《追捕祝融星:爱因斯坦如何摧毁了一颗行星》,[美]托马斯·利文森著,高爽译,民主与建设出版社2019年11月出版
1915年11月18日,爱因斯坦在普鲁士科学院进行了一次演讲,演讲主题非常明确,那就是证明一颗名叫祝融星的行星其实并不存在。
■本报记者 张文静
2019年夏天,已经辞去北京师范大学天文系教职、全力做科学传播的高爽正带着家人在德国旅行。一天,在柏林街上漫步时,他们身边突然出现一座巨大的建筑,高爽赶紧低头看地图,果然,这里是曾经的普鲁士科学院。
这个名字高爽再熟悉不过了——他翻译的美国麻省理工学院教授托马斯·利文森的《追捕祝融星:爱因斯坦如何摧毁了一颗行星》(以下简称《追捕祝融星》)一书的故事,正是从这里开始讲起的。
如果穿越回1915年11月18日,他或许能碰上那位同样在这条大街上赶路的年轻人。这位年轻人当天以及随后一周在普鲁士科学院进行的两次演讲,彻底颠覆了人们的宇宙观。他的名字叫做阿尔伯特·爱因斯坦,他的思想现在被我们称为广义相对论。他在18日那天的演讲主题非常明确,那就是证明一颗名叫祝融星的行星其实并不存在。
牛顿、爱因斯坦与祝融星
在爱因斯坦用广义相对论“摧毁”祝融星之前,全世界的天文学家已经为寻找它花费了近60年的时间。而这一切还要从另一位不世出的天才——牛顿说起。
牛顿提出引力的概念来解释行星的运行规律。依据牛顿的理论,行星一边自转,一边受到太阳引力的“拉扯”,因此在椭圆形轨道上围绕太阳运动。牛顿还计算了一颗彗星的轨道,并准确预测了这颗彗星未来一段时间在天空出现的位置。
后来,英国天文学家勒维耶发现,天王星的运动有些异常。在牛顿引力理论的框架下,他推导出可能有另一颗没被发现的行星在干扰天王星,并计算出了这颗行星的位置。德国天文学家伽勒朝着这个位置观测,果然发现了一颗新的行星,这就是海王星。海王星的发现,让天文学家对牛顿的理论更是深信不疑。
紧接着,天文学家的目光聚焦到了水星身上。水星是距离太阳最近的行星,在几个世纪的观测中,人们发现水星轨道始终存在轻微的扰动,这与牛顿理论的预言有些偏差。为了解释这种现象,勒维耶依据以往经验再次搬出了牛顿的万有引力定律,进行了计算,他在1859年提出假设:水星轨道内尚有一颗未被人们发现的行星。他以罗马神话中火神的名字伏尔甘(Vulcan)为之命名,对应的中文译名就是“祝融星”。
可是,寻找海王星的成功没能在祝融星上复制。全世界的天文学家寻找了半个多世纪,依然徒劳无功。其间时常有找到祝融星的消息传来,但很快又没了下文。
只有找到祝融星,水星的异常才能用牛顿的理论来解释。可是祝融星迟迟找不到,难道是牛顿错了?那之前成功的经验又是为何?这50多年里,天文学陷入了低谷,直到爱因斯坦提出广义相对论。
爱因斯坦认为,引力并不是两个物体之间瞬间产生作用的一个力量,它本质上是时空的性质。太阳引力让周围的空间弯曲了,水星离太阳很近,它的运行轨迹出现“异常”恰恰是正常的现象,并不是因为所谓祝融星的干扰。此后,天文学家的观测证实了爱因斯坦的理论。
“作者用写侦探小说的手法,以一颗祝融星串联起200年的天文史。如果画一张思维导图,画面中央就是想象中的祝融星,它四周围绕着假设、发现、验证和消灭几个部分,每个部分分别展开,就构成了天文学发展的进程。”高爽说。
天文学家为何会集体犯错
这就是关于祝融星的全部故事。但利文森的野心还不止于此。他想追问,到底是什么,让全世界的天文学家集体犯了这样的错误,而且这个错误持续了半个多世纪。
海王星的发现者勒维耶,后来成为巴黎天文台台长,他坚信祝融星的存在;瑞士伯尔尼天文台台长、瑞士两所大学的天文系教授、太阳黑子研究权威沃尔夫,认为自己曾经记录过的几个太阳黑子其实就是祝融星;美国天文学报创始人、阿根廷国家天文台创始人、把照相技术应用到天文学上的先驱古尔德,坚信自己的照相机拍摄到了祝融星的影像……
50多年来,多个科考队为了找到祝融星到世界各地观测日全食,媒体和学术刊物也一直在跟踪。
“牛顿的理论是被反复检验过的真理,似乎成了一切问题的终极方案。水星的异常也已经深入人心,前面又有海王星的经验可供参考。最重要的是,所有天文学家都迫切希望获得发现祝融星的先机。一连串的因素加在一起,天文学家看到太阳黑子,看到望远镜里的一块灰尘,甚至看到乌云造成的斑点,都觉得像祝融星。”高爽说。
在高爽看来,由于没办法做实验,天文学的发展很大程度上是建立在模型理论的互相嵌套之上,这就使得天文学家容易形成一种思维定式和路径依赖。“所以,天文学家并不是我们过去想象中那样极富创新精神的革命者。相反,天文学家很容易趋于保守。”
天文学家的保守当然不是坏事。高爽解释说,这种保守最大程度地保证了整个天文学理论体系的可靠。反过来说,一旦出现全新的现象、过去一切经验都无能为力的时候,天文学也许就会出现意料之外的颠覆式创新。
“祝融星的故事绝不只是一起荒唐可笑的事件,它有着更深刻的内涵。”利文森写道,“它触及了科学发展的真正核心。”
在利文森看来,理解物质世界是一项艰巨的事业,它带来一个关键问题:如果某些观测现象不能用人类现有的知识体系加以解释,我们该何去何从?标准答案是:我们需要修正科学理论以解释那些新的事实。“所有的科学结论,即便是那些最受人们欢迎的,最终都将接受事实的检验。在人们对科学方法的常见描述中,任何有悖于实证结果的理论都是站不住脚的,人们需要建立新的理论来解释这些实证结果。”
利文森借由祝融星的故事告诉大家,“我们认识真实的自然界有多么不容易,改变固有的观念是多么困难”,而建立新的理论,比如“牛顿引力理论及其继承者——广义相对论,是多么伟大的成就”。
天文学更需要讲故事
“好读!”这是高爽对《追捕祝融星》最主要的评价,也是他愿意翻译这本书的一个重要原因。他形容读这本书就像看美剧《权力的游戏》最后一季的第一集——读者跟着剧中一个人物的目光逐渐推拉摇移,从特写到中景,再到全景,最终看到整个科学世界。他把利文森这位讲授科学写作的教授称作“科学领域的马伯庸”,说他是讲故事的高手。
高爽自己也是一个喜欢讲故事的人。会讲故事,曾让他成为一位很受学生欢迎的大学老师。他的学生在知乎上提问:上高爽的天文学史课是一种什么样的体验?得到的是诸如“亲和力强”“史观很正”“见解独到”这样的评价。在北师大天文系工作期间,高爽一边教学,一边做科研,还在业余时间做科普,他发表天文学科普文章百篇,做科普演讲几百次,制作拍摄了天文学系列纪录片《聊“天”》。
那段时间忙碌而充实,但三者兼顾也常令高爽力不从心。“另一方面,整个社会是一个更宽广的课堂。”抱着这样的想法,两年前,高爽从北师大辞职,创办北京河马星空教育科技有限公司,成为专职的科学传播者。如今,他在得到App的《天文学通识30讲》课程上线8个月,已经有超过2万人付费订阅。
在高爽看来,如果天文领域的科普书只是把各种天体信息讲解一遍,看不见故事、看不见斗争、看不见人,就无法打动人。“真正能够打动人、连接人的,只能是人。所以科学需要讲故事,天文学更需要讲故事。”
《中国科学报》 (2020-01-02 第6版 读书)