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一个天文学家,如何掀翻了英国科学界?

2024-07-08,阅读:33

作为英国著名天文学家威廉·赫歇尔的儿子,约翰·赫歇尔不仅继承并发扬了父亲的天文学成就,还掀起了英国科学界的一场改革。虽然约翰·赫歇尔的许多尝试都以失败告终,但他平等与现代的思想冲击着僵化的英国科学界。随着科学思想在公众中的传播,他撰写的科普读物成为了现代科学研究方法的基础,影响了后世无数的科学家。

在这篇来自《环球科学》2024年7月新刊的文章中,我们将跟随斯蒂芬·凯斯的讲述,看看约翰·赫歇尔是如何掀起了英国科学界的一场改革。

一次,威廉·赫歇尔(William Herschel)对土星产生了疑问。从他的大型望远镜望去,这颗被光环环绕的行星有着奇特的形状:北极扁平,而南极“弯曲,或是向外凸起”。在这之前,这位科学家已经以突破天文观测的极限而闻名,这或许是因为他宣称自己使用了超高倍望远镜,也可能是因为他推测太阳上可以住人。他的观测揭示了新的天体类型,包括星云、星团和双星,而他最著名的成就是1781年发现了太阳系第一颗新行星——天王星。不过,在1807年6月16日那个晚上,他想确认土星的奇特形状。


威廉·赫歇尔的妹妹卡罗琳·赫歇尔(Caroline Herschel)经常协助他。她会记录下他观测时所说的话,甚至为他撰写科学论文。但是那天晚上,威廉·赫歇尔迎来了一双新的眼睛,这双眼睛属于他15岁的儿子约翰。根据这位天文学家的记录,这个男孩也注意到了土星奇特的弧度,他在石板上描画出一个形状,与父亲所看到的“外观完全一致”。这是约翰·赫歇尔(John Herschel)的第一份天文观测记录。威廉·赫歇尔无疑希望儿子能继承他的事业。但他没有想到,约翰还将为科学本身的改革做出贡献。


1792年3月7日,约翰·赫歇尔出生于英格兰的斯劳,是威廉·赫歇尔和妻子玛丽·鲍德温·皮特(Mary Baldwin Pitt)唯一的孩子。此时,他的父亲已经从一名来自德国汉诺威的移民音乐家转型成为欧洲最著名的天文学家。威廉·赫歇尔发现了天王星,并将其命名为“乔治之星”(Georgium Sidus),以纪念英王乔治三世。他因此获封“御用天文学家”(King\'s Astronomer),这项荣誉使他得以全身心投入到天文观测中,并拥有足够的资金来建造一台40英尺巨大望远镜(指焦距为40英尺,约等于12米)。威廉·赫歇尔最著名的成就之一,是他通过巡天观测发现了数百个新的天体。然而,他没有受过先进的数学训练,无法从数据中提炼出一套严密的物理学理论。

剑桥数学界的新思潮


他的儿子不会面临这种困境。威廉·赫歇尔确保约翰接受了自己所缺乏的数学训练。在进入剑桥大学之前,约翰已经接受了专门的私人辅导,学习了皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)、约瑟夫-路易·拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange)和西尔维斯特-弗朗索瓦·拉克鲁瓦(Sylvestre-François Lacroix)等欧洲大陆数学家发明的细致的运算方法,他们的工作将代数分析与热量、振动、波的运动以及天体力学等领域的物理描述联系起来。然而,年轻的赫歇尔即将迎来深深的失望。


在剑桥大学,约翰沮丧地发现学校对英国以外的数学发展兴趣不大。这里的教学仍然专注于艾萨克·牛顿(Isaac Newton)的微分学,包括牛顿的微分符号(以变量上方的点表示),以及几何表示方法。在剑桥的许多学者看来,几何表示方法对数学至关重要,因为这样的数学才能成为用理性解释宇宙的工具。


与此同时,欧洲大陆的数学,尤其是法国数学,沿袭了德国学者戈特弗里德·莱布尼茨(Gottfried Leibniz)所开创的发展路线,以及他用字母d表示的微分符号(这一符号沿用至今)。剑桥大学的学者不愿意接受这套数学分析方法,一方面是因为他们将其与法国联系在一起,而当时英国一直在与法国交战,持续了数十年;另一方面则是因为他们认为这不过是在玩弄逻辑符号,与几何表示方法脱节。但值得一提的是,如今这套方法被许多人视为认识数学的理论基础


然而,在约翰·赫歇尔和包括查尔斯·巴贝奇(Charles Babbage)在内的其他志同道合的学生看来,要想恢复英国在数学领域的领先地位,就必须引进数学分析方法。当时,剑桥大学爆发了一场争论,讨论各学院院长是否支持圣经协会,该协会希望分发没有《公祷书》(译者注:英国圣公会用于介绍祈祷礼仪,并对《圣经》作出解释的权威读物)评述的《圣经》版本。巴贝奇抓住这个机会对校方大加嘲讽,他提议成立一个分析协会,传播数学分析的“加d主义”(d-ism)福音,以取代学校里保守的“加点时代”(dot-age)


分析协会成立后,使玩闹似的模仿走入了现实。赫歇尔在完成大学学业的同时,将自己真正的智慧奉献给了分析协会。他为会员撰写文章,证明三角函数可以展开成数列,他还定义函数算子,并用长达数页的方程测试当时的复合函数方法。与此同时,他还以优异成绩通过了各项考试,并于1813年以该校的最高荣誉毕业。


但最终,分析学会未能改变英国数学,这让赫歇尔倍感失望,但他也从中学到了重要的一课:大学并不是推动改革的理想地点。英国科学界的中心在伦敦,而不是剑桥。如果要进行一场变革,那么它应该发生在伦敦,因为新的商业阶层的影响力和财富在这座城市里不断增长,形成了酝酿变革的土壤。然而,与剑桥的数学圈子一样,伦敦的科学实践仍然是一项保守而等级森严的事业。英国皇家学会作为天文学、博物学和植物学的信息交流中心,在博物学家约瑟夫·班克斯(Joseph Banks)的长期主持下,将科学奉为一项特权,仅限绅士参与。


与此同时,有赖于中产阶级的崛起和蒸汽印刷机等新技术的出现,公众拥有了接触科学的机会,以及参与科学的手段和闲暇。19世纪20年代,随着政治改革运动愈演愈烈,人们开始推动科学朝着更加平等的方向发展。由此,自然哲学转型为现代科学,自然哲学家转变为现代科学家,而赫歇尔正是这股潮流中的核心人物


在伦敦,赫歇尔从纯数学转向应用数学,并开始探索跨越了学科界限的科学。他对化学、矿物学和光学产生了兴趣。他建了一个实验室,在笔记本上记录了数百次实验。在此期间,他发现了硫代硫酸钠溶液的特性,为日后摄影术中的主流定影技术奠定了基础(见下方插图)。1819年和1821年暂居巴黎期间,他与让-巴蒂斯特·比奥(Jean-Baptiste Biot)和弗朗索瓦·阿拉戈(François Arago)共事,这两位物理学家帮助他认识到如何用数学方程描述晶体与偏振光的相互作用。日后,当他作为天文学家功成名就之时,他向妻子玛格丽特吐露,光才是他的初恋

追随父亲的脚步


返回剑桥大学任教的计划失败后,赫歇尔终于同意成为年迈父亲的助手,重新启动他的观测计划。但是,他并非只是留在距伦敦30千米的斯劳家中安静地观察天空。相反,天文学成了他将数学与科学改革相结合的手段。1820年,他与巴贝奇等人共同创建了伦敦天文学会(Astronomical Society of London),以挑战英国皇家学会的霸权地位


这家新的机构(1831年更名为皇家天文学会)提供了将新的数学方法投入实际应用的渠道,而且其成员主要是银行家、股票经纪人和校长——他们都来自新兴职业阶层,而且被英国皇家学会拒之门外。作为新生学会的外交事务负责人,赫歇尔与欧洲各地的天文学家建立了通信网络。彼时,伦敦正在成为世界商业和金融之都,而伦敦天文学会同样志在成为全世界天文数据的交流中心。


赫歇尔从父亲手中接过了一份独特的天文学遗产。在威廉·赫歇尔和他的妹妹之前,天文学的重点是确定恒星的位置,以便获得可靠的背景资料来测量月球的运行轨迹(这是为了导航,尤其是确定经度),以及行星和彗星的运行轨迹(目的是完善牛顿万有引力在太阳系中的应用)。而威廉·赫歇尔的大型望远镜扩大了天文学的范围,将太阳系之外的天体也纳入其中


他首先对双星产生了兴趣,这类天体特别重要,因为它们有可能提供一种确定恒星视差的方法。(恒星视差指当地球处在轨道不同位置时所观察到的恒星角度位移。)如果两颗恒星在地球上某一时刻看起来很近,实际上却相距甚远,那么通过测量它们之间的视觉距离以年为周期的变化,就可以得到其中一颗恒星相对于另一颗的相对视差,这很可能是历史上第一种直接确定恒星距离的方法(前提是较远的恒星距离足够远,其视差可以忽略不计)。然而,威廉·赫歇尔的一项发现让事情变得复杂起来。他意识到有些双星实际上是由引力束缚、环绕同一个质量中心运动的,即“物理双星”。因此,我们无法简单判断一对恒星属于看似离得很近、实际相距很远的光学双星,还是真正存在引力作用的物理双星。唯一能确定的方法就是对这对恒星进行细致的观测,持续数年乃至数十年。


这就是赫歇尔决定要做的事情。在伦敦外科医生詹姆斯·索斯(James South)的帮助下,他开始重新研究父亲在星表中列出的所有双星。多亏了他最新发布的星表,天文学家终于了解哪些才是真正的双星。之后,赫歇尔还在继续出版双星星表,其中包括他自己发现的其他数百对双星。他的观测工作使双星成为一个活跃的研究领域,借助他收集的数据,数学家得以计算出它们的轨迹,并首次测算出恒星的质量。双星变得如此重要,赫歇尔最终将它们视为父亲真正的天文学遗产,相比之下,天王星的发现“简直微不足道”。


赫歇尔还重新研究了父亲发现的星云,并在此基础上编撰了星云表,提供了一种定位天体的方法,同时进行了标准化描述,为测量它们随时间的明显变化打下了基础。当时人们对星云的性质仍有疑问:它们是一群由发光的流体凝结成的恒星,还是仅仅是一群普通恒星,只是因为离我们太远才分辨不清?在分光镜和天体照相学技术面世之前,要想确认星云任何潜在的变化,唯一的方法就是以精确定位的恒星为背景,对星云进行细致的素描。赫歇尔的星表中就有这样的素描,包含了数百颗恒星,其中一些历时数年才完成(见下方插图)。星云和双星的测量处于天文学观测的前沿,赫歇尔一丝不苟地工作,为这些难以理解的天体作出了统一的标准化描述。

到1833年,赫歇尔已经重新梳理了父亲在北天区发现的所有目标天体,但还有一整个半球等待他用望远镜探索。他早就考虑将研究扩展到这片新的天空。1832年母亲去世后,他认为时机已到。他的父亲于1822 年去世,姑姑也回到德国,定居在她儿时的家里。赫歇尔得到了一大笔遗产,带着妻子和三个年幼的孩子,于1834年1月搬到了非洲南端、当时是英属殖民地的好望角。


英国皇家海军想为赫歇尔提供一艘军舰,但他拒绝了。正如他在给一位朋友的信中所说,整个计划将是“我个人完全不负责任的冒险之旅”。赫歇尔希望能够自由自在地从事天文研究。他在南非开普敦待了四年,在那里继续进行系统的巡天观测,发现并记录了新的星云和双星,成为了第一个用望远镜仔细研究全部可见天区的人,或许也是唯一一个。他还观测了太阳黑子、变星、土星的卫星,以及1835年回归的哈雷彗星。这次旅居的成果就是《天文观测成果》(Results of Astronomical Observations),俗称“海角成果”(Cape Results)。这本巨著于1847年出版,展示了南天区的奇观,并被送往世界各地的天文台。


1838年回到英国后,赫歇尔一跃成为了英国科学界的领军人物。维多利亚女王授予他男爵称号,以表彰他对科学的贡献。一场盛大的仪式在伦敦举行,欢迎他回国。从那时起,他不再进行天文观测,但他还在继续撰写通俗作品,鼓励自然哲学家将研究方法应用于物理世界。1850年至1855年,赫歇尔担任造币厂厂长(牛顿当年也曾担任这个职务)。从造币厂退休后,他得以将全部精力投入星表编撰,记录他发现的所有星云。这份星表在他去世后出版,名为《星云星团新总表》(New General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars),其中的天体编号至今仍是天文学家命名深空天体的主要参考


1871年5月11日,赫歇尔逝世。他得到了极高的礼遇,被安葬在英国威斯敏斯特大教堂,就在牛顿身旁。但赫歇尔的名声不仅来自他在天文学方面的成就,还在于他参与定义了科学实践本身。整整一代从事科学事业的人都知道他——在赫歇尔逝世时,科学家这个称号才刚刚诞生。要了解赫歇尔发挥的作用,我们需要追溯到他自愿流亡开普敦之前的岁月。



荣誉的背后


在远征南非之前,赫歇尔在伦敦天文学会和英国皇家学会都很活跃,尽管他在前者取得的成就威胁到了后者对英国科学的控制。在19世纪20年代,当他的同事巴贝奇和索斯公开断言英国皇家学会正在扼杀科学时,赫歇尔却着手尝试从内部改革这个古老的组织。到1830年,英国皇家学会中的改革派和保守派就下一任主席的任命问题发生冲突,他的不懈努力也在此遭遇了挫折。


那一年,学会中的贵族派力推威廉四世的弟弟、萨塞克斯公爵奥古斯都·弗雷德里克(Augustus Frederick)。在学会的保守派领导看来,这位公爵是理想的候选人:他对科学感兴趣,而且身为贵族,手握充足的人脉资源。而在赫歇尔看来,这位准主席的特质与他所需要的恰恰相反。学会已经有了上层精英的基础,如果再来一位王室背景的主席,哪怕他最简单的建议也会被视为命令。这样一来,科学怎么能进步呢?

赫歇尔认为科学是平等的,抱着这样的激进信念,他推荐弗朗西斯·贝利(Francis Baily)作为候选人。贝利是一名股票经纪人,曾因重新计算旧星表而声名鹊起,后来晋升为天文学会主席。这场争端也成为了那段时期英国政治局面的缩影,例如后来的1832年议会改革。而在这样的时刻,赫歇尔不仅没有支持国王的弟弟,反而支持一位平民商人作为对手与他竞争。


但赫歇尔的改革派同伴知道,贝利不足以担此重任。只有一个人能够凭借自身的科学成就和声望,团结反对萨塞克斯公爵的力量——那就是赫歇尔本人。在1830年10月的一次会议上,同伴敦促赫歇尔同意接受提名,成为下任主席候选人。但赫歇尔依然反对,他不想担任领导,他要的是推动自己的科学项目的自由,而不是领导英国皇家学会的责任。但他也承认,决不能接受由学会中的保守派幕后操纵选出下任主席。赫歇尔最终接受了同伴的提名。很快,伦敦的报纸就开始大肆报道这桩丑闻:已故国王乔治三世的儿子萨塞克斯公爵,和国王私人天文学家的儿子之间展开了公开竞争。


竞选十分激烈,但改革最终还是失败了。萨塞克斯公爵当选,贵族一派保留了对英国皇家学会的控制权。但这场危机坚定了赫歇尔的信念,那就是变革必须到来。他将努力转向了新的方向。既然他无法改变机构内部的科学实践,那么他要把他的方法传播到公众当中


就在赫歇尔竞选失败的几天前,科学作家兼出版商狄奥尼修斯·拉德纳(Dionysius Lardner)找到他,希望他能为新的科学百科全书系列撰写第一卷。科普市场正在中产阶级中快速崛起,拉德纳渴望从中分一杯羹,正在寻找一位能为广大读者撰写文章的专家。赫歇尔已经因为作品而扬名于世,正是理想的人选。


这本书名为《自然哲学研究初论》(A Preliminary Discourse on the Study of Natural Philosophy,以下简称《初论》),于1831年出版。对于赫歇尔来说,这本书也为他提供了一个阐述自己科学观的机会。尽管他的改革尝试在剑桥和伦敦反复受挫,但这并不重要。在他看来,科学的世界比享有特权的精英圈子里的东西更广阔。科学不仅仅是静态的知识体系或贵族的消遣,它还关乎社会与个人的美德。


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