那顆星星不在星圖上：尋找太陽系的疆界

在浩瀚的夜空中，多數星星的位置看上去是固定的，會移動的星星是十分少見的。這樣的星星被稱為行星。遠古人類所發現的行星共有五顆。這個數目在長達幾千年的時間裡從未改變過，甚至一度被認為是永恆不變的真理。
在東方的中國及深受中華文化影響的其他東方國家如日本、韓國及越南，人們將五顆行星與陰陽五行聯繫在一起，並以此將它們分別命名為水星、金星、火星、木星和土星。
除了因日心說導致的地球地位變更外，行星數目的長期不變卻是不爭的事實。一百年、兩百年……一千年、兩千年……，這個數目是如此的根深蒂固，天文學家們大都將之視為不言而喻的事實了。
他們也許做夢也沒想到，這個數目有一天竟然也會改變。這一天是一七八一年三月十三日，改變這個數目的是生活在一座英國小鎮的一位業餘天文學家，他的名字叫做赫雪爾。他發現了太陽系的第七顆行星，從而成為幾千年來發現新行星的第一人。
赫雪爾的發現出乎了包括他自己在內的所有人的意料，這一發現不僅為他本人贏得了永久的榮譽，也將觀測天文學帶入了一個嶄新的時代，一個由赫雪爾「無心插柳」而開啟的天文學家們「有心栽花」的時代，人類從此開始了尋找太陽系疆界的漫漫征途。

盧昌海（1971年－），物理學博士，科普作家。

一九九四年前往美國哥倫比亞大學物理系攻讀博士，二〇〇〇年獲博士學位，轉行進入IT行業。二〇〇二年九月，寫了第一篇科普文章《Wormhole：遙遠的天梯》。二〇〇三年十月第一次在平面媒體《科學畫報》發表科普文章《生命傳輸機》。二〇〇七年開始創作《尋找太陽系的疆界》，連載於《中學生天地》。之後又創作了姊妹篇《太陽的故事》。

著作：
《那顆星星不在星圖上：尋找太陽系的疆界》、《從奇點到蟲洞：廣義相對論專題選講》、《黎曼猜想漫談：一場攀登數學高峰的天才盛宴》、《上下百億年：太陽的故事》、《因為星星在那裡：科學殿堂的磚與瓦》、《霍金的派對：從科學天地到數碼時代》、《泡利的錯誤：科學殿堂的花和草》、《我的「微言小義」》、《經典行星的故事》、《小樓與大師：科學殿堂的人和事》、《時空的樂章——引力波百年漫談》。

序

我與本書的作者是熟悉的。當年，我為復旦物理系高年級少數優秀學生開了一個討論班，學習量子理論初期發展的歷史，希望能夠更好地理解其中的一些困難問題。就是在這個討論班上，當時還是大學一年級新生的盧昌海，主動請求作個報告，要介紹海森堡的矩陣力學。可以想像，我當然是帶著極其懷疑的眼光答應了他的請求，主要還是不想傷害一個年輕人的熱情和自尊。但結果著實讓我和他的學長們大吃一驚，他真的已經完全掌握這部分內容了！一年之後，他又提出要免修物理系最重頭的全部「四大力學」課程，即理論力學、熱力學與統計物理、量子力學和電動力學。
為此，系裡專門為他組成陣容超豪華的名教授團隊，一門門筆試加口試地進行。全部結束之後，每一位參加測試的教授都真的被這個年輕人的才華折服了。據我所知，一位低年級學生能免修全部的「四大力學」課程，在復旦物理系的歷史上還從未有過，而且成績還是無可爭辯的全優。或許這一「光輝紀錄」還會保持相當長的時間吧。
就是這樣一位當年的才子，今天已成為一位優秀的科普作家。除了這本書，清華大學出版社還出版了他的另外兩部科普著作《太陽的故事》和《黎曼猜想漫談》，都很精彩。其中，後一本書還得到了大數學家王元的褒獎和推薦。另外，昌海目前還在努力地寫作，相信會有更多的佳作問世。
回想當年，一套《十萬個為什麼》幾乎成為我們這代人青少年時期科普作品的代名詞。所幸的是，這種時代一去不復返了。今天的情景已完全不同了，書店裡的科普作品可謂琳瑯滿目。多是多矣，然而拿起來翻閱幾頁後，還能不讓人失望的卻不多見。歸納起來可以說，一些作者對什麼是真正好的科普作品還缺乏認識。第一，科普作品絕非「淺」知識的堆積，更不是一堆知識，知識一堆。第二，科普作品需要將深奧的道理和知識用淺顯的語言講出來，道明白，但它不應該被庸俗化，更不允許被誤導。第三，如果科普作品的文字（包括翻譯的文字），讀起來比作品內容本身還難懂的話，怎能不讓人沮喪而無語呢？
事實上，若非才、學、識皆備，很難寫出好的科普作品。昌海的這本書就是這樣一本難得的佳作，這是一次從地球出發的太空「深度遊」。作者的「才」就在於他能將那些重要「景點」的來龍去脈交代得清清楚楚，如數家珍，讓人有身臨其境之感。在不知不覺、輕鬆愉快的氣氛中，對太陽系的結構形成了一幅生動的物理圖像。有別於一般專業作品，一部好的科普作品，要求作者有好的文字。昌海的文字表達不僅簡潔、乾淨，而且還能在一些節骨眼上展現幽默和詼諧，讀起來賞心悅目。作者的「學」體現在對那些常被人訛傳或誤解、誇張的歷史事件進行分析和澄清，證據確鑿，令人信服。在逐字逐句地通讀完這本書之後，最令我佩服的是作者的「識」，也就是他對物理或說對科學的品味。對於時間跨度如此之長，空間上如此遙遠而又神祕莫測的有關太陽系邊界的探索之路，在這樣一本小書中得到如此驚心動魄而又深入淺出的刻畫，如果沒有好的品味，完全沒有可能做到。
俗話說，好東西應該與好朋友分享。昌海的這本書，在我身邊的朋友中已有相當大的「知名度」了，但那只不過是幾個人而已。正是考慮到這一因素，當清華大學出版社邀請我為新版的書作序時，我欣然答應，而且可以很肯定地說，每個拿起這本書翻閱的人一定不會失望。

金曉峰

ii 序
iv 自序
vii 引言
Chapter 01 遠古蒼穹
Chapter 02 樂師星匠
Chapter 03 巡天偶得
Chapter 04 命運弄人
Chapter 05 虛席以待
Chapter 06 失而復得
Chapter 07 名分之爭
Chapter 08 軌道拉鋸
Chapter 09 眾說紛紜
Chapter 10 數學難題
Chapter 11 星探出擊
Chapter 12 三訪艾里
Chapter 13 殊途同歸
Chapter 14 劍橋夢碎
Chapter 15 欲迎還拒
Chapter 16 生日之夜
Chapter 17 名動天下
Chapter 18 軒然大波
Chapter 19 握手言和
Chapter 20 祕密檔案
Chapter 21 先入之見
Chapter 22 火神疑蹤
Chapter 23 無中生有
Chapter 24 歧途苦旅
Chapter 25 農家少年
Chapter 26 寒夜暗影
Chapter 27 大小之謎
Chapter 28 深空隱祕
Chapter 29 巔峰之戰
Chapter 30 玄冰世界
Chapter 31 冥王退位
Chapter 32 疆界何方
附錄 冥王星沈浮記
術語表
參考文獻

火神疑蹤

海王星的發現極大地刺激了天文學家和數學家的興趣。原本屬於觀測天文學家專利的新行星，居然可以用紙和筆來發現，這實在太吸引人了。
一時間用數學方法尋找新行星成為了時尚。天文學家們兵分兩路展開了行動，一路沿襲了向外擴張的歷史傳統，到海王星軌道之外去尋找驚喜；另一路則獨闢蹊徑，將目光投向了水星軌道的內側。這後一路天文學家的領軍人物不是別人，正是赫赫有名的勒維耶。在發現海王星的榮譽出人意料地被亞當斯分走一半後，勒維耶決定尋找一個新的獵物——一個自己可以獨享的獵物。當時多數天文學家認為在海王星之外發現新行星的機會更大，但勒維耶卻認為在距海王星的發現如此之近，從而對海王星軌道的瞭解還不充分的情況下，用數學手段尋找新行星尚為時過早。因此，雖然他也相信海王星之外存在新的行星，但卻首先選擇將水星軌道以內作為自己
的新戰場。
勒維耶之所以選擇水星軌道以內作為新戰場，還有一個很重要的原因，那就是水星的軌道也存在著反常。經過長期精密的觀測，天文學家們早就發現水星的橢圓軌道在背景星空中存在緩慢的整體轉動，這種轉動被稱為水星的近日點進動。觀測表明，水星的這種近日點進動平均每年約為五十六角秒。但另一方面，考慮了由地球自轉軸進動造成的表觀效應及已知行星的影響後，理論計算給出的進動值卻只有每年五十五．五七角秒，兩者相差〇．四三角秒。天文學家們知道水星軌道的這一細微反常已有時日，勒維耶本人早在當年對各大行星做地毯式研究時，就曾對水星軌道進行過詳盡考察。海王星的發現無疑賦予了這一反常一個全新的意義。在勒維耶看來，這個雖然微小，但確鑿無疑的軌道反常，是水星軌道之內存在未知天體的明顯證據。
那麼這未知天體會是個什麼樣的天體呢？勒維耶認為有兩種可能性：
一種是單一行星，另一種則是小行星帶。也許是由於水星近日點的反常進動與當年的天王星出軌相比顯得更為規則，或者是受當時正在發現中的小行星帶的啟示，勒維耶比較傾向於後一種可能性，即在水星軌道之內存在一個小行星帶。一八五九年九月，他在一篇文章中正式預言在距太陽〇．三天文單位處存在一個未被發現的小行星帶。
正所謂：說曹操，曹操到。勒維耶的預言提出後不久，一位名叫萊沙鮑特（Edmond Lescarbault）的法國醫生兼業餘天文學家就給寫了一封信給他，聲稱自己曾於一八五九年三月二十六日發現過一個穿過太陽表面的天體。這封來信讓勒維耶很是興奮，他立即對這位業餘天文學家進行了「家訪」。在確信此人值得信賴後，勒維耶依據他所得到的數據對這一天體的參數進行了計算，結果表明其軌道半徑為〇．一四七天文單位，質量約為水星質量的百分之六。這個天體很快就被取名為火神星（Vulcan，羅馬神話中的火神及希臘神話中的工匠之神，美神維納斯的丈夫）。一八六〇年初，勒維耶向法國科學院報告了發現火神星的消息。儘管自首次「發現」以來，包括萊沙鮑特本人在內的所有人都不曾再有機會一睹火神星的芳容，但法國科學院基於對勒維耶的無比信任，還是很痛快地將拿破崙設立的法國最高勛章——軍團勛章（Légion d' honneur）授予了萊沙鮑特，從而上演了該院歷史上最大的烏龍頒獎事件之一。
雖然火神星的軌道半徑遠小於勒維耶預言的〇．三天文單位，其引力作用也遠不足以解釋水星近日點的反常進動，但勒維耶一生都對它的存在深信不疑。受他的巨大聲望影響，一些天文學家在此後近二十年的時間裡鍥而不捨地找尋著火神星的倩影，其中包括在浩如煙海的文獻中搜尋可能存在的歷史記錄。一八七六年，在亞當斯擔任主席期間，英國皇家天文學會也步法國科學院的後塵，很烏龍地在火神星的存在尚未得到確認的情況下，就將一枚金獎授予了勒維耶，以表彰他為解決水星近日點反常進動問題所做的貢獻。
但這一切的熱情都沒能感動火神星，這顆神祕的「行星」再也不曾露面過，所有曾被當作火神星的歷史記錄（主要集中在一八一九年～一八三七年間）也都被一一判定為是太陽黑子而非天體。一八七七年九月二十三日，火神星的最大支持者勒維耶離開了人世，這一天距海王星的發
現正好相隔三十一年，但火神星的命運仍懸而未決。火神星之所以能在那麼長的時間內杳無蹤跡，卻仍讓那麼多的天文學家牽腸掛肚，除了依靠勒維耶的「魅力值」外，一個很重要的原因是它離太陽太近，太容易湮沒在太陽的光芒之中，從而即便長時間觀測不到，也無法說明它不存在。
但醜媳婦終究是要見公婆的。一八七八年七月二十九日，天文學家們迎來了一個搜尋火神星的絕佳機會：日全蝕。當太陽的光芒不再奪目時，火神星還如何遁跡？那一天，大批天文學家在可以觀測日全蝕的美國懷俄明州的一個小鎮上架起瞭望遠鏡，等待火神星之謎的水落石出。
但出人意料的是，那天的觀測沒能對火神星的命運作出宣判，卻充分證實了心理學的巨大威力。那一天，不相信火神星的天文學家們全都沒有觀測到火神星，從而更堅信了火神星的子虛烏有。但相信火神星的職業天文學家沃森（James Watson）及業餘天文學家斯威福特（Lewis Swift）
卻都聲稱觀測到了火神星，斯威福特甚至聲稱自己觀測到了兩個水內天體。雖然這兩人宣稱的天體位置彼此之間以及與勒維耶的預言之間全都不同（從而無法相互印證），而且很快就有天文學家通過他們記錄的天體位置指出他們很可能將已知天體誤當成了火神星，但這兩位老兄愛火神星沒商量，一口咬定自己觀測到的就是火神星。
在那之後又過了十幾年，人們在勒維耶有關火神星軌道的計算中發現了錯誤。不僅如此，進一步的分析表明，火神星的存在與其他內行星——尤其是金星——的運動並不相容。自那以後，火神星的追隨者基本上銷聲匿跡了。
最終為火神星的疑蹤畫下完美句號的是物理學家愛因斯坦（Albert Einstein）。一九一五年，他在剛剛完成的廣義相對論的基礎上，完美地解釋了水星近日點的反常進動，從而徹底剷除了火神星賴以存在的理論土壤。