大天文學(xué)家威廉·赫歇爾

　　音樂與星空

　　古希臘哲人畢達哥拉斯的“宇宙和諧論”堅信音樂和天文一脈相通。我們不知他的話是否一語破的,但對威廉·赫歇爾來說,他與望遠(yuǎn)鏡、天文學(xué)的不解之緣竟得益于音樂。威廉·赫歇爾的父親艾薩克也是一位雙簧管手,在禁衛(wèi)軍樂團服役。威廉4歲即從父學(xué)習(xí)小提琴,稍大又學(xué)吹雙簧管。父親用以施教的樂理教材,其中有史密斯的《和聲學(xué)》。根據(jù)該書提供的線索,威廉找到了史密斯的另一專著《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。而老艾薩克又多才多藝,在夜晚教授子女音樂之余,常趁興指點他們認(rèn)識星空,誰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),進軍樂團吹起了雙簧管。1756年,英法間爆發(fā)了“七年戰(zhàn)爭”,普魯士站在英國一邊,奧地利和俄羅斯站在法國一邊。威廉不堪戰(zhàn)爭之苦,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,人地兩疏,身無分文,只得靠演奏樂器和教授音樂糊口。生活稍穩(wěn)定,他就白天從事音樂,晚間研習(xí)天文和磨制望遠(yuǎn)鏡,每逢晴夜,則堅持觀天以自娛。開始時,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)的強烈愿望。但是稍大些的望遠(yuǎn)鏡,其價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。他決心把視界擴大到更遙遠(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,后世稱為赫歇爾式望遠(yuǎn)鏡。這是歷經(jīng)一年多不斷試驗、失敗、再試驗的結(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……滴滴汗水濕潤著鏡片,燭光映著星光,送走黑夜又迎來晨曦。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,最長的有6米,真是個龐然大物�？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,其中不乏各國天文學(xué)家和王室的訂貨。為了讓自己的視力到達銀河系邊緣,他決心研制威力更大的儀器。當(dāng)?shù)罔T造廠已無法提供口徑超過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)時世界之最。

　　星海勾沉——天王星的發(fā)現(xiàn)

　　“在陽光照耀的地方,紫羅蘭總是要開放。”

　　這是一句英國流行的諺語。它形象地概括了一個哲理:偶然之中有必然。天王星是天文學(xué)家用望遠(yuǎn)鏡探測到的太陽系中的第一顆新行星。它距離太陽是日地平均距離的19倍,平均視亮度5.5星等,肉眼勉強可見。它在茫茫太空中邀游,一次次被天文學(xué)家的銳眼碰見,但又一次次成了“漏網(wǎng)之魚”,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,它至少有19次被觀測記錄在案,但每次都被誤認(rèn)為是暗弱恒星而放過了。其中見過這顆星的不乏其人,如皇家天文學(xué)家弗拉姆斯蒂德、布拉得雷等大師級的觀測大人物。結(jié)果卻是被一位天文愛好者、小城鎮(zhèn)的民間音樂家威廉·赫歇爾偶然間撞上了。但是正如巴斯德所說,機遇只青睞有準(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始了工程浩大的兩期“星空巡視”,目的是發(fā)現(xiàn)和測量雙星。他用的是1776年自制的約2.1米望遠(yuǎn)鏡。第一期星空巡視,逐個觀測亮于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,逐個觀測極限星等8星等的暗弱星。這一工作從1780年開始。

　　“1781年3月13日星期二晚上10點到11點間,我正考察雙子座H星附近的一群小星時,發(fā)現(xiàn)了一個異常明亮的星,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)它比任何一個都亮。我懷疑它可能是一個彗星。……”這里說的“異常明亮”是相對之辭,實際上亮度約6星等。但是威廉的“武庫”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:“我在手頭準(zhǔn)備了227、460、932、1536、2010等倍的幾個目鏡,需要時都能成功地用上。”也就是說,星海垂釣,他備有各種型號的魚鉤。這正是別人望塵莫及的優(yōu)勢。威廉有極其豐富的觀測經(jīng)驗。他發(fā)現(xiàn)該星的直徑隨放大率而增大,肯定不是恒星。他意識到這是一條大魚在咬鉤了。經(jīng)沃森博士推薦,觀測報告送呈皇家學(xué)會。在此之后威廉又跟蹤觀測了4夜。4月26日,他應(yīng)邀在皇家學(xué)會宣讀發(fā)現(xiàn)新天體的論文。8月,俄國的劉塞爾、法國的拉普拉斯同時計算出該星的軌道,確認(rèn)它是土星之外的大行星。太陽系的疆界一下子擴大了一倍!。

　　威廉確實幸運。他獲得了種種殊榮,而且流芳百世。但是這種幸運,這種不期而遇,正是同他向來重視改進科學(xué)工具,勤于系統(tǒng)觀測的踏實作風(fēng),不怕艱難的驚人毅力,以及善于透過現(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階上,正在凝視著落日后昏暗的地平線。一個過路人走近他的身旁,問道:“喂!聰明人,請問,天上有多少顆星星?”他回答道:“蠢人!誰也不能擁抱那無邊無際的東西……”

　　赫歇爾兄妹就是天文學(xué)家中立志“數(shù)星星”的最先兩個“大蠢人”。正是他們第一次用巨型望遠(yuǎn)鏡去撞開恒星世界的大門。而在這一偉大創(chuàng)舉之前,人類只是把自己的視力局限在地球附近的地月空間和太陽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計劃長達19年,碩果累累。1786年、1789年和1802年,他3次向皇家學(xué)會呈交的星云星團表,共記錄了2500個星云和星團。此外,他開展了天文學(xué)史上前所未有的雙星觀測,1782年、1785年和1821年(逝世前1年),由皇家學(xué)會 3次刊布雙星星表,共發(fā)現(xiàn)雙星、三合星和聚星848個。“數(shù)星星”成了威廉最輝煌的天文業(yè)績。他是第一個敢于“擁抱那無邊無際”的人!他昔日在漢諾威禁衛(wèi)軍樂團、達勒姆郡軍樂團任職,只是在管弦樂隊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的天籟之音,獨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啊!為了數(shù)星星,他們數(shù)十年如一日默默無聞地勞作。赫歇爾兄妹從不輕易放過可觀測的晴朗天氣,無論是嚴(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,仍舍不得離開研磨望遠(yuǎn)鏡鏡面的活計,卡洛琳就用叉子湯匙一口口喂他。如此艱苦勞累,他倆卻毫無怨言,樂此不疲,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。約翰長大后,子承父業(yè),主要業(yè)績是用父親的儀器在好望角數(shù)南天的星星。至于卡洛琳,對天文學(xué)一往情深,為數(shù)星星終身未嫁。

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

　　(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)鏡作巡天觀測時偶然發(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,為此榮獲英國皇家學(xué)會科普利獎?wù)?并被選為會員;(3)進行了銀河系結(jié)構(gòu)的研究,用統(tǒng)計法首次確認(rèn)了銀河系為扁平狀圓盤的假說;(4)從事星團、星云和雙星的研究,集20年觀測成果,匯編成3部星云和星團表,共記載了2500個星云和星團,其中僅100多個系前人已知,還發(fā)現(xiàn)了雙星、三合星和聚星848個;(5)發(fā)現(xiàn)了太陽的空間運動。他發(fā)現(xiàn)并測定出太陽的向點位于武仙座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)績卓著,后人將他譽為“恒星天文學(xué)之父”。