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征文大赛|天文世家赫歇尔家族

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经过层层筛选,石头科普工作室秋季征文大赛终于进入了大众评审环节!

在这个环节中,我们将每天发布一篇最终入选的合规稿件,交由各位观众来进行线上赏评打分!投票打分环节将出现在文章末尾,请选择最符合你心中评判的选项吧~

大众评审分数将占最终分数的50%!请各位积极投出自己宝贵的一票哦~

另:为保证本次大赛的公平,所有入选稿件将不做任何修改,并使用统一模板进行美编。

今天的稿件是由庆庆子同学为大家带来的《天文世家赫歇尔家族》,请各位看完后不要忘记投票哦~

在1835年,全世界的目光突然都投向了头顶的月亮。原因在于纽约《太阳报》声称此时正在南非进行天文观测的约翰·赫歇尔先生发现了月球上存在的生命——“像蝙蝠一样的月亮人”[1]。


图 1 像蝙蝠一样的月亮人

放在今天,这样一看就是扯淡的内容在当时却撩拨起了读者的好奇心,连一些著名的天文学家也上当了。这一闹剧向人们展示了现代大众媒体以娱乐大众为目的生存之道,但赫歇尔的名头无疑起到了很大的作用。他为什么会有如此大的知名度,这就是我们今天要讲述的故事。历史上有好几个叫赫歇尔的天文学家,如威廉·赫歇尔、约翰·赫歇尔等,他们其实都是一家人,就像比他们早一点的伯努利家族,是一个学术世家。我们的故事要从威廉·赫歇尔讲起。

1738年,威廉·赫歇尔出生在汉诺威,他的父亲是一名乐师,而赫歇尔自己也有着音乐天赋,这让父亲大为高兴。在16岁那年,他也向父亲一样加入了禁卫军乐团;作为七年战争的逃难者,赫歇尔来到了到了英国,在那里因为自己的音乐天赋逐渐名声鹊起,此时的他可能还没想到自己的后半生要和一堆镜片打交道,源头可能就是演出之余读的一些自然哲学(科学)内容,1772年,衣锦还乡的赫歇尔将自己的妹妹卡罗琳带到了英国帮他操持生活。因为要钻研乐理,赫歇尔意外找到了《注音》的作者罗伯特·史密斯的光学著作,其中对于望远镜的制作有着充足介绍,作者对望远镜的期待让赫歇尔觉得未来可期,有如选择专业时的我们听到了“二十一世纪是生物学的世纪”。就这样,赫歇尔正式走上了观测天文的道路。


图 2 威廉·赫歇尔

1774年,赫歇尔成功安装了一架40倍的牛顿式反射望远镜,最开始是因为资金缺乏才决定自己制作望远镜的,但一不小心就在这一领域成为了王者,导致当时的皇家天文台长自愧不如:你这样让我们的工作很难做啊[2]。通过自己的制作,赫歇尔也知道了如何更好的磨镜子和调整光线,发明了后世以他名字命名的“赫歇尔望远镜”。在此之后,赫歇尔每天的生活就是每天白天和妹妹一起磨镜子,晚上和妹妹一起“巡天”,这种苦行僧(德国骨科)式的生活坚持了将近20年。

1781年3月13日晚,赫歇尔像往常一样聚精会神的巡天,当观察到金牛座天空时,他发现了一颗星图上从未有过的亮星,这种发现时有发生,没什么大惊小怪的。但是他当他换了目镜之后,发现这并非如往常是一颗新的恒星,毕竟恒星不论放大多少倍都是一个亮点,这个却有了一点其他颜色。或许是一颗彗星?赫歇尔向皇家学会如此报告。但是这颗“彗星”没有慧尾,而且轨道接近圆形而非一般彗星偏心率很大的椭圆。再三观测与计算之后,他确认这是一颗新行星——后来的被命名为天王星,赫歇尔是第一个发现新行星的人[4]!


图 3 天王星

天王星的发现打破了两千多年来人们对太阳系边界的认知,以前人们只知道最远只知道土星,望远镜发明了百余年,也没有什么新的发现,赫歇尔的发现不仅扩大了太阳系的范围,也扩大了人们的思维。正是基于赫歇尔的发现,后来有两位年轻人才能算出海王星的存在,19世纪成为科学的世纪,此居一功。

天王星的发现只是个开始,在之后,他确认了双星与变星的存在,编制了双星表,内含800多对;对星云的观察,发表了自己天体演化理论;发现了太阳的“自行”,这一结论要到1837年才被完全证实;最重要的,在其庞大恒星观测的数据上,研究了银河系的结构,确定了银河系的形状和大小,也就是今天我们看到的那个圆盘状的银河系,人类也第一次知道了地球与银河的关系。帕斯卡曾说:人是一根会思考的芦苇。小小的脑袋里面是大大的宇宙,在赫歇尔之前,这个脑袋里面只有太阳系,在赫歇尔之后,这个脑袋里面已经装下了整个银河系。


图 4 银河系

我们还需要体会赫歇尔的条件,只有这样才能真正感知赫歇尔的伟大:自己组装望远镜,在满天繁星之下夜以继日的观察。在这样日复一日的生活里,我们不能忘却卡罗琳的存在,这是第一位女天文学家,没有卡罗琳的协助计算与观测,就没有赫歇尔那么伟大的成就。而在协助之外,卡罗琳还有着自己的观测与发现,包括3个星云与8个彗星,以及大量的整理工作,在赫歇尔死后,她整理了自1800年的2500个星云列表提交给皇家天文学会[5]。


图 5 卡罗琳·赫歇尔

赫歇尔于1822年病逝于英国斯劳,享年84岁,正好是天王星的周期(84.323326 年),或许这就是属于科学家的顶级浪漫吧。星光璀璨,隽永人心。人类对于宇宙的探索从未停止,威廉·赫歇尔的儿子约翰·赫歇尔继承了父亲的志愿,继续耕耘在科学的园地里。约翰童年就以父亲造出来的那个世界上最大的40英尺焦距的望远镜为伴,这甚至成为了他的玩具,当父亲和姑姑从事天文工作的时候,他便在一旁观看,积累了丰富的天文学观测经验。


图 6 约翰·赫歇尔

约翰的工作要从研究父亲的星云记录开始,在这一过程中,他又发吸纳了500多个从来没有观察到的星云,一直到了1833年,他向皇家学会提交了2300多个星云的位置表,但长期的观测也让他变得厌烦:“真想把望远镜打碎,把反光镜熔掉”[1]。然而,此时的他在遭受着一些诽谤与闲话的困扰,为了逃离这是非之地,他萌生了去往南非开普殖民地的念头。此时也就到了《太阳报》娱乐大众的时候了。

约翰在开普度过了四年的快乐时光,共观测以及计算了七万颗恒星,汇编了1707个南半球的星表,编纂了2102组双星表,这些结果汇编为《好望角天文观测结果》这样的成就要到20世纪中期才会被后人超越,而接下来一百多年中,南半球的船长们都受益于赫歇尔的星图。在父亲的基础上,赫歇尔得出了银河系是环状的结论,并认为银河系中央是空白区域,没有可见的恒星①。这样的贡献使得约翰成为和父亲齐名的伟大科学家,而他的贡献还不仅于此。一直以来对化学以及植物的兴趣使其在摄影技术上的改进得心应手,今天的许多词汇如photograph(摄影)[5]等词汇便是他发明的。约翰开始用摄影技术观察太阳黑子,记录日珥,天空的样子从此可以被长期地精确记录。照相术的发明与改进改变科学活动的方式,人们将双手、双眼逐渐从采集和观测中解放出来,可以有更多的精力投身于其他的科研活动中。

除去这些个人的活动,约翰还与好友们一起合作,将19世纪变成科学的世纪。17岁那年,他进入了剑桥大学的圣约翰学院学习,在那里结识了几个志同道合的好朋友:威廉·休厄尔、查尔斯·巴贝奇以及理查德·琼斯。他们四人后来发明了“科学家”一词,将科学人士转变为职业科学家,当然转变了科学行为本身;对科学的绝对计算的坚信促使了一系列精确科学仪器的出现,成为今天科学追求精确的根源;在科学与宗教问题上进行调和,在这两个领域之间划了一条界限;在他们之后,科学不仅仅研究自然界,还开始改变人们的生活[1]。这些行为彻底改变了科学的模样,也改变了我们的世界。而这一切,都来源于约翰在剑桥大学的时光。赫歇尔家族的传奇还没有结束,约翰的儿子史都华·赫歇尔也是一位著名的天文学家,但史都华却也不能再现祖父和父亲的伟业,因为科学已经成为了一门显学,科学家成为一个荣耀的职业,现代世界已经到来。在约翰·赫歇尔去世的那一年,诞生了几十位诺贝尔奖得主的剑桥大学卡文迪许实验室开始建立,科学的世纪已经到来,一种全新的不同于歇尔家族的科学行为方式已经建立。

① 2020年度诺贝尔物理学奖授予了黑洞研究以及发现银河系中心超大质量致密天体3位科学家

主要参考文献:

[1] (美)Laura J. Snyder(劳拉·J.斯奈德),熊亭玉译. 哲学早餐俱乐部 四个杰出科学家如何改变世界[M]. 北京:电子工业出版社, 2017.08.

[2] 吴国盛著. 吴国盛科学人文系列 科学的历程[M]. 长沙:湖南科学技术出版社, 2013.09.

[3] 江晓原主编. 科学验证 那些天空及世间的证明[M]. 上海:上海教育出版社, 2019.07.

[4] 迈克尔·D·勒莫尼克著;王乔琦译. 发现天王星 开创现代天文学的赫歇尔兄妹[M]. 上海:上海科技教育出版社, 2018.05.

[5] 相关人物的百度百科

图片来源:

图1:江晓原.1835年的月亮:一场可喜的骗局.科学的历程.2020.10(https://mp.weixin.qq.com/s/ScoSDi_vM-_M3JbNAaRBYA)


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