那颗星星不在星图上:寻找太阳系的疆界（科普作家卢昌海的经典之作，用细腻的笔触描写太阳系探索的武侠大片）_卢昌海著_9787302338215

　　本书主要介绍人类探索太阳系疆界的历史，并对一些常被人以讹传讹或误解、夸张的历史事件进行分析与澄清。本书共分32章。其中第1章简单回顾近代之前人类对行星的了解，第2～4章介绍天王星的发现，第5～7章介绍小行星带的发现，第8～10章介绍天王星出轨之谜及天文学家们为解决该谜团所作的早期努力，第11～16章介绍亚当斯与勒维耶对海王星的预言及海王星的发现，第17～19章介绍英法两国有关海王星预言的优先权之争，第20～21章介绍并分析由海王星档案所引发的新争论，第22章介绍寻找火神星的失败努力，第23～27章介绍冥王星的发现，第28～30章介绍柯伊伯带及其发现，第31章介绍行星新定义及冥王星的降级，第32章介绍奥托云及有关太阳伴星的猜测。
　　内容通俗易懂，文笔生动风趣，考据严谨深入，适合广大天文爱好者及大中学生阅读。

　　序言

　　我与本书的作者是熟悉的。当年，我为复旦物理系高年级少数优秀学生开了一个讨论班，学习量子理论初期发展的历史，希望能够更好地理解其中的一些难点问题。就是在这个讨论班上，当时还是大学一年级新生的卢昌海，主动请求作个报告，要介绍海森堡的矩阵力学。可以想象，我当然是带着极其怀疑的眼光答应了他的请求，主要还是不想伤害一个年轻人的热情和自尊。但结果着实让我和他的学长大吃一惊，他真的已经完全掌握这部分内容了！一年之后，他又提出要免修物理系最重头的全部“四大力学”，即《理论力学》，《热力学与统计物理》，《量子力学》和《电动力学》。为此，系里专门为他组成阵容超豪华的名教授团队，一门门笔试加口试地进行。全部结束之后，每一位参加测试的教授都真的被这个年轻人的才华折服了。就我所知，一位低年级学生能免修全部的“四大力学”，在复旦物理系的历史上还从未有过，而且成绩还是无可争辨的全优。或许这一“光辉记录”还会保持相当长的时间吧。
　　就是这样一位当年的才子，今天已成为一位优秀的科普作家。除了这本新版的《那颗星星不在星图上：寻找太阳系的疆界》，清华大学出版社还出版了他的另外二部科普著作《太阳的故事》和《黎曼猜想漫谈》，都很精彩。其中，后一本书还得到了大数学家王元的褒奖和推荐。另外，昌海目前还在努力地写作，相信会有更多的佳作问世。
　　回想当年，一套《十万个为什么》，几乎成为我们这代人青少年时期科普作品的代名词。所幸的是，这种时代一去不复返了。今天的情景已完全不同了，书店里的科普作品可谓琳琅满目。多是多矣，然而拿起来翻阅几页后，还能不让人失望的却不多见。归纳起来可以说，一些作者对什么是真正好的科普作品还缺乏认识。第一，科普作品绝非“浅”知识的堆积，更不是一堆知识，知识一堆。第二，科普作品需要将深奥的道理和知识用浅显的语言讲出来，道明白，但它不应该被庸俗化，更不允许被误导。第三，如果科普作品的文字（包括翻译的文字），读起来比作品内容本身还难懂的话，怎能不让人沮丧而无语呢？
　　事实上，若非才、学、识皆备，很难写出好的科普作品。昌海的这本书就是这样一本难得的佳作，这是一次从地球出发的太空“深度游”。作者的“才”就在于他能将那些重要“景点”的来龙去脉交代得清清楚楚，如数家珍，让人有身临其境之感。在不知不觉，轻松愉快的气氛中，对太阳系的结构形成了一幅生动的物理图象。有别于一般专业作品，一部好的科普作品，要求作者有好的文字。昌海的文字表达不仅简洁，干净，而且还能在一些节骨眼上展现幽默和诙谐，读起来赏心悦目。作者的“学”体现在那些常被人认讹传或误解，夸张的历史事件进行分析和澄清，证据确凿，令人信服。在逐字逐句地通读完这本书之后，最令我佩服的是作者的“识”，也就是他对物理或说对科学的品味。对于时间跨度如此之长，空间上如此遥远而又神秘莫测的有关太阳系边界的探索之路，在这样一本小书中得到如此惊心动魄而又深入浅出的刻画，如果没有好的品味，完全没有可能做到。
　　俗话说，好东西应该与好朋友分享。昌海的这本书，在我身边的朋友中已有相当大的“知名度”了，但那只不过是几个人而已。正是考虑到这一因素，当清华大学出版社邀请我为新版的该书作序时，我欣然答应，而且可以很肯定地说，每个拿起这本书翻阅的人一定不会失望。
　　金晓峰复旦大学教授

　　记得念小学的时候，读过一篇课文，叫做 “数星星的孩子”，讲述汉朝天文学家张衡的童年故事。时隔这么多年，小学的很多课文我已经忘记了，但那篇数星星的课文却依然历历在目。那时候，我住在杭州的郊外，家门口有一个池塘，在许多个晴朗的夏夜里，我和小伙伴们常常坐在池塘边仰望星空。那时候，郊外的天空还没有被都市的灯光所污染，在广袤的天幕下，那一颗颗璀璨夺目的星星显得格外的晶莹和美丽。自远古以来，这种无与伦比的美丽就吸引了一代又一代的追随者，他们中的一些人甚至将自己的一生都献给了探索星空奥秘的科学事业。人类寻找太阳系疆界的故事只是科学史上的几朵小小浪花，但在那些故事中，有浪漫，也有艰辛；有情理之中，也有意料之外；有功成名就的兴奋，也有错失良机的遗憾。它们就像天上的星星一样美丽动人……
　　28、深空隐秘
　　发现冥王星之后，汤博并未离开寻找太阳系疆界的孤独事业，他投入了另外13年的漫长时光，继续搜索更遥远的行星。他的搜索范围超过了整个夜空的2/3，他所涵盖的最低亮度达到了17等，他对比过的天体多达九千万个。在那13年里，他发现了6个星团、14颗小行星及一颗彗星，但却没能发现任何冥王星以外的新行星。
　　那么，冥王星轨道是否就是太阳系的疆界呢？既然观测一时还无法回答这个问题，天文学家们便展开了理论上的探讨。不过那探讨不再是像亚当斯与勒维耶那样的精密计算。由于冥王星的发现已属巧合，在那之后的天文学家们即使在做梦的时候，恐怕也很少会再幻想重演一次笔尖上预言新行星的奇迹了。但是，精密的预言虽不可能，粗略猜测一下太阳系的疆界在哪里却还是可以的。
　　那样的猜测几乎立刻就出现了。冥王星发现之初，美国加州大学的天文学家利奥纳德(Frederick C. Leonard)就猜测冥王星的发现有可能意味着一系列海外天体(trans?Neptunian object，TNO)将被陆续发现。应该说，在经历了天王星、海王星及冥王星的发现之后，单纯作出这样一个猜测已无需太高级的想象力了。不过，比单纯猜测更有价值的是，1943年爱尔兰天文学家埃奇沃斯(Kenneth Edgeworth)提出的稍具系统性的观点。
　　在介绍埃奇沃斯的观点之前，让我们稍稍介绍一下太阳系的起源学说。在科学上，几乎任何东西人类、生命、地球乃至宇宙的起源都是值得探究的课题，太阳系的起源也不例外。自18世纪康德(Immanuel Kant)和拉普拉斯(Pierre?Simon Laplace)彼此独立地提出了著名的星云假说以来，天文学家们关于太阳系起源的主流观点是，太阳系是由一个星云演化而来的。这其中行星的形成，乃是来自于星云盘上的物质彼此碰撞吸积的过程。
　　按照这种理论，行星形成过程的顺利与否与星云物质的密度有很大的关系。星云物质的密度越低，则引力相互作用越弱，星云盘上物质相互碰撞的几率越小，从而吸积过程就越缓慢，行星的形成也就越困难。当星云物质的密度低到一定程度时，行星的形成过程有可能缓慢到在太阳系迄今50亿年的整个演化过程中都无法完成，而只能造就一些“半成品”：小天体。埃奇沃斯认为，海王星以外的情形便是如此。那里的星云物质分布是如此稀疏，以至于行星的形成过程无法进行到底，而只能形成为数众多的小天体。由此他提出，人们将会在海王星之外不断地发现小天体，且那些小天体中的某一些会偶尔进入内太阳系，成为彗星。
　　无独有偶，1951年，美籍荷兰裔天文学家柯伊伯(Gerard Kuiper)也注意到了太阳系物质分布在海王星之外的急剧减少。与利奥纳德类似，他也认为那样的物质分布会形成一系列小天体而非大行星柯伊伯并未在自己的论文中提及埃奇沃斯的工作，这一点使得后来有历史学家对他是真的不知道埃奇沃斯的工作，还是暗中“借用”了对方的想法产生了疑问。。但与利奥纳德以及后来的天文学家们不同的是，柯伊伯认为那些曾经存在过的小天体早已被冥王星的引力作用甩到了更遥远的区域，不会再存在于距太阳30～50天文单位的区域中了。换句话说，他认为在冥王星轨道的附近曾经有过大量的小天体，但目前已不复存在。在这点上，柯伊伯犯了一个可以原谅的错误，他以为冥王星的质量接近于地球质量(这在当时被认为是有可能的)，从而有足够的引力来做到这一点。而事实上，如我们在上章中介绍的，冥王星的质量只有地球质量的0.21%。
　　埃奇沃斯与柯伊伯的想法在接下来的十年间并未引起重视。但常言道: 是金子总会发光的。一个合理的想法纵然一时沉寂，终究还是会复活的。1962年，在美国工作的加拿大天文学家卡梅伦(Alastair Cameron)提出了类似的看法。两年后，美国天文学家惠普尔(Fred Whipple)也加入了这一行列。惠普尔的研究比前面几位更加深入，除了猜测在海王星之外存在类似于小行星带的结构外，他还试图研究那些小天体对天王星和海王星轨道的摄动，但没能得到可靠的结果。1967年，惠普尔及其合作者又研究了七颗轨道延伸到天王星之外的彗星，试图寻找来自海外天体的引力干扰，结果也未发现任何可察觉的干扰。由此他们估计出那些小天体如果存在的话的总质量必定远小于地球质量。他们的这一估计在如今看来是颇有前瞻性的，但在当时却是一个有点令人沮丧的结果，因为它意味着观测那些小天体将会是一件非常困难的事情。
　　除了这些从太阳系起源角度所做的分析外，天文学家们从另一个完全不同的角度出发，也殊途同归地提出了海王星以外存在大量小天体的假说。这个不同的角度便是彗星的来源。彗星是太阳系中最令人瞩目的天体，当它们拖着美丽的尾巴(彗发)出现在天空中时，常常是万人争睹的天象。天文学家们注意到，太阳系中的彗星按轨道周期的长短大致可分为两类: 一类是长周期彗星，它们的轨道周期在两百年以上，长的可达几千、几万、甚至几百万年。另一类则是短周期彗星，它们的轨道周期在两百年以下，短的只有几年。短周期彗星的存在给天文学家们带来了一个难题。因为这些彗星上能够形成彗发的挥发性物质会因频繁接近太阳而被迅速耗尽，而且它们的轨道也会因反复受到行星引力的干扰而变得极不稳定。计算表明，短周期彗星的存在时间应该很短，相对于太阳系的年龄来说简直就是弹指一瞬。但我们却在直到太阳系诞生50亿年之后的今天仍能观测到不少命如蜉蝣般的短周期彗星，这是为什么呢？天文学家们认为，唯一的可能是太阳系中存在一个短周期彗星的补充基地。
　　这个短周期彗星的补充基地究竟在哪里呢？1980年，乌拉圭天文学家费尔南德斯(Julio Fern?ndez) 提出了一个后来被普遍接受的假说，即短周期彗星来自海王星之外的一个小天体带。他并且推测那些小天体的视星等约在17～18之间(比汤博曾经搜索过的天体更暗，但这个亮度后来被证实为仍是显著的高估)。在他颇具影响力的论文中，费尔南德斯援引了柯伊伯的文章，却忽略了埃奇沃斯的工作。费尔南德斯的这一粗心大意导致的后果是，人们多少有点乌龙地用柯伊伯的名字命名了那个小天体带。而事实上，如我们在上面提到的，在所有曾经猜测过那个小天体带的天文学家中，柯伊伯几乎是唯一一个认为它目前已不复存在从而与费尔南德斯的假说及后来的观测结果截然相反的人。费尔南德斯的假说提出之后，1988年，几位在美国加州大学及加拿大多伦多大学工作的天文学家通过计算机模拟手段，对这一假说进行了检验。他们的检验表明，由那样一个小天体带所产生的短周期彗星无论在数量还是轨道分布上都与实际观测有着不错的吻合。
　　因此，到了20世纪80年代末，来自不同角度的理论分析均表明，在海王星的轨道之外很可能存在一个小天体带，它是行星演化过程中的半成品，同时也是短周期彗星的大本营。但到那时为止，那个遥远的天区除了一颗孤零零的冥王星外，在观测意义上还是一片虚空。
　　距离给了外太阳系神秘的面纱，天文学家们却要揭开面纱来寻找隐秘。

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