寻找太阳系的疆界:乐师星匠

2017-06-08作者:卢昌海 编编辑:谢爽

赫歇耳的一生非常出色地实践了两种截然不同的职业,其中最出色的职业——天文学家——不仅出现在对常人来说很难有开创性成就的后半生里,而且从某种意义上讲,就像他对新行星的发现一样,是一个无心插柳的故事。


赫歇耳于1738年11月15日出生在当时属于英王领地的德国中北部城市汉诺威(Hanover)的一个音乐之家。赫歇耳具有很高的音乐天赋,他14岁就参加乐队,不仅擅长多种乐器,而且还能独立作曲,他亲自创作的交响曲和协奏曲就有几十首之多。1757年秋天,19岁的赫歇耳移居到了英国,以演奏及讲授音乐为生。



赫歇耳的音乐成就以常人的标准来衡量应该说是颇为可观的,但放在他的简历中,却无可避免地要被他巨大的天文成就所淹没。不过他在英国的音乐生涯中有一件事情值得一提。那是在18世纪60年代中期,当时英国的教会刚刚开始引进风琴,需要招募一批风琴演奏者,年轻的赫歇耳也参加了一个风琴演奏职位的竞逐。当时的竞争颇为激烈,而赫歇耳在风琴演奏上并无经验。但他敏锐地发现当时英国教会引进的风琴与欧洲大陆的风琴相比有一个缺陷,那就是缺少控制低音部的踏板。为了弥补这一缺陷,聪明的赫歇耳对两个低音琴键进行了改动,从而演奏出了通常需要低音踏板的配合才能演奏出的低音部。他的表演不仅赢得了评审的一致赞赏,而且让他们深感神秘(当然,他顺理成章地成为了优胜者)。赫歇耳在这一竞争中显示出过人的动手及设计能力,为他日后的天文生涯立下汗马功劳。


1766年,赫歇耳迁居到了英国西南部的一座名叫巴斯(Bath)的小镇,在一所教堂担任风琴演奏师,开始了他在那里长达16年的生活。这座当时人口仅有两千的观光小镇因而有幸见证了赫歇耳一生最辉煌的工作。在巴斯期间,赫歇耳的音乐生涯达到了巅峰,他不仅是风琴演奏师,而且还担任了当地音乐会的总监,并开班讲授音乐课程。1772年,收入已颇为殷实的赫歇耳给他母亲寄去了足够雇一位佣人的钱,从而把他妹妹卡洛琳(Caroline Herschel)从母亲为她安排的枯燥繁重的家务劳动中解救了出来,并接到巴斯。



与赫歇耳一样,卡洛琳也是一位颇有音乐天赋的人,但她一生注定要跟随哥哥去走一条未曾规划过的道路。在接卡洛琳到巴斯之前,已成为镇上知名音乐家的赫歇耳潜心学起了数学。赫歇耳学数学的本意是想多了解一些和声的数学机理,从而加强自己的音乐素养。但结果却因学数学而接触了光学,又因接触光学而对天文学产生了浓厚的兴趣,最终走上了一条业余天文学家之路。而卡洛琳则成为了他在天文观测上不可或缺的助手。


赫歇耳所走的这条业余天文学家之路,不仅为他自己走出了一片绚烂的天地,也成就了业余天文学的一段——也许是最后一段——黄金岁月。18世纪的许多职业天文学家过分沉醉于由牛顿(Isaac Newton)所奠定,并经欧拉(Leonhard Euler)、拉格朗日(Joseph Louis Lagrange)、拉普拉斯(Pierre Simon Laplace)等人所改进的辉煌的力学体系之中。他们热衷于计算各种已知天体的轨道,以此检验牛顿力学,同时也为经纬及时间的确定提供精密参照。在一定程度上,当时的许多职业天文学家变得精于验证性的计算,却疏于探索性的观测。在这种情况下,自赫歇耳之后半个多世纪的时间里,业余天文学家们对天文学的发展起了重要的补充作用,这一时期天文学上的许多重大的观测发现就出自他们之手。


常言道:“工欲善其事,必先利其器。”对天文观测来说,必备的工具是望远镜。由于当时高质量的望远镜极其昂贵,赫歇耳决定自己动手制作望远镜(也顺便可以实践因学数学而接触的光学知识)。望远镜的问世是在17世纪初,其确切的发明者现已无从追溯,但德国裔荷兰人利普歇(Hans Lippershey)于1608年最早为自己制作的望远镜申请了专利,从而留下了文字记录,因此人们一般将他视为望远镜的发明者。1609年,科学巨匠伽利略(Galileo Galilei)在得知了有关望远镜的消息后,很快制作出了自己的望远镜。伽利略制作的望远镜在结构及放大率上都大大优于包括利普歇在内的同时代人制作的望远镜。并且他也是最早将望远镜用于天文观测的人。通过望远镜,伽利略获得了一系列前所未有的天文发现,其中包括发现月球上的环形山、太阳黑子及木星的四颗卫星(现在被称为伽利略卫星)等。不过伽利略所用的是折射望远镜,这种望远镜由于透镜(主要是物镜)所具有的色差等当时技术难以消除的效应而无法达到很高的放大率。17世纪后期,另一位科学巨匠牛顿发明了反射望远镜,用反射面替代了折射望远镜中的物镜,从而避免了透镜色差带来的困扰。赫歇耳所制作的就是反射望远镜,这种望远镜的反射面可以用金属制作而无需使用玻璃。


为了制作望远镜,赫歇耳将自己在巴斯的住所改造成了望远镜“梦工厂”:客厅被用来制作镜架与镜筒,卧室变成了研磨目镜的场所,厨房里则架起了熊熊的熔炉。赫歇耳细心试验了许多不同成分的合金,最后选择了用71%的铜与29%的锡组成的合金,作为制作反射面的材料。在制作望远镜期间,除妹妹卡洛琳外,赫歇耳还得到了弟弟亚历山大(Alexander Herschel)的帮助。赫歇耳一生制作的望远镜有几百架之多,不仅满足了自己的需要,而且还通过出售望远镜使家庭获得了数目不菲的额外收入。在长期的制作中,他的作坊也一度发生过严重的事故,导致熔融的金属四处飞溅,幸好大家闪避及时,奇迹般地未造成人员伤亡。


1778年,赫歇耳的家庭作坊制作出了一架直径6.2英寸、焦距7英尺的反射望远镜。这架望远镜在天文史上有着重要的意义,被后世称为“七英尺望远镜”。后来的检验表明,赫歇耳这架“七英尺望远镜”的性能全面超越了当时英国格林威治(Greenwich)皇家天文台的望远镜。赫歇耳用自己的双手制造出了当时全世界最顶尖的观测设备,为自己的天文观测之路迈出了无比坚实的第一步。终其一生,赫歇耳孜孜不倦地建造着更大的望远镜,一次再次地刷新着自己——从而也是整个天文学界——的纪录,他在这一领域的优势不仅在其有生之年从未被反超过,甚至在去世之后仍保持了很长时间。



三年后的一个春季的夜晚,一颗略带圆面的星星出现在了赫歇耳那架“七英尺望远镜”的视野里,他一生最伟大的发现来临了。


内容来源:书问

作者卢昌海
出版清华大学出版社
定价15元
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