大天文學(xué)家威廉·赫歇爾

　　音樂(lè)與星空

　　古希臘哲人畢達(dá)哥拉斯的“宇宙和諧論”堅(jiān)信音樂(lè)和天文一脈相通。我們不知他的話是否一語(yǔ)破的,但對(duì)威廉·赫歇爾來(lái)說(shuō),他與望遠(yuǎn)鏡、天文學(xué)的不解之緣竟得益于音樂(lè)。威廉·赫歇爾的父親艾薩克也是一位雙簧管手,在禁衛(wèi)軍樂(lè)團(tuán)服役。威廉4歲即從父學(xué)習(xí)小提琴,稍大又學(xué)吹雙簧管。父親用以施教的樂(lè)理教材,其中有史密斯的《和聲學(xué)》。根據(jù)該書(shū)提供的線索,威廉找到了史密斯的另一專(zhuān)著《完整的光學(xué)系統(tǒng)》,很早就掌握了望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)知識(shí)。而老艾薩克又多才多藝,在夜晚教授子女音樂(lè)之余,常趁興指點(diǎn)他們認(rèn)識(shí)星空,誰(shuí)知卻有了意外的收獲。

　　子承父業(yè),16歲的威廉為減輕家庭負(fù)擔(dān)被迫輟學(xué),進(jìn)軍樂(lè)團(tuán)吹起了雙簧管。1756年,英法間爆發(fā)了“七年戰(zhàn)爭(zhēng)”,普魯士站在英國(guó)一邊,奧地利和俄羅斯站在法國(guó)一邊。威廉不堪戰(zhàn)爭(zhēng)之苦,于翌年只身渡海遁逃倫敦。為了逃避緝捕,他改名換姓,東躲西藏。由于不諳英語(yǔ),人地兩疏,身無(wú)分文,只得靠演奏樂(lè)器和教授音樂(lè)糊口。生活稍穩(wěn)定,他就白天從事音樂(lè),晚間研習(xí)天文和磨制望遠(yuǎn)鏡,每逢晴夜,則堅(jiān)持觀天以自?shī)�。開(kāi)始時(shí),他是借用別人的小型望遠(yuǎn)鏡,不久威廉便產(chǎn)生了想看得更清楚、更深遠(yuǎn)的強(qiáng)烈愿望。但是稍大些的望遠(yuǎn)鏡,其價(jià)格的高昂足以嚇退薪俸微薄的打工仔。他深知,欲窮宇宙的奧秘,只有憑借望遠(yuǎn)鏡才能延長(zhǎng)人的視力;而望遠(yuǎn)鏡口徑越大,視力貫穿星空的本領(lǐng)就越強(qiáng)。他決心把視界擴(kuò)大到更遙遠(yuǎn)的星空,于是憑著自己的智慧和雙手自行設(shè)計(jì)和建造望遠(yuǎn)鏡。這是一條充滿荊棘的道路,一條勇敢者的道路。 1774年3月,在妹妹卡洛琳的協(xié)助下,威廉自行設(shè)計(jì)和建造的第一架反射望遠(yuǎn)鏡誕生了。其口徑約為12.7厘米,焦距約為1.7米;為減少失光,威廉省去了牛頓式平面副鏡,后世稱(chēng)為赫歇爾式望遠(yuǎn)鏡。這是歷經(jīng)一年多不斷試驗(yàn)、失敗、再試驗(yàn)的結(jié)果。他選用不同配方的銅銻鎳合金為鏡胚,研磨、斷裂、再研磨……滴滴汗水濕潤(rùn)著鏡片,燭光映著星光,送走黑夜又迎來(lái)晨曦。蒼天不負(fù)苦心人,威廉終于獲得了成功,從此一發(fā)而不可收。1776年一年之內(nèi),他便建成了 3架自用的望遠(yuǎn)鏡,最長(zhǎng)的有6米,真是個(gè)龐然大物�？墒�,要自如地駕馭它,還得掌握高超的操作技術(shù)。

　　1781年,威廉用2.1米左右望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了天王星,從此聲名大振,訂單像雪片一樣飛來(lái),其中不乏各國(guó)天文學(xué)家和王室的訂貨。為了讓自己的視力到達(dá)銀河系邊緣,他決心研制威力更大的儀器。當(dāng)?shù)罔T造廠已無(wú)法提供口徑超過(guò)30厘米的金屬鏡坯了,他就在宅邸的地下室砌筑冶煉爐灶,熔鍛合金材料,幾經(jīng)失敗,終于澆鑄出大鏡胚。1781年威廉建成了約9.1米的望遠(yuǎn)鏡,鏡面口徑約為91厘米,兩年后又配上口徑約1.2米的巨型反射鏡片。這是威廉研制的望遠(yuǎn)鏡之最,也是當(dāng)時(shí)世界之最。

　　星海勾沉——天王星的發(fā)現(xiàn)

　　“在陽(yáng)光照耀的地方,紫羅蘭總是要開(kāi)放。”

　　這是一句英國(guó)流行的諺語(yǔ)。它形象地概括了一個(gè)哲理:偶然之中有必然。天王星是天文學(xué)家用望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的太陽(yáng)系中的第一顆新行星。它距離太陽(yáng)是日地平均距離的19倍,平均視亮度5.5星等,肉眼勉強(qiáng)可見(jiàn)。它在茫茫太空中邀游,一次次被天文學(xué)家的銳眼碰見(jiàn),但又一次次成了“漏網(wǎng)之魚(yú)”,逃之夭夭。它有如星海里一粒暗淡的金砂,在墨綠色的波濤下忽隱忽現(xiàn),毫不起眼。從1690年以來(lái),它至少有19次被觀測(cè)記錄在案,但每次都被誤認(rèn)為是暗弱恒星而放過(guò)了。其中見(jiàn)過(guò)這顆星的不乏其人,如皇家天文學(xué)家弗拉姆斯蒂德、布拉得雷等大師級(jí)的觀測(cè)大人物。結(jié)果卻是被一位天文愛(ài)好者、小城鎮(zhèn)的民間音樂(lè)家威廉·赫歇爾偶然間撞上了。但是正如巴斯德所說(shuō),機(jī)遇只青睞有準(zhǔn)備的頭腦。

　　在天王星發(fā)現(xiàn)前3年,威廉在妹妹的支持下開(kāi)始了工程浩大的兩期“星空巡視”,目的是發(fā)現(xiàn)和測(cè)量雙星。他用的是1776年自制的約2.1米望遠(yuǎn)鏡。第一期星空巡視,逐個(gè)觀測(cè)亮于4星等的亮星;第二期星空巡視,換置更高倍的目鏡和新反射鏡片,逐個(gè)觀測(cè)極限星等8星等的暗弱星。這一工作從1780年開(kāi)始。

　　“1781年3月13日星期二晚上10點(diǎn)到11點(diǎn)間,我正考察雙子座H星附近的一群小星時(shí),發(fā)現(xiàn)了一個(gè)異常明亮的星,我將它同雙子座H及雙子、御夫之間的小星作比較,發(fā)現(xiàn)它比任何一個(gè)都亮。我懷疑它可能是一個(gè)彗星。……”這里說(shuō)的“異常明亮”是相對(duì)之辭,實(shí)際上亮度約6星等。但是威廉的“武庫(kù)”里備有許多威力非同一般的“新式武器”,這正是他超越別人作出偉大發(fā)現(xiàn)的雄厚資本。他接著說(shuō):“我在手頭準(zhǔn)備了227、460、932、1536、2010等倍的幾個(gè)目鏡,需要時(shí)都能成功地用上。”也就是說(shuō),星海垂釣,他備有各種型號(hào)的魚(yú)鉤。這正是別人望塵莫及的優(yōu)勢(shì)。威廉有極其豐富的觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)。他發(fā)現(xiàn)該星的直徑隨放大率而增大,肯定不是恒星。他意識(shí)到這是一條大魚(yú)在咬鉤了。經(jīng)沃森博士推薦,觀測(cè)報(bào)告送呈皇家學(xué)會(huì)。在此之后威廉又跟蹤觀測(cè)了4夜。4月26日,他應(yīng)邀在皇家學(xué)會(huì)宣讀發(fā)現(xiàn)新天體的論文。8月,俄國(guó)的劉塞爾、法國(guó)的拉普拉斯同時(shí)計(jì)算出該星的軌道,確認(rèn)它是土星之外的大行星。太陽(yáng)系的疆界一下子擴(kuò)大了一倍!。

　　威廉確實(shí)幸運(yùn)。他獲得了種種殊榮,而且流芳百世。但是這種幸運(yùn),這種不期而遇,正是同他向來(lái)重視改進(jìn)科學(xué)工具,勤于系統(tǒng)觀測(cè)的踏實(shí)作風(fēng),不怕艱難的驚人毅力,以及善于透過(guò)現(xiàn)象洞察事物本質(zhì)的理論思維等科學(xué)素養(yǎng)分不開(kāi)的。

　　數(shù)星星的蠢人

　　這里有一段關(guān)于哲學(xué)家笛卡兒論星星的趣話。有一次笛卡兒坐在自己屋前的臺(tái)階上,正在凝視著落日后昏暗的地平線。一個(gè)過(guò)路人走近他的身旁,問(wèn)道:“喂!聰明人,請(qǐng)問(wèn),天上有多少顆星星?”他回答道:“蠢人!誰(shuí)也不能擁抱那無(wú)邊無(wú)際的東西……”

　　赫歇爾兄妹就是天文學(xué)家中立志“數(shù)星星”的最先兩個(gè)“大蠢人”。正是他們第一次用巨型望遠(yuǎn)鏡去撞開(kāi)恒星世界的大門(mén)。而在這一偉大創(chuàng)舉之前,人類(lèi)只是把自己的視力局限在地球附近的地月空間和太陽(yáng)附近的五大行星之間。威廉在歷史上為恒星天文學(xué)的建立奠定了第一塊基石。他第一次用實(shí)證科學(xué)而不是哲學(xué)思辨去揭示銀河系的真面目。他雄心勃勃地制定并有效完成的星云巡天觀測(cè)計(jì)劃長(zhǎng)達(dá)19年,碩果累累。1786年、1789年和1802年,他3次向皇家學(xué)會(huì)呈交的星云星團(tuán)表,共記錄了2500個(gè)星云和星團(tuán)。此外,他開(kāi)展了天文學(xué)史上前所未有的雙星觀測(cè),1782年、1785年和1821年(逝世前1年),由皇家學(xué)會(huì) 3次刊布雙星星表,共發(fā)現(xiàn)雙星、三合星和聚星848個(gè)。“數(shù)星星”成了威廉最輝煌的天文業(yè)績(jī)。他是第一個(gè)敢于“擁抱那無(wú)邊無(wú)際”的人!他昔日在漢諾威禁衛(wèi)軍樂(lè)團(tuán)、達(dá)勒姆郡軍樂(lè)團(tuán)任職,只是在管弦樂(lè)隊(duì)里合奏高音的雙簧管。而后,他的雙簧管卻和著宇宙深處傳來(lái)的天籟之音,獨(dú)奏恒星世界的群英譜。 立志做“數(shù)星星的蠢人”,這需要有多大的勇氣、多么驚人的毅力、多么超凡的耐心、多么高超的技巧及多么繁重的腦力和體力勞動(dòng)啊!為了數(shù)星星,他們數(shù)十年如一日默默無(wú)聞地勞作。赫歇爾兄妹從不輕易放過(guò)可觀測(cè)的晴朗天氣,無(wú)論是嚴(yán)寒的冬宵還是酷暑的夏夜,常常從夜幕降臨干到晨曦初上,廢寢忘食,徹夜不眠。威廉餓了,渴了,仍舍不得離開(kāi)研磨望遠(yuǎn)鏡鏡面的活計(jì),卡洛琳就用叉子湯匙一口口喂他。如此艱苦勞累,他倆卻毫無(wú)怨言,樂(lè)此不疲,為了科學(xué),雖苦猶甜。 為了數(shù)星星,他們忘了歲月,不知老之將至,完全獻(xiàn)身于神圣的科學(xué)事業(yè)。威廉50歲成婚,娶的是一位肯大力資助他研制大型望遠(yuǎn)鏡的富家寡婦,54歲得子約翰。約翰長(zhǎng)大后,子承父業(yè),主要業(yè)績(jī)是用父親的儀器在好望角數(shù)南天的星星。至于卡洛琳,對(duì)天文學(xué)一往情深,為數(shù)星星終身未嫁。

　　在畢達(dá)哥拉斯的心中,宇宙有如一個(gè)龐大的樂(lè)隊(duì),眾星和諧地分布于天穹,撥動(dòng)著各自的琴弦,各種樂(lè)音匯成天籟之音,在宇宙中回蕩。“聽(tīng)到了嗎?”這位先哲問(wèn)道,“把你們的心全投人進(jìn)去,讓你們已潔凈的靈魂飛到太空中邀游,你們就會(huì)聽(tīng)到了。”顯然,赫歇爾一家聽(tīng)到了宇宙的旋律。 威廉·赫歇爾主要業(yè)績(jī)

　　(1)制造了許多大型望遠(yuǎn)鏡。磨制出售的望遠(yuǎn)鏡至少有76架。自用的反射望遠(yuǎn)鏡最大口徑1.2米,為當(dāng)時(shí)世界之最;(2)發(fā)現(xiàn)了天王星。1781年,威廉·赫歇爾用自制望遠(yuǎn)鏡作巡天觀測(cè)時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了天王星,后又發(fā)現(xiàn)了天王星和土星各自的兩顆衛(wèi)星,為此榮獲英國(guó)皇家學(xué)會(huì)科普利獎(jiǎng)?wù)?并被選為會(huì)員;(3)進(jìn)行了銀河系結(jié)構(gòu)的研究,用統(tǒng)計(jì)法首次確認(rèn)了銀河系為扁平狀圓盤(pán)的假說(shuō);(4)從事星團(tuán)、星云和雙星的研究,集20年觀測(cè)成果,匯編成3部星云和星團(tuán)表,共記載了2500個(gè)星云和星團(tuán),其中僅100多個(gè)系前人已知,還發(fā)現(xiàn)了雙星、三合星和聚星848個(gè);(5)發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)的空間運(yùn)動(dòng)。他發(fā)現(xiàn)并測(cè)定出太陽(yáng)的向點(diǎn)位于武仙座λ附近,與現(xiàn)代的公認(rèn)值十分接近。因威廉·赫歇爾在天文學(xué)特別是恒星觀察領(lǐng)域業(yè)績(jī)卓著,后人將他譽(yù)為“恒星天文學(xué)之父”。