發現海王星│ 科學史上的今天：9/23

• 文／陳子翔（現就讀師大地球科學系， EASY 天文地科團隊創辦者）

距離我們大約兩百億公里的太空中，有一架名為航海家二號的探測器已經工作了數十年，就在不久前，NASA 送出了久違的訊息試圖再次與她連絡上……

為什麼說久違呢？是這樣的，今年初因為位在澳洲坎培拉，負責聯繫航海家二號的訊號收發站要進行天線設備升級，然而這又是目前唯一能和航海家二號聯繫上的訊號收發站，也因此必須暫停與航海家二號的聯繫。

43 年從未斷訊的航海家二號

雖然說這次與航海家二號數個月的斷訊是計畫之中的事情，但其實還是讓 NASA 的工程師與科學家們有些緊張。各位可以回想看看，自己用過壽命最長的電子產品或家電用品是什麼呢？也許你會想到用了五年的手機，十年的電視機，又或是用了二、三十年的電鍋或冰箱。但相信應該很少人家裡有超過四十年，而且完全沒有維修過卻還能使用的電器吧。然而航海家二號從發射至今已經獨自在廣大的太空中運作超過 43 年了，在她離開地球時，台灣第一條高速公路與電氣化鐵路都還在建設中呢！也因此要與一架骨董級探測器斷訊八個月的確滿讓人擔心的。

不過話說現在科技已經進步非常多，近年也不乏許多先進的新探測器持續進入太空探索，為什麼我們仍這麼關心航海家二號的動向呢？其中有個很大的原因是，即便新的探測器有著更先進的儀器設備，航海家二號帶來的貢獻和歷史意義仍然難以被超越。

就讓我們藉由著個機會來重溫這架傳奇探測器光輝的故事吧！

航海家二號的誕生：太空「大航海時代」的序章

在太空探索的歷史上，1960 年代是載人太空任務發展的黃金年代，第一位進入到太空的人與第一位踏上月球的人都是在 1960 年代發生的。而 1970 年代，就可說是探索太陽系的「大航海時代」了，在這十年間，許多無人探測器先後出發探訪太陽系的各大家族成員，像是首次登陸火星、首次飛掠各大行星的成就都在這幾年間達成，而航海家二號可說是其中最具代表性的探測器之一。

揭開太陽系外圍的神秘面紗，乘載希望奔向宇宙深處

有別於先前多數的太空探測器都是以一顆特定星球作為目標，航海家二號最特別之處，就在於她造訪了所有外太陽系的氣體行星—木星、土星、天王星和海王星。而要完成這樣的壯舉必須仰賴這四顆行星特殊的排列位置，讓探測器在每在造訪一顆行星的同時，也正好能巧妙地讓該行星的重力拉自己一把，幫助探測器用最節省燃料的方式飛向下一顆行星，而這樣的機會每隔 176 年才會有一次呢！

把握住這樣的機會，航海家二號在 1977 年八月升空，並在接下來的十年先後收集了四顆氣體行星的重要科學資料，同時也傳回了許多令人屏息的經典照片。更特別的是，在四十多年後的今天，航海家二號仍然是唯一造訪過天王星和海王星的探測器，因此下次看到像是下圖這樣清晰漂亮的天王星和海王星影像，就可以跟朋友說這個照片是航海家二號拍攝的，也許朋友就會以崇拜的眼光看你（並不會）

1989 年航海家二號飛掠了最後一個計劃中的目標天體—海王星，然而她的任務卻還會持續下去，繼續為我們帶來外太陽系，甚至是「太陽系外」的第一手資訊，例如太陽磁層頂的位置、星際空間的磁場與宇宙射線強度等等……

同時，航海家二號也帶著地球人想送給外星人的「小禮物」，一張收錄用全球各種語言打招呼的錄音，以及數張影像檔案的唱片和唱片播放器。雖然說要在茫茫宇宙中「不小心撿到」這個禮物的機率實在太低，但這樣的紀念品某種程度也象徵著人類踏出航向宇宙的步伐時，做出的浪漫宣示吧！

重新連繫航海家二號

今年十月天線更新完成後，NASA 終於能送出睽違八個月，一封「來自地球的家書」給航海家二號，而她也順利收到並有所反應，彷彿對地球上的我們說：「哈囉地球上各位，好久沒有各位的消息了，很高興又收到你們的信，我在遙遠的太陽系外也都還好喔！」

這次成功的聯繫也代表著航海家二號的任務依然持續進行著，不過 NASA 的工程師也估計探測器的電力應該所剩不多了，我們終究在未來的某一天必須和這部偉大的探測器告別，但航海家二號仍將繼續帶著人們探索未知世界的精神，航向星空深處。

參考資料

• Jet Propulsion Laboratory Voyager
• Deep Space Network Canberra Deep Space Communication Complex
• NASA finally makes contact with Voyager 2 after longest radio silence in 30 years

十七世紀末，牛頓提出的萬有引力理論象徵現代天體力學的開始；人們利用物理原理來描述天體運行，並藉由天文觀測逐步修正理論或計算方法的缺失。以天王星的發現為契機，科學家開啟了一連串對行星軌道的研究；這些事件不但成為天體力學發展史的重要標誌，最終竟促成重力理論的演進，甚至延續到現今，反應在我們對黑洞的觀察上。

這一切，都要從 1781 年，英國天文學家赫雪爾（William Herschel，1738-1822）在自家庭院，從望遠鏡中看到一顆彗星說起……

天王星的詭異行徑

在赫雪爾將發現回報給皇家學會後，其他科學家也紛紛對這顆彗星進行調查。很顯然的，它似乎沒有彗星尾巴，而且運行軌跡較接近圓形，不像其他彗星以非常扁的橢圓軌道繞行太陽；與其說是彗星，它更像是在土星軌道之外環繞太陽的行星──這就是天王星的發現。

儘管已驗明正身，天王星仍然困惑著接下來數十年的天文學者：它的實際軌道和牛頓萬有引力理論的預測並不相同。這是牛頓理論的失敗嗎？還是觀測錯誤了呢？1846 年，法國天文學家勒維耶（Urbain Le Verrier，1811-1877）利用數學計算提出預測：存在某個未知星體影響了天王星的運行，造成理論和觀測的差異；他也指出該星體的軌道、質量和位置大約為何。

一陣子之後，柏林天文台收到勒維耶的報告，便馬上著手進行未知星體的搜尋工作；只花不到一個小時，海王星就被找到，與勒維耶預測的位置相差不到一度──史上第一次，單純憑藉數學計算發現新行星[1]。

水星的運行軌道也存在異常

隨著海王星的發現，牛頓萬有引力理論可說獲得空前勝利。然而，天文學家拿重力理論來推估行星運行的嘗試並未到此為止。1859年，勒維耶再度出擊，聲明水星軌道的進動也跟牛頓萬有引力理論的計算有所出入。

在理想狀況下，依據牛頓萬有引力理論，水星環繞太陽的運行軌道應該要固定不變；然而在實際上，因為受到其他行星的重力拉扯（和另外一些次要因素），水星軌道的近日點（以及軌道本身）會緩慢產生變化──這稱為水星的近日點進動。

勒維耶分析了從 1697 年到 1848 年的水星觀測資料，發現水星的近日點進動，與用牛頓萬有引力理論考慮其他行星的影響所算出來的進動數值，每世紀差了三千六百分之三十八（38/3600）度[2]──這是多麼微小的數值，卻又真實存在！

因為之前海王星的成功經驗，勒維耶猜想：介於太陽和水星軌道之間，可能存在未曾發現過的星體，影響了水星的運行；他將其命名為瓦肯星（Vulcan）[3]。

無奈地，這一次任憑天文學家花費幾十年尋找，甚至勒維耶也已去世良久，瓦肯星始終不見蹤影；而水星近日點進動問題便懸而未決，延續到二十世紀。在 1915 年，愛因斯坦才利用廣義相對論成功將此問題劃上句點。

根據我們目前所知，水星的近日點每世紀會移動約 574/3600 度，其中牛頓萬有引力效應佔了 532/3600 度，而廣義相對論造成的效應幾乎剛好就是兩者之差。廣義相對論針對牛頓萬有引力定律所描述的重力，做出了細緻的修正──這個修正在大多數狀況下，微小到可以忽略；只有在水星近日點進動這樣的例子，差異才會顯現出來。可以說，水星近日點進動問題的解決，是幫助廣義相對論得到世人認可的重要原因之一。

廣義相對論的黑洞測試

科學家拿星體運行來測試重力理論的故事就到此為止了嗎？非也。既然原本得到廣泛驗證的牛頓萬有引力定律，因水星近日點進動現象而被找到缺陷，那麼現在大獲全勝的廣義相對論，自然也有可能在某種特殊環境下暴露弱點──科學家於是把腦筋動到了黑洞頭上。

黑洞堪稱宇宙裡數一數二極端的天體，龐大的重力吞噬一切，無疑是測試重力理論的理想選擇。就像水星繞行太陽會產生進動，是否，繞行黑洞的星體，其軌道也會有進動現象呢？又是否完全可以用廣義相對論來解釋？

針對廣義相對論的正確性問題，一群科學家團隊花了二十七年，觀測環繞無線電波源人馬座A*（Sagittarius A*）運行的恆星S2，並於今年（2020）四月，在《Astronomy & Astrophysics》期刊發表最新成果。

人馬座A*位於銀河系中心，距離地球約兩萬六千光年，質量估計為四百多萬倍太陽質量，據信極可能是超大質量黑洞；環繞於外的 S2 具有十多倍太陽質量，與人馬座A*的最近距離是十七光時（海王星到太陽距離的四倍），軌道週期為 16 年（海王星軌道週期是 165 年）。研究發現，S2近心點（pericenter，最靠近重力中心的點）的進動約為每軌道週期 12/60 度，與廣義相對論的預測相符──即使在重力如此強大的環境，廣義相對論依舊通過試煉。

本次研究的意義

儘管沒有發現廣義相對論的破口，這次的成果仍然別具意義：它是人類第一次確認以黑洞為中心的進動現象；再者，若人馬座A*附近存在某些看不見的物質（如暗物質，或其他小型黑洞等等），科學家也能依據數據給出嚴格的質量上限。可以肯定的是，隨著觀測技術的發展，我們對於宇宙、或者黑洞的理解，將持續進步；說不定哪天，還真能發現廣義相對論的問題呢。

參考資料

• Classical Dynamics of Particles and Systems, Marion and Thornton, 4^th edition, 1995, Harcourt Brace & Company
• Dance around the heart of our Milky Way
• Urbain Jean Joseph Le Verrier
• A star orbiting the Milky Way’s giant black hole confirms Einstein was right
• Wikipedia: Discovery of Neptune
• Wikipedia: Tests of general relativity
• Wikipedia: Vulcan
• Wikipedia: S2 (star)

註釋

• [1] 實際上，勒維耶計算出的海王星軌道，與真正的海王星軌道仍有一些差距。但這並無礙於發現海王星的偉大成就。
• [2] 多年後，其他科學家重新評估牛頓萬有引力理論和實際觀測的差距，得出每世紀三千六百分之四十三（43/3600）度的數值，跟現代觀測吻合。
• [3] 就跟《星際爭霸戰》（Star Trek）裡的瓦肯星同名。不過可以確定勒維耶並不是因為看了《星際爭霸戰》才這麼命名的。

為何我們挑選了這本書：
在十九世紀末，美國三位傳奇人物與「電能」的發展息息相關：最著名的夢想者與發明家湯瑪斯‧愛迪生、對發電和電力輸送有革命貢獻的電力奇才尼古拉‧特斯拉、創建多家公司的發明家和企業家喬治‧西屋，《光之帝國：愛迪生、特斯拉、西屋的電流大戰》主要介紹了這三位人物成功、失敗以及彼此的宿怨，美國企業史上最獨特的惡鬥「電流之戰」於此展開。

充滿溢美之詞的特斯拉專訪

一八九四年二月，科默伏給《世紀》寫的特斯拉文章刊登出來，並附有知名攝影家薩羅尼拍攝的相片。

這篇文章辭藻華麗，洋洋灑灑地說道，「特斯拉先生一直有個夢想，受到流星瞬間閃光所引發的啟示；他的同行對他的敬佩日益增長，乃因為他看得更遠，最早看見在科學新大陸上微微閃現的光芒」。這篇讚美文章刊登在國家主要雜誌上，自然而然引起了轟動，也立刻引起紐約報界的注意。

幾個月後的一個星期日，七月二十二日，約瑟夫．普立茲的《紐約世界報》，曼哈頓銷量最大的日報，登出一個醒目的長篇報導，出自知名專欄作家亞瑟．布里斯班（Arthur Brisbane）之手，題為「我們最傑出的電學家」，還有「比愛迪生更偉大」、「電力的未來」等小標題。

布里斯班和科默伏不同，他對電一無所知，也不想不懂裝懂。「每個科學家都是自己專業的行家，」布里斯班這樣描寫特斯拉，「每個紐約社交界的人，即使是笨蛋也認識他那張臉。他每天在德莫尼科飯店用餐。他每晚都坐在靠窗的那張桌子……埋首看晚報。」

布里斯班的文章帶有一張全版尼古拉．特斯拉的畫像，他穿著正式的燕尾服。

「與電融為一體的發明家襯托在光輝燦爛的電火中」。

這當然指的是特斯拉那次最著名的即席表演，讓幾千伏特電流通過他的身體，直至火焰吞沒他全身。他向布里斯班承認，「我讓電流通過全身的主意，只為了扭轉大家長期以來對交流電的愚蠢看法。這實驗對科學家來說沒有任何價值。關於交流電的『伏特』存在著一大堆胡說八道理論，現在你看到伏特和電流能量毫無關係」。與大多數遇到特斯拉的人一樣，布里斯班也發現他很有魅力。結果在那個炎熱寂靜的夜晚，他們兩人坐在德莫尼科飯店裡一直聊到破曉，直到清潔女工來打掃飯店的大理石地板。

布里斯班告訴《紐約世界報》的二十八萬讀者，「每當談到正在研究的電力問題時，特斯拉就變得神魂顛倒。他說的沒有一個字可以讓人聽懂。他把一秒鐘分成幾千萬份，達到的能量顯然是任何其他東西都無法提供的。他堅信電力可以解決勞動力問題。這應該是（尤金）德布斯先生在地牢受苦時思考的事。根據特斯拉的理論，未來的艱苦工作肯定會成為啟動電力開關的推動力」。

那年秋天，一八九四年的九月三十日，《紐約時報》用了幾個整版登出文章〈尼古拉．特斯拉與他的發明〉，副標題為「確信無疑走向偉大勝利」。不同於布里斯班輕鬆愉快的敘述，《紐約時報》竭盡全力闡釋特斯拉的高頻研究和在他無線電燈背後的科學。令人奇怪的是，文章隻字未提尼加拉。

事實是，不管西屋發電機的工作進展是否順利，特斯拉已全心將自己投入一個嶄新且更深奧的電學尖端領域。每天他都在實驗室裡埋首工作，完全不顧樓下商業街道的雜訊。特斯拉沉浸在他嶄新的電力夢中，他與布里斯班長談時承認，「我絕對自信地期待著，地球上將會用無線傳輸資訊。我也對用同樣方式高效傳輸電力充滿希望」。

特斯拉的夢想：無線電波通訊與尼加拉大瀑布發電

當特斯拉公開談到他的工作時，他對自己正在研究的細節（也就是現在眾所皆知的無線電收音機）守口如瓶。直到了一八九四年，特斯拉已經組裝出一個小型手提式收音機轉播站，整年都在不斷地檢測並改進。許多下午和晚上，他都和一位製圖員一起爬上實驗室的寬闊屋頂，豎立起無線接收器，再拿上他的接收機，再到更高更遠的地方，去檢測他的無線電收音機訊號。

冬天的時候，特斯拉已經在他住的格拉克飯店（這家飯店距離曼哈頓上城區三十條街，在他的實驗室北方一英里半遠）的房頂安好裝置。在這個比下面百老匯時髦的精品商店高出十層樓的地方，特斯拉小心翼翼地放飛用繩縛的氦氣、熱氣或氫氣球，接著氣球和繩子一直升高，直上空中。一條電線連接到飯店的總水管。

特斯拉將他的接收器調節至與收音機頻率，就能成功聽到製圖員從市中心實驗室屋頂上發出的廣播訊號。整個冬天他都在微調那處於雛形階段的收音機，等到春天來臨，冰雪消融，就要乘坐汽船沿哈德遜河北上，去看看如果繼續向阿爾巴尼航行，是否還能收到傳送訊號，所以到那年年底，特斯拉的身體和精神狀態都非常好，可謂勝券在握。

一八九五年對特斯拉是更好的一年，他已將新收音機調到最佳狀態，而且期待著尼加拉大瀑布開始送電。

在他將專利賣給西屋七年後（也是為了拯救公司而放棄他的權利金四年後），特斯拉的西屋發電機終於要安裝在懷特的電力大教堂！偉大的時刻即將來臨，大瀑布入口的閘門一旦打開，尼加拉碧綠的河水將奔騰流入三個巨大水管，冰涼的湖水咆哮著直落向渦輪機。隨著渦輪機開始旋轉，水花飛濺，水霧濛濛，每根鋼軸也越轉越急。在飛旋鋼軸上方的電力發電機房裡，特斯拉的三台黑黝黝巨大發電機組也在旋轉，製造著電力磁場。

從這些熱氣騰騰的發電機組將流出無形的電河，靜悄悄地穿過電橋流入變壓器，在那裡轉換成高伏特的巨大電流湧向世界，之後再由許多獨立變壓器將其降壓成無形無聲的電流，點亮十幾萬戶的燈泡，為巨大的工業提供能源、讓水牛城的電車運行、驅趕夜晚的黑暗，並減輕人類的重負。人們稱他為夢想家，但這一切夢想都將成為現實。

尼古拉．特斯拉公司成立

由於交流馬達和多相發電機的難題一直懸而未決，許多研究者都望而卻步，但是特斯拉成為占據這歷史地位的第一人！不光是他所追求的榮譽，也更出自財務上的原因，因為這樣一來他將有充足的資金更自如地工作。他認為，與他正在研究的更尖端且又簡單得多的動力系統無線傳輸相比，交流電只是剛起步。

對人、金錢和機遇都頗有眼光的亞當斯希望立刻成為特斯拉的贊助人（後來才知道，亞當斯其實已經追蹤特斯拉許久，這個聰明人比任何華爾街財閥都瞭解特斯拉交流電專利的價值），特斯拉也直率地宣稱，這只是他革命性發明創造進行開發與商業化的開端。

一八九五年二月，《電力工程師》上出現一篇短文，宣告成立尼古拉．特斯拉公司，經營範圍為「生產和銷售機械、發電機、馬達、電力設備等等」。該公司有一大批一流董事：亞當斯和他的兒子恩斯特、勤勉工作又雄心勃勃的蘭金、特斯拉很久以前的資助者艾菲德．布朗、紐澤西的查爾斯．科尼（Charles Coaney）以及特斯拉本人。

據傳，該公司的資本為五千美元，數字聽起來實在可笑。不過特斯拉後來提到，其實僅亞當斯一人就投資了十萬美元，所以到一八九五年春天時，特斯拉身為一個發明家過著十分令人嫉妒的生活。

災難突降，實驗室被大火燒毀

一八九五年三月十三日清晨兩點三十分，特斯拉的實驗室被一場大火焚燒殆盡。整個建築從內部爆炸，實驗室那一層變成燃燒的地獄，所有電力實驗設備毀於一旦。

《紐約太陽報》報導，當東方天邊出現了第一道黎明光芒時，在南五街可以看見「兩道搖搖欲塌的牆和像打哈欠般敞開的大洞，向外流著黑水和油」。當時非常受尊敬的報界編輯查爾斯．達納這樣寫道，「尼古拉．特斯拉的工作室和其中寶貴設備都被破壞，這絕不僅僅是他個人的災難，而是整個世界的巨大損失。如果用手指頭來比喻這個年輕人對人類社會的重要性，那麼說他是大拇指絕對不為過」。幸運的是，特斯拉那天晚上沒有辛苦工作，否則他很有可能葬身火海。

第二天上午十點，特斯拉像往常一樣去工作，完全被眼前的情景嚇呆了。「這不可能是真的，」他盯著燒焦的廢墟不斷這樣喃喃自語。

他的十五個雇員比他來得稍早一些，都悶悶不樂地站在那裡，不忍心將特斯拉從格拉克飯店喊來面對如此悲慘情景。《紐約太陽報》記者想採訪他，特斯拉拒絕了，他說：

「我太悲傷了，讓我說什麼呢？這差不多是我半生的心血，所有的機械設備和科學研究用具都經過多年調試，卻在一個小時內被大火吞沒。這筆損失根本不能用錢來估算。什麼都沒有了，我必須從頭開始。」

他雙眼噙滿了淚水，精心設計的發電機、振盪器、馬達和真空燈泡，珍貴的記錄、檔案和往來信件，還有他在世界博覽會的展品、最近研製的無線電收音機的發射器與接收器，所有這些年來的工作成果，全都付之一炬。甚至，人們開始懷疑他實驗室裡的火災源於那些被稱為電力奇蹟的東西。

大樓看守報告說，大火從一樓燃起，另一家租戶是個蒸汽裝配廠，加班時曾經在樓面上撒許多油，它「燃燒時像個引火盒」。看守的水桶簡直是杯水車薪。消防員與大火奮戰了三個小時，他們只能防止火勢蔓延到相鄰的工廠以及附近的高架鐵路。

沮喪的特斯拉悄悄地走出去，徘徊在大街上。同時，詹森夫婦到處找他，希望在他遭受「無可挽回的損失」的時候可以給他一些安慰。即使他的設備在別的地方有備用，如發電機、振盪器和馬達，但是他的收音機是獨一無二的，必須重新組裝。他的實驗室全都沒有保險，經濟損失慘重且徹底。特斯拉最近幾年掙了不少錢，但他全部的收入幾乎都投入實驗室裡，被這場大火燒毀。

除了東山再起別無出路

在科默伏、詹森夫婦，以及許多曼哈頓的朋友與熟人的鼓勵下，特斯拉重整旗鼓，又在東休斯頓街四十六號找到一間新實驗室。後來他告訴記者：

「我灰心喪氣到了極點，如果我沒有定期為自己做電療，我簡直不相信還能振作起來。你看，電流進入疲憊不堪的身體，成為身體正需要的生命力、控制力。電是個偉大的醫生，依我看，它是最好的醫生」。

到了三月二十二日，康復的特斯拉寫信給西屋一位高級工程師，要求訂購新設備。他寫道，「我敢肯定，您一定從報紙上知道了，那場不幸事故幾乎奪去我全部的設備，進而影響了我目前的工作。我現在必須重建實驗室」於是，他的新設備在一個月內陸續運到。此外，特斯拉也寫信給曾監理特柳賴德金王礦交流電工程的斯科特，請求他協助促成他的訂購，並解釋：「這種工作對我的健康來說必不可少。」

在此期間，特斯拉在最不可能的地方找到了應急之所：湯瑪斯．愛迪生在西奧蘭治的巨大實驗室。哈洛德．布朗曾經在那裡電死過狗、小牛和馬。新聞界長期以來都將愛迪生和特斯拉，這一對美國最偉大的奇才，形容為勢不兩立，但是在這危難關頭，愛迪生非常大度地放棄了競爭，為悲痛的特斯拉提供了臨時工作場所。

• 編按：在災難發生後一年多，一八九六年的十一月，尼加拉瓜瀑布產生的電力正式傳送到了水牛城，電流大戰結束，西屋與特斯拉的交流電取得了最終的勝利。更多內容請見《光之帝國——愛迪生、特斯拉、西屋的電流大戰》

本文摘自泛科學 2018 年 1 月選書《光之帝國——愛迪生、特斯拉、西屋的電流大戰》，商周出版。