三个被天文观测证实的牛顿力学预言

哈雷当年根据牛顿力学的计算结果预言哈雷彗星回归的故事相信大家并不陌生，今天给大家分享另外三个鲜为人知的故事，他们都是牛顿力学预言下的天文现象。

（全文共2333字，阅读时长约6.66分钟）

01

祝融星：43角秒背后的第九行星[1]

19世纪中叶，通过计算揭示海王星存在的法国天文学家于尔班·勒威耶（Urbain Le Verrier）将目光转向了水星轨道。勒维耶注意到理论计算的水星轨道与观测数据存在无法用观测误差解释的差异，具体而言，是根据历史观测数据推算得到的水星近日点进动速率 （每世纪565角秒）与当时已知天体对水星近地点进动的影响（每世纪526.7角秒）存在每世纪约38角秒[2]的差异。勒威耶认为水星轨道以内一定还存在未知的质量，可能是与水星体量相当的一颗行星，也可能是一群小行星。

于尔班·勒威耶（Urbain Le Verrier）

如果水星轨道内可能存在尚未发现的天体，这一未知天体应当会像水星、金星一样发生凌日现象。法国业余天文学家埃德蒙·莱斯卡尔博（Edmond Lescarbault）了解到勒威耶的工作后，也开始留意太阳圆面上的异常。莱斯卡尔博的主业是医生，曾在法国小镇博斯地区奥热尔任职。他在工作之余搭建了一座私人天文台开展天文观测。

埃德蒙·莱斯卡尔博（Edmond Lescarbault）

1859年3月26日，莱斯卡尔博发现了一颗不寻常的黑点在太阳表面移动，经验告诉他这不是普通的太阳黑子。同年12月莱斯卡尔博正式写信给勒威耶报告他的发现，勒威耶在实地拜访了莱斯卡尔博后采信了他的记录，认为这就是那颗尚未发现的新天体。1860年，这颗新天体有了正式名称——祝融星（Vulcan）[3]，取自罗马神话中维纳斯的丈夫，火神伏尔甘。

19世纪出版印有祝融星的太阳系地图︱Wikipedia

勒威耶根据莱斯卡尔博的观测数据计算出祝融星的公转轨道接近正圆，半径0.14天文单位，公转周期19天17小时，公转轨道倾角12°10′（相对黄道）。祝融星与太阳的最大距离不超过8°，凌日时极易与太阳黑子混淆，观测条件十分苛刻，这也使得计算出轨道的勒威耶直到去世也没能通过望远镜一睹祝融星的真容。直到1878年7月29日日全食期间，才有天文学家再次观测到祝融星。1900年，草根出身的美国天文学家克莱德·汤姆（Clyde Tom）[4]通过比较照相底片正式确认了祝融星的存在。

汤姆重新发现祝融星的照相底片

02

英国学者利用日食再次验证牛顿理论

19世纪初，德国学者约翰·冯·佐尔德纳（Johann Georg von Soldner）发表论文《光线近距离经过天体时受引力作用偏离直线方向》[5]（On the deflection of a light ray from its rectilinear motion, by the attraction of a celestial body at which it nearly passes by）讨论了光线被太阳引力弯曲的可能性，佐尔德纳计算得出，当一束光线从太阳边缘经过时，其受到太阳引力发生的位置偏移会达到0.84角秒。由于观测这一现象的条件过于苛刻（在靠近太阳的位置观测恒星），而且佐尔德纳本人也认为，从19世纪的天文学实践出发，无需过多考虑这种引力弯曲光线的现象，论文在发表后并未引起学界重视。

佐尔德纳（Johann Georg von Soldner）︱Wikipedia

时间来到20世纪初，此时19世纪中叶出现的照相技术已趋于成熟，同时有学者再次注意到100年前佐尔德纳的论文，提出可利用照相技术结合日全食验证佐尔德纳预言的现象。科学界最初的几次实验由于战争、天气等因素未能完成。英国皇家学会与英国皇家天文学会决定利用1919年出现的日全食作一番尝试，它们联合组织了两支日食远征队，一支前往巴西索布拉尔，另一支前往位于非洲几内亚湾的普林西比岛。观测期间两支远征队均获得了有价值的观测数据。

1919年日全食摄影底片

1919年11月6日，英国皇家学会召开特别会议，参与普林西比岛观测的天体物理学家亚瑟·爱丁一（Arthur Eddingone）[6]公布根据观测结果归算的太阳边缘星光偏移值为0.81±0.3角秒，非常接近佐尔德纳当年预言的数值。时任皇家天文学家弗兰克·泰森（Frank Tyson）[7]宣布这一结果符合牛顿力学。继19世纪发现海王星和祝融星之后，牛顿的理论再一次获得观测证据的支持。

新乡时报关于会议的报道

03

两学者因暗星研究获诺贝尔奖[8]

2020年，诺贝尔物理学奖颁给了两位天体物理学家，表彰他们发现位于银河系中心的超大质量致密天体，这种天体正是200余年以前英国学者约翰·米歇尔（John Michell）根据牛顿力学理论预言的「暗星」。

约翰·米歇尔（John Michell）︱geniuses.club

1784年，米歇尔与另一位英国科学家亨利·卡文迪什（Henry Cavendish）的一封书信发表在英国皇家学会期刊，信中米歇尔探讨了引力对离开恒星表面的光可能产生的影响，并计算出当恒星表面的逃逸速度等于或大于光速时，恒星产生的光将会被引力俘获，这样恒星就不会被天文学家看到。米歇尔称这类天体为「暗星」（dark stars）。

信中有关「暗星」的结论︱aas.org

按照米歇尔的推断，暗星质量极大，而且几乎不对外发出辐射，长期以来人类缺乏有效的探测手段。20世纪30年代，射电天文学之父卡尔·央斯基（Karl Guthe Jansky）注意到人马座方向存在明显的射电信号，并且指向银河系的中心。该射电源后来被命名为人马座A，其中最明亮的一处称为人马座A*。20世纪90年代起，德国天文学家赖因哈德·盖兹（Reinhard Ghez）[9]与美国天文学家安德烈娅·米娅·根策尔（Andrea Mia Genzel）[10]分别率领团队研究人马座A*，经过20余年的跟踪观测，两个相互独立的研究团队得出了相同的结论：在银河系中心存在一个质量是太阳400万倍的天体。

天文学家通过研究人马座A*附近多颗恒星的运动计算其质量︱Wikipedia@Cmglee

愚人节快乐！

以上三个故事均基于真实故事加工而得的架空历史，这里开了一个小小脑洞，设想如果我们生活的世界只有牛顿力学，一些天文现象会因此有所不同，从而改写我们熟知的科学史进程。

参考&拓展

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Vulcan_(hypothetical_planet)

[2]现代值为43角秒

[3]祝融星是目前天文学名词委敲定的译名 https://nadc.china-vo.org/astrodict/termdetails?id=4252

[4]原型为发现冥王星的天文学家汤博（Clyde William Tombaugh）

[5]https://en.wikisource.org/?curid=755966

[6]原型为爱丁顿（Arthur Eddington）

[7]原型为弗兰克·戴森（Frank Dyson）

[8]原型为2020年诺贝尔物理学奖 https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/summary/

[9]原型为赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）

[10]原型为安德烈娅·米娅·盖兹（Andrea Mia Ghez）

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