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勒維耶 - 把古典力學發揮到極致又為相對論提供證據的天文學家 熱門指數 : 1229
作者: 李昫岱
中文名稱: 勒維耶 - 把古典力學發揮到極致又為相對論提供證據的天文學家   | 第一版 |
關鍵字: 勒維耶,海王星,牛頓力學,相對論

法國天文學家勒維耶
自古以來,人類就知道天空中有水星、金星、火星、木星和土星等5顆行星。1781年,英國天文學家威廉·赫歇爾(William Herschel)在偶然的情況下發現天王星,一下把太陽系行星的範圍從土星延伸到天王星,土星和天王星與太陽的距離分別是9.6和19.2天文單位,這也讓太陽系行星的範圍往外延伸了一倍!不過太陽系中行星的邊界到底在哪裡?天王星的外面還有其他行星嗎?

法國天文學家阿列西·布瓦爾(Alexis Bouvard)根據牛頓力學計算出木星、土星和天王星的位置表,之後的觀察發現木星和土星在天空中的位置和布瓦爾計算的相當符合,但是天王星卻有些偏離。牛頓力學中,只要有質量就會有重力,所以行星與行星之間也會有重力互相吸引,這樣的重力吸引會讓行星在繞太陽運行時,會稍微的偏離原來的軌道。布瓦爾懷疑天王星的偏離是一顆未知行星造成的。後來雖然布瓦爾成為巴黎天文台的台長(1822–1843),不過一直到過世為止,都沒有展開搜尋這顆未知行星的行動。

哈囉,海王星!
如果懷疑天王星外還有另一顆行星的存在,那麼為什麼不直接用望遠鏡在天空中搜尋呢?海王星距離我們相當遠,不注意的話很容易就會把它看成點光源,把海王星誤認為一顆恆星,而且要在廣闊的天空中,找一顆未知的行星就像是大海撈針一樣。

弗朗索瓦·阿拉戈(François Arago)在布瓦爾卸任後,成為下一任(1843–1853)的巴黎天文台台長。阿拉戈意識到這顆未知行星的重要性,所以在1845年指派勒維耶(Urbain Le Verrier, 1811/3/11-1877/9/23)研究天王星軌道偏差的問題。勒維耶沒有讓人失望,1年後就把未知行星的位置算出來,因為當時巴黎天文台並沒有適合的觀測儀器,所以勒維耶就請柏林天文台的約翰·格弗里恩·伽勒(Johann Gottfried Galle)協助尋找。
水星近日點進動的示意圖,未按照實際比例。
伽勒在1846年9月23日的早上收到勒維耶的信,信中提到勒維耶計算未知行星在天空的位置,當天晚上伽勒在一位助理協助下,在勒維耶給的位置大約1度遠的地方,看見一個星圖上沒有的天體,接下的兩天這個天體在天空中移動了位置。當這天體被確認為行星後,根據勒維耶的建議命名為海王星。

根據天王星的軌道偏差,去算出另一顆未知行星的位置是相當困難的,現代的科學家可以用電腦的快速運算能力,慢慢的修正逼近結果。但是勒維耶只用筆跟紙就算出精確的位置,幾百年來勒維耶一直是理論物理學家和天文學家的典範,光靠其他天文學家的觀測資料就能算出海王星的位置,讓世人見證勒維耶高超的運算能力和牛頓力學的成功!

牛頓力學的極限
早在發現海王星之前,巴黎天文台台長阿拉戈在1840年就要勒維耶研究水星軌道,主要的目的是驗證牛頓力學,而勒維耶的計算結果正好可以用1843年的水星凌日來驗證。1843年水星凌日的觀測結果和勒維耶的預測有偏差,勒維耶在加入一些觀測資料重新計算後,1859年發現水星近日點進動。所謂的水星近日點進動是指水星近日點的位置會往前推移,如果從太陽的北極上方觀看,水星地近日點位置會逆時針移動,這個現象無法用牛頓力學解釋。
水星凌日,2016年5月9日,太陽動態天文台(Solar Dynamics Obersvatory)拍攝的水星凌日影像,圖中的小圓點就是水星,這是許多幅影像疊加而成的。影像來源:NASA
勒維耶認為水星靠太陽的內側,應該還有一顆未被發現的行星存在,這顆行星對水星造成擾動,讓水星軌道在近日點出現進動的現象。

勒維耶對這個想法深信不疑,甚至連這顆還沒被發現行星的名字都想好了,稱它為Vulcan(兀兒肯),是羅馬神話中的火神,中文是火神星(或祝融星)。兀兒肯和其他的行星一樣,都是用希臘天上眾神的羅馬名命名,兀兒肯是火神,負責幫眾神打造武器。勒維耶認為這顆行星比水星還要靠近太陽,一定非常的熱,所以就將這顆未知的行星命名為火神星。

火神星要怎麼找呢?
太陽非常的亮,所以要尋找水星內的未知天體相當困難,當時找尋火神星的天文學家大部分是用凌日法,這個方法就是觀察太陽表面是不是有一個未知的天體緩緩移動,就像水星和金星凌日一樣。因為這顆未知的行星位在水星軌道內,所以凌日的機會比較高。如果觀察到這樣的天體,它可能就是勒維耶要找的火神星。

另外也有一些天文學家利用日全食來找火神星,日全食發生時,月球把太陽光遮住,這時靠近太陽的水星和金星就會顯現出來。如果在日全食的時候,觀察到未知的亮點,那可能就是火神星。

火神星有被找到嗎?有一些人把看見的太陽黑子當成火神星,而那些「宣稱」找到火神星的人,他們的觀測結果都未被其他的人證實。
  勒維耶於1877年9月23日過世,這一天正好是海王星被發現31年的日子,勒維耶去世後,尋找火神星的工作就退燒了。找不到火神星,是因為火神星太會躲?還是牛頓力學對水星不適用?

助推相對論
即使是把牛頓力學發揮到極致的勒維耶,還是沒有找到火神星,不僅僅是勒維耶,其他的天文學家也找不到,因為火神星實際上根本就不存在!

到了近代,天文學家嘗試用太空中研究太陽的望遠鏡尋找火神星,這些太空中的太陽望遠鏡1天24小時、1年365天不間斷地盯著太陽看,如果火神星或水星軌道內有其他天體存在,這些太陽望遠鏡應該會看見凌日的現象,不過天文學家並沒有發現這樣的天體,這更證實了火神星是顆不存在的行星。

雖然火神星不存在,勒維耶發現的水星近日點進動卻提供了檢驗相對論的方法。1915年愛因斯坦發表廣義相對論時,他提出3項驗證廣義相對論的方法,1.水星近日點進動;2.日全食時的光線偏折;3.重力紅位移。水星近日點進動已經被勒維耶發現,另外兩項則是在日後獲得證實。根據廣義相對論的解釋,太陽重力會讓附近的時空扭曲,時空扭曲才是真正造成水星近日點進動的原因,而不是不存在的火神星造成的。這樣的時空扭曲只有對最靠近太陽的水星影響最大,其他的行星受到的影響相當小,甚至可以忽略。

對牛頓力學非常熟悉的勒維耶,他發現的水星近日點進動,雖然最終沒找到火神星,不過他的發現卻被愛因斯坦用來驗證相對論!勒維耶站在牛頓的肩膀上,讓愛因斯坦看得更遠、更清楚。

參考資料
英法千年恩仇錄之「海王星」爭霸戰
http://pansci.asia/archives/109436

Urbain Jean Joseph Le Verrier
http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Biographies/Le_Verrier.html

The Hunt for Vulcan, the Planet That Wasn’t There
http://news.nationalgeographic.com/2015/11/151104-newton-einstein-gravity-vulcan-planets-mercury-astronomy-theory-of-relativity-ngbooktalk/

The Return of Neptune
http://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/the-return-of-neptune/
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