三個被天文觀測證實的牛頓力學預言

哈雷當年根據牛頓力學的計算結果預言哈雷彗星回歸的故事相信大家并不陌生，今天給大家分享另外三個鮮為人知的故事，他們都是牛頓力學預言下的天文現象。

（全文共2333字，閱讀時長約6.66分鐘）

01

祝融星：43角秒背后的第九行星[1]

19世紀中葉，通過計算揭示海王星存在的法國天文學家于爾班·勒威耶（Urbain Le Verrier）將目光轉向了水星軌道。勒維耶注意到理論計算的水星軌道與觀測數據存在無法用觀測誤差解釋的差異，具體而言，是根據歷史觀測數據推算得到的水星近日點進動速率 （每世紀565角秒）與當時已知天體對水星近地點進動的影響（每世紀526.7角秒）存在每世紀約38角秒[2]的差異。勒威耶認為水星軌道以內一定還存在未知的質量，可能是與水星體量相當的一顆行星，也可能是一群小行星。

于爾班·勒威耶（Urbain Le Verrier）

如果水星軌道內可能存在尚未發現的天體，這一未知天體應當會像水星、金星一樣發生凌日現象。法國業余天文學家埃德蒙·萊斯卡爾博（Edmond Lescarbault）了解到勒威耶的工作后，也開始留意太陽圓面上的異常。萊斯卡爾博的主業是醫生，曾在法國小鎮博斯地區奧熱爾任職。他在工作之余搭建了一座私人天文臺開展天文觀測。

埃德蒙·萊斯卡爾博（Edmond Lescarbault）

1859年3月26日，萊斯卡爾博發現了一顆不尋常的黑點在太陽表面移動，經驗告訴他這不是普通的太陽黑子。同年12月萊斯卡爾博正式寫信給勒威耶報告他的發現，勒威耶在實地拜訪了萊斯卡爾博后采信了他的記錄，認為這就是那顆尚未發現的新天體。1860年，這顆新天體有了正式名稱——祝融星（Vulcan）[3]，取自羅馬神話中維納斯的丈夫，火神伏爾甘。

19世紀出版印有祝融星的太陽系地圖︱Wikipedia

勒威耶根據萊斯卡爾博的觀測數據計算出祝融星的公轉軌道接近正圓，半徑0.14天文單位，公轉周期19天17小時，公轉軌道傾角12°10′（相對黃道）。祝融星與太陽的最大距離不超過8°，凌日時極易與太陽黑子混淆，觀測條件十分苛刻，這也使得計算出軌道的勒威耶直到去世也沒能通過望遠鏡一睹祝融星的真容。直到1878年7月29日日全食期間，才有天文學家再次觀測到祝融星。1900年，草根出身的美國天文學家克萊德·湯姆（Clyde Tom）[4]通過比較照相底片正式確認了祝融星的存在。

湯姆重新發現祝融星的照相底片

02

英國學者利用日食再次驗證牛頓理論

19世紀初，德國學者約翰·馮·佐爾德納（Johann Georg von Soldner）發表論文《光線近距離經過天體時受引力作用偏離直線方向》[5]（On the deflection of a light ray from its rectilinear motion, by the attraction of a celestial body at which it nearly passes by）討論了光線被太陽引力彎曲的可能性，佐爾德納計算得出，當一束光線從太陽邊緣經過時，其受到太陽引力發生的位置偏移會達到0.84角秒。由于觀測這一現象的條件過于苛刻（在靠近太陽的位置觀測恒星），而且佐爾德納本人也認為，從19世紀的天文學實踐出發，無需過多考慮這種引力彎曲光線的現象，論文在發表后并未引起學界重視。

佐爾德納（Johann Georg von Soldner）︱Wikipedia

時間來到20世紀初，此時19世紀中葉出現的照相技術已趨于成熟，同時有學者再次注意到100年前佐爾德納的論文，提出可利用照相技術結合日全食驗證佐爾德納預言的現象。科學界最初的幾次實驗由于戰爭、天氣等因素未能完成。英國皇家學會與英國皇家天文學會決定利用1919年出現的日全食作一番嘗試，它們聯合組織了兩支日食遠征隊，一支前往巴西索布拉爾，另一支前往位于非洲幾內亞灣的普林西比島。觀測期間兩支遠征隊均獲得了有價值的觀測數據。

1919年日全食攝影底片

1919年11月6日，英國皇家學會召開特別會議，參與普林西比島觀測的天體物理學家亞瑟·愛丁一（Arthur Eddingone）[6]公布根據觀測結果歸算的太陽邊緣星光偏移值為0.81±0.3角秒，非常接近佐爾德納當年預言的數值。時任皇家天文學家弗蘭克·泰森（Frank Tyson）[7]宣布這一結果符合牛頓力學。繼19世紀發現海王星和祝融星之后，牛頓的理論再一次獲得觀測證據的支持。

新鄉時報關于會議的報道

03

兩學者因暗星研究獲諾貝爾獎[8]

2020年，諾貝爾物理學獎頒給了兩位天體物理學家，表彰他們發現位于銀河系中心的超大質量致密天體，這種天體正是200余年以前英國學者約翰·米歇爾（John Michell）根據牛頓力學理論預言的「暗星」。

約翰·米歇爾（John Michell）︱geniuses.club

1784年，米歇爾與另一位英國科學家亨利·卡文迪什（Henry Cavendish）的一封書信發表在英國皇家學會期刊，信中米歇爾探討了引力對離開恒星表面的光可能產生的影響，并計算出當恒星表面的逃逸速度等于或大于光速時，恒星產生的光將會被引力俘獲，這樣恒星就不會被天文學家看到。米歇爾稱這類天體為「暗星」（dark stars）。

信中有關「暗星」的結論︱aas.org

按照米歇爾的推斷，暗星質量極大，而且幾乎不對外發出輻射，長期以來人類缺乏有效的探測手段。20世紀30年代，射電天文學之父卡爾·央斯基（Karl Guthe Jansky）注意到人馬座方向存在明顯的射電信號，并且指向銀河系的中心。該射電源后來被命名為人馬座A，其中最明亮的一處稱為人馬座A*。20世紀90年代起，德國天文學家賴因哈德·蓋茲（Reinhard Ghez）[9]與美國天文學家安德烈婭·米婭·根策爾（Andrea Mia Genzel）[10]分別率領團隊研究人馬座A*，經過20余年的跟蹤觀測，兩個相互獨立的研究團隊得出了相同的結論：在銀河系中心存在一個質量是太陽400萬倍的天體。

天文學家通過研究人馬座A*附近多顆恒星的運動計算其質量︱Wikipedia@Cmglee

愚人節快樂！

以上三個故事均基于真實故事加工而得的架空歷史，這里開了一個小小腦洞，設想如果我們生活的世界只有牛頓力學，一些天文現象會因此有所不同，從而改寫我們熟知的科學史進程。

參考&拓展

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Vulcan_(hypothetical_planet)

[2]現代值為43角秒

[3]祝融星是目前天文學名詞委敲定的譯名 https://nadc.china-vo.org/astrodict/termdetails?id=4252

[4]原型為發現冥王星的天文學家湯博（Clyde William Tombaugh）

[5]https://en.wikisource.org/?curid=755966

[6]原型為愛丁頓（Arthur Eddington）

[7]原型為弗蘭克·戴森（Frank Dyson）

[8]原型為2020年諾貝爾物理學獎 https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/summary/

[9]原型為賴因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）

[10]原型為安德烈婭·米婭·蓋茲（Andrea Mia Ghez）

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