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數(shù)學(xué)算法俱樂部

日期?：?2022年03月14日?? ? ??

正文共?：3422字

來源?：?網(wǎng)絡(luò)

19世紀(jì)中葉，海王星的發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)了世界，在當(dāng)時(shí)這簡(jiǎn)直是個(gè)不可思議的奇跡。這是思維與計(jì)算的勝利，是牛頓萬有引力理論的偉大勝利，也是科學(xué)史上一個(gè)令人難以忘懷的業(yè)績(jī)。

茫茫星空不再神秘

海王星的發(fā)現(xiàn)歸功于望遠(yuǎn)鏡的誕生，望遠(yuǎn)鏡何時(shí)發(fā)明已無法考證，但望遠(yuǎn)鏡肯定誕生在最早發(fā)明玻璃的國(guó)家。當(dāng)意大利的天文學(xué)家伽利略一聽到望遠(yuǎn)鏡誕生的消息，馬上意識(shí)到它對(duì)天文學(xué)的重要性，自己動(dòng)手研制出望遠(yuǎn)鏡，并第一個(gè)把望遠(yuǎn)鏡指向天空，觀測(cè)神秘的星空，于是天文望遠(yuǎn)鏡就誕生了。

在1609年一個(gè)晴朗無云的夜晚，一輪明月懸掛在天空，這是一個(gè)可以載入史冊(cè)的夜晚，伽利略用望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)月亮。幾千年來，人類始終以為月亮美麗無瑕，黑夜給人帶來光明，月亮是人類尊崇的神靈，月面上斑斑點(diǎn)點(diǎn)的陰影，使人們聯(lián)想到月宮、桂樹和玉兔，那是當(dāng)時(shí)人類向往的天堂，有誰能想到月亮的表面竟像地球一樣呢？當(dāng)伽利略在望遠(yuǎn)鏡里看到月面覆蓋著蒼古斑斕的大山和平原，還有無數(shù)大大小小像火山口一樣的環(huán)形山時(shí)，他十分驚奇。伽利略在望遠(yuǎn)鏡中看到月球上有的山峰峻峭，蜿蜒曲折，完全如同地球上的山脈，所謂的陰影處，原來是一望無際的平地。

伽利略興奮地繪制了第一幅月面圖，并且用“阿爾卑斯”和“亞平寧”給月亮上兩條最顯眼的山脈取了名字，以表示對(duì)自己祖國(guó)的熱愛。接著伽利略又發(fā)現(xiàn)了木星衛(wèi)星、太陽黑子等，從此天文學(xué)獲得了探索宇宙的新武器，開創(chuàng)了人類探索宇宙的新紀(jì)元。

望遠(yuǎn)鏡的研制迅猛發(fā)展，折射望遠(yuǎn)鏡、反射望遠(yuǎn)鏡、折反射望遠(yuǎn)鏡相繼誕生。其中第一架反射式望遠(yuǎn)鏡由牛頓于1668年發(fā)明，現(xiàn)珍藏在皇家學(xué)會(huì)圖書館，研磨望遠(yuǎn)鏡數(shù)量最多的當(dāng)數(shù)英國(guó)有“恒星之父”美稱的天文學(xué)家赫歇耳，他早年為樂師，后轉(zhuǎn)為天文學(xué)，一生研制數(shù)百架望遠(yuǎn)鏡。1781年3月13日，他用自制的15cm的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)并發(fā)現(xiàn)了天王星。當(dāng)時(shí)人們只知天上有5顆行星，最遠(yuǎn)的是土星，距太陽約1.4×109km，那是太陽系的疆界，所以土星也被稱為“鎮(zhèn)星”，鎮(zhèn)守在太陽系的疆界。天王星距太陽約2.87×109km，天王星的發(fā)現(xiàn)將太陽系的疆界拓展了一倍。

天王星的發(fā)現(xiàn)引起了世人極大的關(guān)注，世界各國(guó)天文學(xué)家把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)天王星，發(fā)現(xiàn)天王星運(yùn)動(dòng)不守規(guī)矩，不老老實(shí)實(shí)在軌道上運(yùn)動(dòng)，有時(shí)候誤差角度竟高達(dá)2角分，當(dāng)時(shí)根據(jù)“行星星歷表”預(yù)報(bào)其他行星的運(yùn)動(dòng)，觀測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)很相符，而且很準(zhǔn)確。天王星不安分的原因是什么呢？問題出在什么地方呢？大多數(shù)天文學(xué)家在反復(fù)研究后，分析有可能在天王星軌跡之外還有一顆未知的行星在干擾（或影響）天王星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，德國(guó)天文學(xué)家貝塞爾曾預(yù)言：天外行星的存在，因?yàn)樾行沁\(yùn)動(dòng)參數(shù)主要取決是太陽，與行星之間的萬有引力，但是行星還受到其他行星的引力，而影響它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，導(dǎo)致其偏離預(yù)定軌道．這種偏離現(xiàn)象稱為“攝動(dòng)”。

筆尖上的發(fā)現(xiàn)

19世紀(jì)中葉，雖然當(dāng)時(shí)從已知的行星去計(jì)算對(duì)另一個(gè)已知行星的影響是可以做到的，計(jì)算卻十分困難，但要解決反其道而行之的問題，也就是從天王星已知的軌道偏差去反推一個(gè)在未知軌道上運(yùn)行的未知行星，并且求它當(dāng)時(shí)所在的位置、質(zhì)量、距離是一項(xiàng)相當(dāng)困難的計(jì)算，致使那時(shí)沒有敢進(jìn)行嘗試。

1843年，英國(guó)劍橋大學(xué)里有位剛畢業(yè)的24歲青年學(xué)生亞當(dāng)斯勇敢地承擔(dān)起了這個(gè)艱巨的任務(wù)，是最早從事這顆未知行星軌道要素研究和計(jì)算的人，劍橋大學(xué)天文臺(tái)長(zhǎng)鼎力支持此項(xiàng)工作并提供有關(guān)資料，經(jīng)過一年多的復(fù)雜計(jì)算，終于算出了天王星外的一顆未知行星的軌道要素、質(zhì)量和位置。1845年9月，亞當(dāng)斯通過劍橋大學(xué)的一位天文學(xué)家教授，把計(jì)算結(jié)果寄給了英國(guó)皇家天文臺(tái)長(zhǎng)喬治·艾里爵士，請(qǐng)求他用大型望遠(yuǎn)鏡來尋找這顆行星，不料艾里臺(tái)長(zhǎng)對(duì)亞當(dāng)斯的結(jié)果抱懷疑態(tài)度，因此只是禮貌地向亞當(dāng)斯寫了封回信，根本沒有組織天文臺(tái)研究人員進(jìn)行觀測(cè)和尋找。亞當(dāng)斯只好在缺少星圖的條件下，自己在劍橋大學(xué)天文臺(tái)進(jìn)行觀測(cè)，但沒有找到。一直拖延到第二年7月，英國(guó)格林尼治天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)艾里已意識(shí)到問題重大，又請(qǐng)巴黎天文臺(tái)任臺(tái)長(zhǎng)的朋友沙里斯帶領(lǐng)人去觀測(cè)，其實(shí)他們?cè)?月4日、12日再次觀測(cè)都記錄到新行星，只是未做及時(shí)處理，從而再次丟掉機(jī)會(huì)，讓新行星從他們的手里逃失。

正在這個(gè)時(shí)候，當(dāng)時(shí)34歲的法國(guó)青年天文工作者勒維烈也開始研究這一難題。1846年8月31日，他的傳世論文《論使天王星失常的行星，它的質(zhì)量、軌道和當(dāng)前位置的確定》發(fā)表在《法蘭西數(shù)學(xué)學(xué)報(bào)》上。他的結(jié)果與亞當(dāng)斯的非常接近。由于當(dāng)時(shí)巴黎天文臺(tái)沒有詳細(xì)完備的星圖，勒維烈求助于柏林天文臺(tái)，于1846年9月18日把他的計(jì)算數(shù)據(jù)寄給了擁有大量星圖的柏林天文臺(tái)的天文學(xué)家伽勒，請(qǐng)求幫助尋找。他在信中這樣說：“請(qǐng)您把你們的望遠(yuǎn)鏡指向黃徑326°處寶瓶座內(nèi)的橫道上的一點(diǎn)，您將在離此約１°的區(qū)域發(fā)現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)而明顯的新行星，它的亮度約9等……”

勒維烈太幸運(yùn)了。這封具有歷史意義的信走了5天，就在這封信9月23日到達(dá)伽勒的當(dāng)天晚上，這位德國(guó)天文學(xué)家就把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)寶瓶座勒維烈計(jì)算出的位置，認(rèn)真進(jìn)行搜索，細(xì)心記下經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡里每一顆星。僅僅花了不到半個(gè)小時(shí)，就發(fā)現(xiàn)了一顆星圖上沒有的略帶淡綠色的8等小星，它位于勒維烈所預(yù)言的那一只以外不到１°（52角分）的位置上。第二天晚上又繼續(xù)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)這顆小星在恒星之間步履遲緩地移動(dòng)著，這表明它確實(shí)是顆行星，伽勒興奮極了。9月25日，他立即復(fù)信給巴黎的勒維烈：“先生，你給我們指出位置的新行星是確實(shí)存在的?！边@封信寄到巴黎時(shí)，勒維烈如耳聞驚雷，看到自己的預(yù)言如此迅速地變成現(xiàn)實(shí)，激動(dòng)萬分，震驚不已。

伽勒把觀察結(jié)果發(fā)表在德國(guó)《天文學(xué)雜志》第23卷上。需要指出的是，海王星的發(fā)現(xiàn)具有一定的偶然性。因?yàn)槔站S烈在計(jì)算過程中，錯(cuò)設(shè)了未知行星的軌道半徑和質(zhì)量數(shù)據(jù)，當(dāng)然很難做出準(zhǔn)確無誤的預(yù)言。幸好勒維烈算得的未知行星在星空中的位置同實(shí)際位置十分接近，這才被發(fā)現(xiàn)了。

新行星的發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)了整個(gè)世界，這在當(dāng)時(shí)簡(jiǎn)直是個(gè)奇跡。一位天文學(xué)家在巴黎憑數(shù)學(xué)計(jì)算預(yù)言出一顆新行星的位置，另一個(gè)天文學(xué)家在柏林操縱望遠(yuǎn)鏡找到了它。巴黎天文臺(tái)長(zhǎng)阿喇戈說：“天文學(xué)家有時(shí)偶爾碰到一個(gè)動(dòng)點(diǎn)，在望遠(yuǎn)鏡里發(fā)現(xiàn)一顆行星，可是勒維烈先生發(fā)現(xiàn)這個(gè)新的天體，都沒有朝天一瞥，他在筆頭下便看到這顆行星了。只靠計(jì)算的力量，他決定了我們所知道行星疆界之處的一個(gè)天體的位置和大小，這是一個(gè)離太陽12億里（法國(guó)的古里）的一個(gè)天體，在最大的望遠(yuǎn)鏡里也看不出它的圓輪來?！边@個(gè)被天文學(xué)家稱為“筆尖上的發(fā)現(xiàn)”的新行星被命名為海王星。

視名利淡如水

海王星發(fā)現(xiàn)后面臨著命名問題，當(dāng)時(shí)巴黎天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)的阿喇戈認(rèn)為勒維烈“為祖國(guó)爭(zhēng)得了光輝，為子孫贏得了榮譽(yù)。”建議命名為“勒維烈星”，勒維烈拒絕接受。后來人們還是用傳統(tǒng)的行星命名法來命名這顆不平凡的行星，行星的命名歷來都是用古代神話里的神來命名的，如Ｖenus（金星）為古希臘的愛神，Ｍars（火星）為古希臘的戰(zhàn)神。人們從望遠(yuǎn)鏡里觀測(cè)到這顆淡藍(lán)色的星，聯(lián)想到大海，稱為“Ｎeptune”，Ｎeptune為古羅馬神話中的海神。據(jù)說全世界海洋的統(tǒng)治者（海神），住在深深的海底宮殿里，常乘坐一輛由金鬃色白馬拉的兩輪馬車在海上奔馳巡邏。我國(guó)恰當(dāng)?shù)匕眩蝒ptune譯成了海王星。

海王星發(fā)現(xiàn)后，使許多人又想起了亞當(dāng)斯的工作成果，又重新釋讀亞當(dāng)斯的論文，其中一段明白無誤地寫著：“新行星位于寶瓶座，其亮度大約相當(dāng)于一顆9等星……”由此可見，兩個(gè)互不知曉的青年，計(jì)算得到幾乎相同的結(jié)果。當(dāng)英法兩國(guó)學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論海王星的發(fā)現(xiàn)優(yōu)先權(quán)時(shí)，亞當(dāng)斯本人異常平靜，對(duì)名利十分淡薄，在他的日記中寫道：“對(duì)他人的榮譽(yù)不應(yīng)嫉妒，對(duì)自己的成功不應(yīng)驕傲。”他本人抱著十分超然的態(tài)度，甚至對(duì)格林尼治天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)艾里也沒有絲毫的怨言和責(zé)怪之心。1847年英國(guó)女皇在參觀劍橋大學(xué)時(shí)，曾讓校長(zhǎng)轉(zhuǎn)告亞當(dāng)斯，為表彰亞當(dāng)斯在研究新行星方面的貢獻(xiàn)，女皇陛下決定給他授予爵位。可亞當(dāng)斯卻謙遜地回答：“這是科學(xué)巨人牛頓曾經(jīng)獲得過的殊榮，我與牛頓是無法相比的?！?847年，兩個(gè)年輕人在倫敦的一次國(guó)際性學(xué)術(shù)會(huì)議上友好地相見了，他們互相稱頌對(duì)方的工作，科學(xué)家的胸懷得到了充分的展示。

歷史是公正的，人們一致認(rèn)為他們應(yīng)當(dāng)共享這個(gè)榮譽(yù)。后來英國(guó)天皇天文學(xué)會(huì)把兩枚金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)路謩e授于勒維烈和亞當(dāng)斯，來表彰他們各自的功績(jī)。鑒于他們的科學(xué)才華和所做的貢獻(xiàn)，以及他們表現(xiàn)出的高尚情操，勒維烈后來兩度出任巴黎天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)，亞當(dāng)斯也擔(dān)任了兩屆英國(guó)天文學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)1861年后任劍橋大學(xué)天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)。

—?THE END —

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