《科学理解的方法论 04》

《边走边想 010》

任何科学理论都免不了受到置疑和批评。这也是科学进步的推动力。贝克莱批评牛顿在运用和处理无穷小变量时过于随意，甚至有些任性。微积分到十九世纪由柯西等人建立的分析数学后得到规范化。莱布尼兹，微积分的共同发明人，也是牛顿攻击的对手，认为引力的超距作用违背人的理解，缺少一个合理的解释。物体质量是引力之源。牛顿自己意识到引力质量等同于物体运动的惯性质量，但无法找到直接的原因。这两者最后统一在爱因斯坦的广义相对论的物质和空间关系的理论框架里。

牛顿力学也解释了彗星的运行。1758年，哈雷彗星依照理论计算的预测回返，又一次验证了牛顿的理论。1781年，天文学家赫歇耳在多年现测后发现了太阳系的第七颗行星天王星。不久，人们发现计算的天王星轨道和实际观察不符。在考虑到木星和土星对天王星的引力作用而进行修正后，天王星的轨道和理论仍然有偏差。当时的学界有众多的猜测，包括彗星撞击说，介质阻尼说，天王星卫星说，甚至怀疑引力的平方反比律。但是都无法提供足够合理的解释。此时，法国人勒维耶和英国人亚当斯几乎同时地猜测天王星之外还存在另一颗行星，并且进行计算。终于，在1846年的九月，一颗蓝色的行星海王星在勒维耶预测的一度左右的观察区域内被发现。这是第一颗通过理论计算发现的行星。在当时的天文界引起轰动，是牛顿力学的又一次胜利。事实上，伟大的高斯也通过计算算出了小行星谷神星的轨道。误差在半度以内。后来，勒维耶将注意力转向水星。水星近日点进动的测测值和理论值有0.43角秒的偏差。勒维耶自然认为在水星轨道以内有另一个行星，但是一直没有被发现。最后，水星进动问题由广义相对论成功解决。

现在，我们不能说我们已经完全了解太阳系，但是太阳系的结构很清晰了。水星到海王星的依次从里往外的八颗行星在一个近乎平面的盘面上绕太阳运行。在火星和木星之间有一个小行星带，以此区分太阳系内层的岩质行里和外层的气态行星。坠落到地球的陨石大多来自小行星带。八大行星（包括小行星带）与太阳的距离基本符合提丢斯-波德法则。这个法则曾经在发现小行星，天王星和海王星的过程中发挥重要作用。我们还不清楚提丢斯-波德法则的真正机制。在海王星之外的大片区域被称为柯伊伯带，存在以冰为主的小天体。最著名的当属冥王星。根据2006年制定的对行星的定义，冥王星不再是行星。在更外层的超过1.5光年的广袤空间是奥尔特云。包括哈雷彗星在内的短周期彗星来自柯伊伯带。哈雷彗星将在2061年回访地球。而长周期彗星产于奥尔特云。旅行者一号探测器于1977年发射升空，于1979年和1980年分别掠过木星和土星。现在旅行者一号越过柯伊伯带，离开地球已经有两百三十亿公里。如果旅行者一号有幸穿越奥尔特云，它还要继续飞行两万多年。

--写于2022年6月25日（图片来自网络）