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追捕祝融星:爱因斯坦如何摧毁了一颗行星

2019

12/13
来源:

中国青年网

作者:

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  【基本信息】

  书名:追捕祝融星:爱因斯坦如何摧毁了一颗行星

  著者:[美]托马斯·利文森

  译者:高爽

  出版:民主与建设出版社

  版次:2019年11月第1版

  【内容简介】

  水星是距离太阳最近的行星,在几个世纪的观测中,人们发现水星轨道存在轻微的扰动。这与牛顿理论所预言的行星行为有些许偏差。为了解释这种现象,根据牛顿万有引力定律,法国天文学家勒威耶进行了计算,于1859年提出假设:水星轨道内尚有一颗未被人们发现的行星。他还以罗马神话中火神的名字(Vulcan)为之命名(对应中文译名即“祝融星”)。此后,人们开始疯狂地寻找这颗行星,但除了一位乡间业余天文学家声称目击了它之外,没人能再次证实它的存在。1915年,爱因斯坦的广义相对论体系构建完成,首先解决的问题就是解释水星轨道的扰动现象。自此证实:祝融星并不存在。

  【作者简介】

  托马斯·利文森(Thomas Levenson),美国麻省理工学院研究生科学写作项目的教授和主任。他还为美国公共广播公司(PBS)、英国广播公司(BBC)和其他媒体大量撰稿,曾获得美国国家研究院传播奖、皮博迪奖(Peabody Award),以及美国科学促进会的西屋科学记者奖。除本书外,还著有《牛顿与伪币制造者:科学巨匠鲜为人知的侦探生涯》《爱因斯坦在柏林》《为测量而测量:科学的音乐史》《冰期:气候、科学和地球上的生命》。

  译者简介

  高爽,德国海德堡大学天文学博士,北京河马星空教育科技有限公司创始人,曾任北京师范大学天文系讲师。他是优秀的天文工作者、科普作家,热衷于科学传播工作,具十年科普写作与讲座经验,译著有《天文之书》《科学需要讲故事》《宇宙》等。在得到app上开设了课程《天文学通识30讲》。人称“河马老师”。

  【精彩书摘】

  “牢不可破的世界秩序”

  1684年8月,剑桥

  埃德蒙·哈雷(Edmond Halley)刚刚经历了一个悲伤而又焦躁的春天。3月,他的父亲失踪了。在斯图亚特王朝统治的最后几年中,政局混乱,这算不上多么稀奇的事。哈雷的父亲在五个星期之后被发现,当时已经死亡,也没有留下任何遗言。在接下来的几个月里,年轻的哈雷不得不处理麻烦的后事:教区牧师欠他父亲12英镑;作为房地产交易费用的一部分,每年要付给一位女士3英镑;还要收租、安抚托管人。这些痛苦的差事几乎耗费了哈雷整个夏天。最后,他还必须跑到剑桥镇,当面处理一些在伦敦理不清的细节。

  这趟旅行起初没有什么快乐可言,但交代清楚那些法律事务之后,意想不到的好运找上了他。早在1月,哈雷遭遇这些变故之前,他巧妙地对天体进行了分析,计算表明,驱使行星围绕太阳运行的作用力满足这样一种性质:力的大小与它们到太阳的距离的平方成反比。但紧接着问题就来了,这个被称为平方反比定律的数学表达,可以解释我们观测到的所有行星的运动轨道吗?

  这看起来只是个技术问题,但欧洲最聪明的头脑意识到,它将带来一场变革。平方反比定律的确成了科学革命的高潮,在那场漫长的斗争中,数学取代拉丁语成为科学的语言。1684年1月14日,哈雷和两位老友在一次皇家学会会议之后聊了起来。这两位分别是博学的罗伯特·胡克(Robert Hooke)和皇家学会前任主席克里斯托弗·雷恩(Christopher Wren)爵士。当他们把话题转到天文学的时候,胡克宣称他已经得出了指导宇宙万物运动的平方反比定律。雷恩不相信他,因此用一本在今天价值300美元的书作为赌注:哈雷和胡克之中,如果谁能在两个月之内给出这一定律的严格证明,谁就能得到这本书。哈雷很快就承认无法做到,而胡克尽管虚张声势,却也没能在雷恩的截止日期之前提供书面的证明。

  事情就卡在了这里,直到哈雷与亲属一起料理完父亲的后事。当时,哈雷就在伦敦东边的剑桥—为什么不顺路去剑桥大学呢?在那里至少可以享受一下午讨论自然哲学的乐趣,缓解之前的悲伤与烦躁。哈雷走入圣三一学院,大门的左侧是学院广场,右侧的楼梯把哈雷领到一个房间。在这里面的,正是卢卡斯数学教授—艾萨克·牛顿。

  对牛顿的大部分同时代人来说,1684年的夏天是一个谜。伦敦的自然哲学家们往往视牛顿为智慧非凡的圣人,但哈雷是牛顿为数不多的熟识的人,更是他寥寥无几的朋友之一。关于牛顿工作的公开记录非常稀有。他的名望基于少数几个杰出的研究结果,这些成果大部分都体现在17世纪70年代初他写给皇家学会秘书的信件中。牛顿暴躁、骄傲,动辄就生气,还记仇。早年间,他与胡克的纠纷让他不愿意再冒险进行烦人的公开辩论;往后的10年间,他的大部分研究成果都没有公开。因此,正如为他立传的传记作家理查德·韦斯特福尔(Richard Westfall)所言,如果牛顿死于1684年的春天,那他为人们所记住的将是他非凡的天赋和古怪的性格,仅此而已。但那些到三一学院巨庭(Great Court)东北角房间访问的人却会发现,这里有一颗热情的、整个欧洲都无人能与之匹敌的头脑。

  很久之后,牛顿同另一位朋友提到那个夏天哈雷到访的故事。如果老年牛顿的记忆还不错的话,他当时和哈雷寒暄了好一阵。但最终,哈雷抛出了从1月开始就困扰自己的问题:平方反比会产生什么结果?“假设行星指向太阳的引力与它到太阳的距离的平方成反比”,那么行星的轨道曲线会是什么形状?

  “椭圆。”牛顿立即回答道。

  哈雷“简直呆住了”,他问牛顿为何如此确定。

  “我计算过。”牛顿回答道。当哈雷要求看一看手稿的时候,牛顿在自己的笔记中翻找起来。但那一天,牛顿表示他没能找到那份笔记。他答应找到之后马上把结果寄给在伦敦的哈雷。几乎可以肯定的是,牛顿当时有所隐瞒。相关的计算后来在他的论文里被发现。当哈雷急切地在房间里等待的时候,牛顿其实可能已经意识到,他原来的设想有错误。

  没关系。牛顿重新进行了计算,并且加紧努力。11月,他将满满9页的数学推导寄给了哈雷,标题是《论物体在轨道上的运动》(De motu corporum in gyrum)。这篇论文证明了人们后来熟知的“牛顿万有引力定律”(平方反比关系)。该定律要求,在特定的情况下,天体围绕另一天体运动的轨迹必须是椭圆,太阳系中行星的轨道就是这样。此外,牛顿还进一步地勾画了一般的运动学雏形:一组定律横空出世,它们描述了宇宙万物的运动行为——何时、何地、如何运动。

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责任编辑:admin

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