174年前的今天，為牛頓加冕！
174年前的今晚，德國天文學家約翰·加勒在望遠鏡中如期與一顆行星相遇了，隨即，整個天文學界都為之歡呼雀躍，因為它是唯一一顆被人們算出來的太陽系行星：海王星。
這一天，也成為了牛頓力學最為輝煌的一天。
01 天王星的軌道出了問題？
1687年，牛頓撰寫的《自然哲學的數學原理》出版了，牛頓力學從此建立，無垠的星空仿佛一下子被照亮了。
牛頓力學有多厲害？到現在為止，以它為基礎的天文學的精度之高，是所有文理學科都無法匹敵的，我們甚至可以通過古書上出現的天象，來計算出準確的年代。
▲ 《竹書紀年》記載過：「懿王元年，天再旦於鄭」，天再旦就是天亮了兩次，這意味著發生了日全食，可以推算出日期是公元前899年4月21日。
自此之後，人們就一直熱衷於用太陽系中的行星軌道去驗證牛頓的假說。在那個年代，想要確認一顆行星很難，因為它們看起來和恆星、彗星一樣，都是一顆顆在天空中運動的亮點。
▲ 在牛頓之前，人們就發明瞭望遠鏡，圖為向威尼斯大侯爵介紹如何使用望遠鏡。
正因為如此，在1781年天王星被發現時，人們曾誤把它認成了一顆彗星。在反覆地觀測和計算，它的行星地位才被確認，在考慮了木星、土星等大行星對它的影響（天文學中稱為攝動）後，科學家給出了它的公轉軌道和周期。
但是，奇怪的事情隨後發生了，1800年後，天王星的運行速度先快後慢，逐漸偏離了人們預測的位置，到1845年時，它的偏離程度已經非常之大了——這對當時如日中天的牛頓力學，產生了不小的挑戰。
雖然有人也因此懷疑過牛頓力學的普適性，但大多數科學家還是想通過加入其它影響因素的方法，來解釋這個「錯誤」。有人把這歸罪於彗星的撞擊，但彗星根本不可能對這顆質量是地球14倍的大行星軌道產生如此大的影響；也有人認為這是天王星有一顆巨大的衛星在影響它，可是人們一直沒能觀測到這顆隱藏的衛星。
▲ 天王星的確有多達27顆的衛星，但這些衛星都非常小，最大的一顆也沒有月亮的一半大。圖為天王星行星環中的衛星群。
在各種猜測中，未知行星的假說逐漸脫穎而出：會不會在天王星外面，還有一顆行星呢？加入了外圍行星的攝動，一切就都說得通了。
但是，要發現這顆潛在行星的難度相當之大：它離太陽更遠，更黯淡，在那個恆星星圖尚不完善的年代，如果光靠望遠鏡在天空中尋找，估計幾十年都找不到，而且就算發現了，也很可能被誤認為是一顆恆星。
▲ 十七世紀末的一張星圖，在這張星圖誕生的時候，牛頓的萬有引力定律尚未提出。
於是，人們又開始計劃通過攝動的效果反推出這個行星的位置，然後再觀察驗證。這種方法沒有固定的算法，它需要計算者不斷地進行假設，並根據觀察結果修訂假設，這個過程講起來容易，做起來卻比登天還難，當時的大部分科學家都認為這是無法做到的。
或許正因為此，發現海王星的桂冠，最終由兩位年輕的「小字輩」摘得了。
02 險些被錯過的海王星
1846年的9月23日，柏林天文臺的約翰·加勒收到了一封來自於法國人勒威烈的來信，信中如此寫到：「把您的望遠鏡指向寶瓶座......在這個位置1度的範圍內，定能找到新的行星。」
加勒跟勒威烈關係很好，1年前，他還曾把自己的博士論文寄給勒威烈讓他幫忙審閱。由于勒威烈的信裡沒有寫計算過程，所以加勒對新行星的預測也將信將疑，不過看在朋友的份上，當天晚上他還是帶上正在天文臺讀博的德萊斯特，打開瞭望遠鏡開始觀測。
▲ 約翰·格弗裡恩·加勒，按照勒維烈的預測發現了海王星。
幸運的是，德萊斯特剛好完成了對於新行星出現區域天區的星圖繪製，兩個人一顆一顆地排查鏡頭中出現的星星，不過半個小時就在距離勒維烈預測位置區域0.6度的地方發現了一顆星圖上不存在的星星，但尚不能確認這是否是一顆行星。
▲ 用肉眼觀星，行星可能只是一個更亮的點，比如圖中心略微發紅的火星，但在望遠鏡裡，行星會呈現一個圓面，而恆星還是一個點。加勒在第一次觀測到海王星的時候，因為距離太遠，甚至沒有看出圓面，所以不能確定是否是行星。
第二天一入夜，兩人立刻又去觀測那片天區，發現這顆新星已經向西發生了微小的移動，毫無疑問，走得這麼快的，只可能是太陽系裡的新行星！
柏林天文臺在9月23日發現新行星的消息迅速傳遍了世界，勒威烈也就此名聲大噪，與此相對比的是，在此之前，勒威烈其實已經就新行星的預測向巴黎科學院發送了三篇論文，但全部石沉大海，這才把驗證預測的機會留給了德國，而不是法國。
▲奧本·尚·約瑟夫·勒維烈，作為海王星的發現者，他是名字被刻在艾菲爾鐵塔的七十二位法國科學家與工程師其中一位。
與此同時，人們才發現另一位年輕的英國天文學家亞當斯其實早在1845年的9月，就算出了這顆星的位置，但他的資歷太淺，沒有人願意認真對待這份預測，所以一直拖到第二年7月，才在沒有可靠星圖的情況下，零零碎碎地觀測了一個多月，結果一無所獲。
▲ 約翰·柯西·亞當斯，海王星的聯合發現者，他所在的劍橋大學還設立了亞當斯獎，用於表彰在數學領域做出突出貢獻的英國數學家。
經過英法間一番關於「誰先發現新行星」的爭論後，天文學界最終認定是兩個人都是它的發現者，勒威烈為它起的名字「Neptune」（納普頓，希臘神話中的海神，中文譯名海王星）也一直沿用至今。
我們現在知道，海王星是一顆非常漂亮的藍色星球，這是因為它大氣中所含的甲烷吸收了紅色光線。但人們在剛發現它的時候，還看不到它的顏色，所以海王的名字和它的顏色完全沒有關係。
1989年8月25日，人類的飛行器旅行者2號第一次，也是迄今為止唯一一次飛躍海王星，我們才得以近距離一睹它的芳容。
▲ 藝術家筆下旅行者2號越過土星時的場景。
海王星上有著太陽系裡最猛烈的風暴，最高風速可達每小時2100千米，這幾乎是聲音傳播速度的兩倍，而且這些風吹得並不全是氣體，因為海王星大氣表層的溫度只有零下214多攝氏度，此時的甲烷，已經是固態的「冰」晶了。
▲ 旅行者2號拍攝到的海王星大黑斑和小黑斑，這些都是海王星上的巨型風暴，但這些風暴如今已經平息，只持續了幾十年，這與木星大紅斑幾百年的壽命無法比擬。
如此強大的風暴，光靠微弱的太陽光是驅動不了的，因此，人們認定海王星應該擁有一顆比地球略大的、由巖石和「冰」組成的炙熱核心。這裡的溫度高達5000度，幾乎和太陽表面一樣熱，壓力有700萬個大氣壓，在這種環境下的「冰」並不是固態水，而是處在一種氧原子組成晶格、氫原子在其中流動的，看上去是固態的超離子狀態。
▲ 海王星的結構：內層的「固態」核，水、氨、甲烷組成名為「水-氨大洋」的熱流體地幔，氫、氮和甲烷組成的大氣。
旅行者2號在經過海王星時，還發現了它的三個環，人們於是用「亞當斯」、「勒威烈」和「加勒」為它們命名，以紀念這三位海王星的發現功臣。
03 輝煌過後，是什麼？
牛頓力學的成名，在於它能夠預測未被觀測到的天體。牛頓的朋友哈雷經過精密的計算，在1705年的時候就預測一顆彗星會在1758年會回歸。當時哈雷已經49歲了，牛頓力學的反對者們因此嘲笑他說：「哈雷的年齡為他的預言保了險，請問53年後如果彗星不出現，我們上哪兒去詰問他本人呢？」
▲ 1986年回歸的哈雷彗星，它的下一次回歸是2061年。
最終，反對者都被現實打了臉，彗星於1758年如約而至，人們為了紀念哈雷發現了這顆彗星的周期性，而把它命名為哈雷彗星。
到了18世紀末，對於牛頓力學的質疑聲音已經很小了，天王星軌道的「危機」成為了反對者們最後的稻草，但事實卻書寫出牛頓力學史上最為輝煌的篇章。
▲ 牛頓的《自然哲學的數學原理》，幾乎就是那個時代的聖經。
不過，想參透宇宙運行的規律，才沒有那麼簡單，牛頓力學也不是一把萬能鑰匙。
勒威烈在成功發現了海王星後，又觀測到了水星軌道的異常——水星的近日點的位置按照牛頓力學計算，每百年會變化1°33'20''（科學名為進動值），但實際觀測結果卻是1°32'37''，這個43''的差距雖然很微小，但已經是無法被忽視的誤差了。
勒威烈驚喜地認為，歷史又給了他一次發現行星的機會。有了海王星的經驗，他很快就計算出了一顆水星軌道內行星的位置，並將它命名為「火神星」。1877年3月22日，人們紛紛把望遠鏡對準了勒威烈給出的「火神星」將要出現的位置，卻什麼都沒有發現。
▲ 一張1846年太陽系示意圖上的火神星（VULCAN）。
直到1915年愛因斯坦提出廣義相對論之前，火神星一直都是牛頓力學上空一朵揮之不去的烏雲。根據廣義相對論，人們很輕鬆地計算出了與實際相符的水星進動值，這多出的43''，是太陽周圍空間彎曲所造成的。牛頓力學就此「跌」下王座，成為了廣義相對論的一種特例。
▲ 愛因斯坦廣義相對論預測的現象：右側藍色的環是一個遙遠的星系，由於巨大的前景發光紅色星系的強引力被放大並扭曲成幾乎完整的環。
如今位於神壇之上的廣義相對論，就是完美的麼？當然不是，無論是黑洞的中心奇點，還是宇宙大爆炸前的初始狀態，廣義相對論都無法解釋，因為它與描述微觀狀態的量子力學無法兼容。
沒有人知道，下一個理論的輝煌時刻何時會到來，但它終會到來。