳（Slough），在那里度过了余生。但凡晴朗的夜晚（在英国，这样的夜晚很少，并且时隔很久才会出现；如果天气晴朗，他就雇一个更夫负责叫醒自己），赫歇尔都会用目镜一边观测天空一边口授，卡罗琳则在一旁做记录。为了增加收入，赫歇尔还为别人制造望远镜——当时最先进的设备。

赫歇尔鉴定了848个双星，发表了70篇科学论文，还计算出了太阳在太空中的空间运动方向。他发现了土星的两个卫星并提出了“小行星”（asteroid）一词。他还是第一个宣称银河系的形状像煎饼的人。对于一个双簧管演奏员来说，取得这样的成果已经相当不错了。

但是，我们在这里要说的，并不是赫歇尔发现天王星的壮举，而是1800年在他光辉职业生涯接近尾声时的另一个发现。事实上，天王星的发现太过轰动，以至于他之后的成就在传记中几乎很少被提及。《不列颠百科全书》（ Encyclopedia Britannica ）中用了1700个英文单词对他进行介绍，其中却只有10个单词提到他是有史以来第一个发现不可见光的人。

赫歇尔是第一个用科学方法发现不可见光的人，但他不是第一个推测不可见光存在的人。推测者的研究成果在几十年前消失不见，没有留下任何痕迹，所以赫歇尔和其他人一样，对先前已有的推测一无所知。1749年去世的艾米丽·沙特莱（Émilie du Châtelet）是法国作家、物理学家和数学家，她最伟大的成就是翻译并诠释了牛顿的主要著作《自然哲学的数学原理》（ Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ）。如今，她的译作在法语界仍被广泛传阅。艾米丽在18世纪初的巴黎长大，她生活在一幢有30间居室的洋房里，可以俯瞰杜乐丽花园（Tuileries Gardens）。小时候，她很喜欢偷听来访客人们（尤其是天文学家）的谈话，并逐渐展露出在科学和数学领域的天赋，这在当时的女性中是极为罕见的，因为她们通常很少有机会接触这些学科。（作家伏尔泰后来形容她是“一个伟大的人，唯一的缺点就是身为女性”，这也反映了在那个时代，女性想要作为科学家获得尊重和认可几乎是不可能的。）

艾米丽20多岁的时候认识了39岁的伏尔泰，他们坠入爱河，不久便一起在法国东部的一所大房子里生活了。他们在那里成立了一个研究中心。她钻研科学，而他思考哲学，并且有欧洲各地的贵宾定期前来拜访。

在一个夏日的夜晚，艾米丽深刻领悟到了光的本质，这比一个世纪后摄影技术的诞生和红外线的发现影响更加深远。受到伏尔泰的些许影响，她用准确的语言描述了自己的想法，成为法国18世纪唯一一位发表过科学论文的女性。她在1737年完成的《论火的本质和传播》（ Dissertation on the Nature and Propagation of Fire ）最终发表于1744年。在文中，她预言存在一种看不见的光，她认为那是火焰热量的源头。

和伏尔泰分手后，她爱上了一位法国诗人，就在这段关系结束时，她发现自己不小心怀上了孩子。在那个年代，40多岁怀孕风险极高，艾米丽有种预感，她觉得自己会在分娩的时候死去。她几近疯狂地赶完了那部翻译并评论牛顿理论的杰作。不幸的是，预感成了现实，生完孩子后不久，她便离开了人世，年仅42岁。同样令人痛心的是，她未婚生子的消息一经传开，便引起了不小的骚动，丑闻让人们很快将她的生活、工作和成就抛在脑后。直到20世纪，她的贡献一直无人问津。2006年，人们对她的重新关注使得她的成就重见天日，她这才真正为世人所知晓。总之，艾米丽的论文刚发表就从人们的视线中消失了，所以赫歇尔根本不知道她预测过不可见光的存在。

天王星的发现令赫歇尔声名鹊起，在那之后的整整19年里，他仍然不断进行着实验和观察，妹妹卡罗琳也一直在他身旁做记录，以助手的身份为赫歇尔的研究默默付出。但是谁都没有料到，他再次震惊了全世界。

1800年，赫歇尔已经知道，可见光照射在任何物体表面时，都会有一部分能量被吸收，因而物体表面会发热。他还知道深色物体吸收的热量明显比浅色的更多，因为它们热得更快，但是像白纸这类物体会反射大部分光线，几乎不会变热。

于是，赫歇尔用两个望远镜观察太阳。他用深色的玻璃滤光片筛掉了大部分光线，以便更好地进行观测。然而透过滤镜，他仍然能感觉到阳光发出的热。他发现，有的滤光片似乎能让更多的光通过，而有的则传递更多的热。他记录了这种现象：观察太阳的时候，一些特定的滤光片即使透过“很少的光，也能（让人）感觉到热量；而另一些能透过……大量的光，却几乎（让人）感觉不到热量”。

一直以来赫歇尔都对事物的本质抱有好奇心，于是他决定亲眼看看各种颜色的玻璃传递热量的程度。某些颜色真的比其他的颜色“更热”吗？这类问题虽然非常简单，但是从来没有人研究过。

赫歇尔设计了一个装置，可以让阳光穿过一个狭窄的缝隙，变成一束光。卡罗琳则在一旁握笔观察。当这束光击中棱镜时，便会在桌面上色散出一道包含光谱上所有可见光的彩色光带。赫歇尔在桌面上摆了三支温度计，其中有两支放在远离光谱的阴影里，作为“对照标准”，用于测量无光照区域的温度。接着，他把第三支温度计放在彩色光带里，逐一研究光谱中每种颜色的光。

赫歇尔反复测量了光谱上紫色、绿色和红色区域的温度。每当发现温度上升，他就会读取数据，让卡罗琳记录下来。他将温度计在每种颜色的区域里放置8分钟，发现紫色区域的温度计读数平均升高了1.11摄氏度，绿色区域1.67摄氏度，红色区域3.83摄氏度。红光比其他任何颜色的光更热！

很显然，要么阳光中的红光具有更强的加热效果，要么到达桌面的红光比绿光或者紫光更多，后一种解释似乎站不住脚，因为红光看起来并不比其他颜色的光更明亮。

接下来，历史性的时刻到来了。准确地说，这是一种偶然。多了解一些我们就会明白，许多伟大科学成就的发现源于偶然。实验过程中，赫歇尔离开房间，休息了一会儿。太阳在空中慢慢地移动，光谱随之在桌面上悄悄变换了位置，赫歇尔精心放置的温度计脱离了可见光的照射。他回来以后，瞥了一眼原本放在红光位置的温度计，它已经躺在光谱红光之外的阴影里了。他惊讶地发现，温度计的示数竟然比之前在红光下高得多。发生了什么事？他反复查看读数。渐渐地，他明白了。阳光中看不见的“热射线”经过棱镜的折射，正好位于光谱红光一端之外。

赫歇尔继续在不同的位置进行测量。如果把温度计放在光谱红光之外十几厘米的地方，那么它的示数就和另外两支对比温度计差不多了。他还观察了光谱紫光之外的区域，也没有发现温度变化。

赫歇尔在英国皇家学会的期刊上发表了三篇论文，汇报了他的研究成果。很快他又通过进一步的实验发现，地球上也有这种不可见热射线的源头（例如，煤气灯和蜡烛）。在第二篇论文的结尾，赫歇尔指出，光和热是同一现象的组成部分，这两种看上去完全不同的东西其实具有相同的来源。他写道：“哲学原理告诉我们，如果某些现象能用一个原因来解释，那就不该用两个。”

在这里，赫歇尔提到的是他那个时代所熟悉的科学原理：奥卡姆剃刀原理（Occam's Razor）。它是由英国圣方济各会修士奥卡姆（William of Ockham，1287～1347）提出的，他认为，对于一个给定结果，在所有可能的解释中，假设最少的那个最有可能是正确的。换句话说，科学假说越简单越好。如果你的汽车一大早就无法发动，那么你完全可以猜想是陨石坠落损坏了点火系统的电路板，但更常见的推测是电池没电了，或者汽油耗尽了。简单的假设被证明是错误的时，我们才会转而研究复杂且有点离奇的假设。

所以，赫歇尔认为是棱镜分离了光和热，并将它们并排“摆在”桌子上。然而更简单的（并且后来被证实是正确的）假设是，光包含人眼能够看到的部分，也具有皮肤能够感受到的热（温度计测量到的结果）。他还提出，不同颜色的光可能对化学物质及反应产生不同的影响，这预示了半个世纪后摄影技术的诞生。

赫歇尔把这种偶然发现的不可见光称为发热射线（calorific ray），并指出它像可见光一样可以被反射、折射、吸收和传递。（后面我们还会提到这些相似的性质，因为其他形式的不可见能量不具备这种特点，也不会表现出可见光的特性。）尽管源于拉丁文“calor”（发热）的发热射线是个合乎逻辑的名字，但是最终人们没有采用它。这种光被重新命名为红外线，以体现它在光谱中的位置。当然，这种叫法也很合理，毕竟“红外线”的确在红光之外。

赫歇尔提出，如果能在遥远的外太空探测到这些射线，那么我们也许能打开新世界的大门；如果只盯着可见光，我们将永远停滞不前。事实也证明了这一点。今天，超过一半的新型望远镜都可以用来探测红外线，其中包括一再推迟发射的巨大的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）。现代天文台都坐落在高山顶上，原因之一是，那里的大气层吸收或者阻挡的宇宙红外线最少。欧洲航天局（European Space Agency，ESA）发射的轨道红外望远镜的镜片直径有3.5米。它虽然比詹姆斯·韦伯太空望远镜小，但比哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope）大得多，人们将其命名为赫歇尔空间天文台（Herschel Space Observatory），还煞费苦心地解释说，这个名字纪念的是威廉和妹妹卡罗琳两个人。它被用于探测宇宙中由于温度过低而无法发射可见光的天体的辐射。

因此，我们可以说，赫歇尔兄妹对红外线的研究为后续涌现的发现指明了方向，也为探索另一种（十分可怕的）不可见光铺平了道路。 UY1aAon33G05yagihWYndR7hyusBTe7QQgxW5d6dy43CHKCQHHhPl2T6XTKBHyES