一个坐在巴黎书桌前的人怎么可能借助数学“看到”宇宙呢？这就好比蒙着眼睛的天文学家用夫琅和费望远镜发现了彗星一样。但是奇迹就是奇迹，勒维耶的行星就在漆黑的太空深处若隐若现，而且就在他预测的那个位置。

成功的假说不仅能够解释已经观察到的现象，还应该能够预测尚未观察到的现象。

——威廉·胡威立(William Whewell)[5]

我从小就相信妹妹来自海王星，她是被派到地球上来杀我的。

——佐伊·丹斯切尔(Zooey Deschanel)

1846年9月23日，柏林

经过将近一个小时的搜索，他们二人的动作早已经进入了某种机械状态。透过巨大的黄铜折射望远镜，约翰·伽勒(Johann Galle)眯起眼睛盯着晴朗的夜空，不断调整着望远镜的控制装置，每当十字准线瞄准一颗星星时，他就会大声喊出它的坐标。年轻的助手海因里希·德瑞斯特(Heinrich d'Arrest)坐在天文台圆顶屋石头地板对面的一张木桌旁，借助一盏昏暗的油灯，用手指在星图上寻找对应坐标的位置，然后大声回答道：“有这颗星星。”就这样，伽勒不停地转动着铜钮，瞄准着天空中一颗又一颗星星，德瑞斯特则在星图上一一搜寻核对。那个夜晚寒气逼人，伽勒的脖子已经僵硬抽筋，他开始怀疑他们这是在浪费时间。

那天下午，伽勒出现在柏林天文台(Berlin Observatory)台长约翰·弗朗茨·恩克(Johann Franz Encke)的办公室门口，提出要使用22厘米折射望远镜。恩克确信伽勒是在浪费时间，但是，因为那天晚上他要留在家里庆祝自己55岁的生日，用不到望远镜，所以勉强答应了伽勒的请求。

德瑞斯特是一名天文学专业的学生，为了获得更多的实际操作经验，平时就住在天文台附近。他无意间听到了伽勒和恩克的谈话，当即请求做伽勒的助手。于是在1846年9月23日，这样一个万里无云的夜晚，伽勒和德瑞斯特用当时世界上同类仪器中最先进的仪器之一——由时钟驱动的夫琅和费望远镜(Fraunhofer telescope)——开始扫视天空。

在柏林的煤气灯刚熄灭、城市陷入黑暗之后，二人就开始了搜寻工作。现在已接近午夜时分，伽勒的思绪已转到他和他妻子躺过的温暖的**了。伽勒将十字准线又瞄准了一颗星星，然后报出了坐标。在等待德瑞斯特回应时，伽勒心中在想，要是明天早上告诉恩克什么都没找到，那该有多么荒唐可笑。但德瑞斯特迟迟没有回应，伽勒很纳闷地想，这家伙在做什么呢？

椅子碰撞地板的声音把伽勒吓了一大跳，他回头一看，只见在油灯的映射下，一个黑影向他冲了过来。德瑞斯特癫狂地挥动着手里的星图，虽然光线太暗，伽勒看不清德瑞斯特的表情，但他一辈子都不会忘记当时德瑞斯特大声喊叫的内容：“那颗星星不在星图上!星图上没有那颗星星!”

1846年9月18日，巴黎

9月23日，在一封寄到柏林天文台的信中，有人建议伽勒寻找一颗星图上没有的星星，这个人就是巴黎综合理工学院(the Ecole Polytechnique in Paris)的天文学家奥本·勒维耶(Urbain Le Verrier)。勒维耶对从冷气森森的望远镜圆顶屋观察天体不感兴趣，他更喜欢坐在办公桌旁，用牛顿引力定律计算天体的轨道，并将其与现有的观测结果进行比较。在不停地比较中，让勒维耶魂牵梦绕、寝食难安的是一颗似乎打破了所有规则的行星——天王星。

天王星是由德国汉诺威的一位音乐家发现的。1757年，年仅19岁的威廉·赫歇尔(William Herschel)和他的妹妹卡洛琳(Caroline)一起搬到了英格兰西部的巴斯(Bath)。这是一座有着温泉的美丽小镇，罗马人最先对其进行了开发。赫歇尔找到了一份在教堂演奏风琴的工作，但他真正热爱的还是天文学。赫歇尔在自家花园里建造的望远镜是当时最好的望远镜之一。那是在1781年3月13日，当赫歇尔用这个望远镜扫视夜空时，一颗模糊的星星突然出现在目镜中。起初，赫歇尔认为这是一颗彗星，但它与彗星不同，它没有缥缈的彗尾。不仅如此，赫歇尔在随后的夜晚观察到，在它掠过双子座(Gemini)期间，是按行星的近圆形轨道运行的，并没有按彗星那种拉得很长的椭圆形轨道运行。

于是，赫歇尔发现了望远镜时代的第一颗新行星，第一个古代天文学家未知的世界。纵观历史记载，行星的数量一直都是6颗，难以相信，居然有人发现了第7颗。赫歇尔的发现理所当然地引起了国际轰动，这也使他一跃成为科学界的超级巨星。

作为移民，赫歇尔最大的愿望就是能得到移居国的认可，因此他想以英国国王乔治三世的名字，将这颗新行星命名为“乔治”(实际上，他命名的名字是“乔治之星”， George's star)。不出意外，法国天文学家反对用英国国王的名字命名一颗行星，建议将其命名为“赫歇尔”。为了避免冲突，天文学家约翰·波得(Johann Bode)建议以乌拉诺斯(Uranus)命名，即“天王星”。乌拉诺斯是希腊神话中克洛诺斯(古希腊语：Κρ?νο?；英文：Saturn)的父亲，之后，这个名字被沿用了下来(否则，几大行星按照离太阳的距离从近到远依次排序，可能就是这样了：水星、金星、地球、火星、木星、土星和……乔治)。

实际上，英国天文学家约翰·弗拉姆斯特德(John Flamsteed)在大约一个世纪之前(即1690年)就曾看到过天王星，但他错误地认为那是一颗恒星，将其归到金牛座(Tauri)下，并命名为“金牛座34”，也就是在金牛座中发现的第34颗恒星。弗拉姆斯特德的历史记录补充了这颗新行星的观测资料，因此，到19世纪初，人们已经对天王星的轨道有了足够多的了解，可以将其与牛顿的万有引力定律所预测的轨道相比较。但是通过比较，人们发现，这颗行星的轨道有点不太正常。

无论如何预测天王星的轨道，它都会在接下来的几个月里偏离计算的轨道。没有人怀疑牛顿定律可能存在错误，因为牛顿万有引力定律的全面、强大，在人们的心目中等同上帝的圣言。人们怀疑是因为有一颗离太阳更远的未知行星牵引着天王星，所以它才不断地偏离计算轨道。因此，找到这颗未知行星是一件非常诱人的事，勒维耶无法抗拒这种挑战的**。于是，他坐在巴黎综合理工学院自己的办公桌前，根据观测到的天王星偏离正常轨道的数据，着手推断这颗未知行星在夜空中的确切位置。

太阳占据了太阳系质量的99.8%，所以可以肯定，行星的运行主要受到太阳引力的影响。然而，牛顿的引力定律是一个普遍适用的定律，这意味着在任意两个天体之间都存在引力作用。因此，行星不仅受太阳引力的影响，也受到其他所有行星引力的影响。为了确保计算结果准确，勒维耶需要先减去已知行星的影响，尤其是两颗最大的行星：木星和土星。

计算过程复杂且费时，每个步骤都必须进行反复检查，一个小小的失误就可能使整个计算结果作废，导致前功尽弃。但这不是勒维耶面临的唯一难题，更难的是，理论上无法区分靠近天王星的小质量行星的引力与远离天王星的大质量行星的引力之间的不同。因此，为了确定假想行星的轨道，勒维耶不得不靠猜测来确定这颗未知行星的质量和它与太阳的间距[1]。这是一项艰巨的任务，除了要投入全部的工作时间，有时夜晚的休息时间也被占用了，最终，勒维耶成功了。他不仅推导出了假想行星的轨道，而且更重要的是，他推断出了应该用望远镜在夜空中的什么位置去搜寻这颗星体：介于摩羯座(Capricorn)和水瓶座(Aquarius)之间。

勒维耶心中充满自信，但当他坐在铺满纸的桌前，拿着羽毛笔，审视着那些密密麻麻的公式时，还是难以抑制地感到一阵紧张。能有幸洞悉世界上没有人知道或理解的东西，自然有一种令人兴奋的权威感，但万一错了呢？如果对了，那他就是神；如果错了，岂不被别人讥笑为傻瓜？面前的方程描述的结论怎么可能就是现实呢？勒维耶没有被自我怀疑吓倒，很快就恢复了镇静。眼下只有一件事情要做，那就是通知做观测研究的天文学家。

勒维耶向时任巴黎天文台(Paris Observatory)台长的弗朗索瓦·阿拉戈(Francois Arago)报告了新行星的位置，而阿拉戈明确表示，他有充分的理由相信寻找新行星并不是当务之急。现在，包括巴黎国家天文台在内的天文单位，首要任务是制作用于导航的行星和恒星的位置图。单这项工作就需要很多人进行漫长而艰苦的观测，阿拉戈当然不愿意浪费宝贵的时间去寻找一颗存在性十分渺茫的行星。显然，对于以傲慢和难以相处著称的勒维耶来说，阿拉戈的话并不能打消他的念头。

对处于北半球的人来说，11月之后就看不到摩羯座和水瓶座了，所以必须尽快开始寻找这颗新行星。有一段时间，勒维耶还很有耐心，但是等来等去，也不见阿拉戈那边有任何松口的迹象，失望不免与日俱增。不过，勒维耶已经开始尝试其他方法了，他将一篇描述这一预测的论文寄给了德国《天文学》(Astronomische Nachrichten)杂志的编辑，在和论文一起寄给海因里希·舒马赫(Heinrich Schumacher)的投稿信中，勒维耶表达了自己的失望——没有法国天文学家愿意寻找这颗行星。舒马赫对此表示同情，并在回信中提出了一个建议：为什么不联系一下其他拥有先进望远镜的天文学家呢？勒维耶立刻想到了两个人，一个是德国的弗里德里希·斯特鲁夫(Friedrich Struve)，另一个是爱尔兰比尔城堡的罗斯伯爵三世(Erd Earl of Rosse)。罗斯伯爵设计并制造的利维坦(Leviathan)是当时世界上最大的望远镜，配有直径达72英寸(约1.8米)的镜面。勒维耶原本可以联系这两个人，但他想起一年前曾经收到过一位年轻天文学家从柏林天文台寄来的信。

约翰·伽勒是一个职级较低的助理天文学家，这一点特别吸引勒维耶。他觉得柏林天文台的台长约翰·弗朗茨·恩克会像巴黎天文台的台长弗朗索瓦·阿拉戈一样，不愿意花力气去寻找一颗新行星，但伽勒可能渴望成名。所以，勒维耶在想，绕过恩克直接联系这位年轻的天文学家效果可能会更好。伽勒会做出积极回应，还是会让他再一次失望，只有试着向他发出请求才知道。

唯一的问题是，这位法国天文学家并未回复伽勒一年前的来信以及随信所附的一篇论文，而现在却需要他的帮助，这真是令人尴尬。然而，说一些奉承的话也许可以化解尴尬，所以在请求伽勒帮助寻找新行星之前，勒维耶写了一些露骨的、姗姗来迟的溢美之词，称赞伽勒的论文完美清晰、工整严谨。1846年9月18日，勒维耶将信寄出，其中包含了对新行星所在位置的粗略估计。

1846年9月24日，柏林

拂晓时分，三个人终于聚集在柏林天文台圆顶屋的夫琅和费望远镜前。不久之前，德瑞斯特一路小跑到天文台台长恩克的家，把庆生宴会之后醉得脚步踉跄的恩克拽上了山。三个人努力保持镇静，轮流透过目镜仔细观察，直到确认无误。伽勒和德瑞斯特看到的天体肯定不在星图上，原因显而易见：那根本就不是一颗恒星。由于与地球的距离太过遥远，无论望远镜的放大倍率有多高，看到的恒星都是光点；但这个天体并非光点，而是一个发光的微小圆盘。他们找到了!他们发现了勒维耶的行星!

伽勒简直不敢相信刚过去的半天里发生的事情。就在昨天，他用小刀拆开一封看起来很普通的、来自法国的信件时，丝毫没有想到这会永远改变他的生活。伽勒立刻认出了勒维耶的名字，他本来可以选择向这个法国人实施报复，把信丢进桌上的文件堆里，对其置之不理，但勒维耶的请求激起了他的兴趣。

信中预测了一颗新行星的存在和位置，虽然伽勒知道这样的预测一般来说都是荒谬的，然而，信中有些话使他不能置之不理。“我想找一位坚持不懈的观察者，”勒维耶写道，“他愿意花些时间观察可能发现新行星的那部分天空。”伽勒决定成为那个坚持不懈的观察者。

即使那颗行星真的存在，伽勒也没指望会发现什么。这怎么可能呢，一个坐在巴黎书桌前的人怎么可能借助数学“看到”宇宙呢？这就好比蒙着眼睛的天文学家用夫琅和费望远镜发现了彗星一样。但是奇迹就是奇迹，勒维耶的行星就在漆黑的太空深处若隐若现，而且就在他预测的那个位置。

自太阳系诞生以来，这颗行星就在天王星的轨道之外极度深寒的黑暗中，绕着太阳静悄悄地运行，直到1小时前，还没有人目睹过它的存在。此刻，地球上也只有伽勒他们三人看见了这颗未命名的行星。然而，很快，世界上的每个人都将知晓它的大名——海王星。

1846年9月29日，巴黎

几天后，勒维耶在巴黎拆开了一封来自柏林写于1846年9月24日的信。“先生，”他读道，“在您指出的那个位置上，确实存在一颗行星。”

伽勒找到了他预测的行星!勒维耶欣喜若狂，一颗悬着的心终于放下了。勒维耶虽然做出了预测，但也曾有过疑虑，毕竟他也是普通人。勒维耶把自己的声誉押在了神秘的数学上，其结果要看造物主的安排。造物主既可以选择支持他，也可以轻易否定他。和别人谈论这个预测时，他看上去信心满满，但只有他本人知道自己是有多么虚张声势。

10月1日，勒维耶给伽勒写了回信。在信中，勒维耶向这位德国天文学家表示感谢，并声称伽勒是唯一认真对待他请求的人。勒维耶写道：“多亏了你，我们拥有了一个新世界。”

曾经，天王星的发现引起了轰动，因为天王星到太阳的距离是土星到太阳的1倍，也就是说，赫歇尔一夜之间就让太阳系的大小扩大了1倍。但发现海王星是一种完全不同的感觉，天王星是赫歇尔偶然发现的，而海王星的存在、位置，甚至大小都是勒维耶用笔在纸上计算出来的。

法国天文学家卡米尔·弗拉马里翁(Camille Flammarion)写道：“勒维耶没有离开他的书房，甚至没有看一眼天空，仅仅通过数学计算就发现了这颗未知的行星，可以说，他用笔尖触碰到了这颗行星!”[6]

弗拉马里翁认识到，能用桌子上的纸和笔发现现实世界中存在的东西是见所未见的新鲜事。苏格兰天文学家约翰·普林格·尼科尔(John Pringle Nichol)写道：“人类在冒险精神驱使下进行的理论猜想，能够得到如此非凡的验证，这在整个人类的观察历史中都是绝无仅有的!”[7]

海王星的发现不仅是勒维耶的胜利，更是艾萨克·牛顿和他在两个世纪前提出的万有引力定律的胜利。牛顿定律不仅解释了已知的东西，还预测了未知的东西。

勒维耶以无比震撼的方式展示了科学的核心魔力——科学惊人的预测能力：能够预测那些人类从未想象到的事物，而这些事物都能在现实世界中被发现。让人难以置信的是，涂写在纸上的数学方程竟然可以如此完美地描绘现实世界，而且确实奇迹般地被证实了。勒维耶用抽象的公式在现实世界里找到了一个真实的物体，而世界历史上从未有人取得过类似的成就。勒维耶当数首屈一指的“魔术师”。

海王星的发现引发了法国和英国之间激烈的优先权争夺战，因为一位英国的数学家也曾利用天王星的异常运动预测过这颗新行星的位置，他就是来自英格兰康沃尔郡患有自闭症的数学天才约翰·库奇·亚当斯(John Couch Adams)。1841年，亚当斯还在剑桥大学上学时，就开始着手推断夜空中这颗新行星的位置，以便解释天王星轨道的异常。亚当斯总共花了4年的时间进行计算，在1845年，他把结果交给了乔治·比德尔·艾里爵士(Sir George Biddell Airy)。艾里是皇家天文学家(Astronomer Royal)，同时也是在格林尼治的皇家天文台(The Royal Observatory)的台长。不幸的是，亚当斯的请求也像在法国的勒维耶一样被漠视了。当艾里最终注意到亚当斯的预测时，他并没有公开亚当斯的预测，也没有直接授权亚当斯使用格林尼治天文台的望远镜进行搜寻，而是将消息转给了当时，查利斯刚刚接替艾里成为天文台台长的继任者乔治·查利斯(George Challis)。

查利斯立刻发现，亚当斯所谓的预测并没有在天空中指向一个精确的位置，而是可能发现这颗假想行星的一大片天空。如果用剑桥大学天文台的中天望远镜(Transit telescope)对这一大片天空进行全面搜索的话，需要近百次的观察，每一次观察都要持续几个小时。查利斯预计整个搜寻过程需要大约300小时，他耽搁了一段时间才开始观察。当终于开始搜寻时，查利斯两次记录下了海王星，却没能辨认出它。现在再怎么说都为时已晚，因为柏林的伽勒已经首先发现了这颗新行星。

这件事让艾里和查利斯非常尴尬，因为他们在伽勒收到勒维耶的预测之前，就已经从亚当斯那里收到过关于这颗新行星位置的预测了。更糟糕的是，当初他们对亚当斯的预测守口如瓶，也许就是为了确保剑桥大学获得发现新行星的荣耀。然而，亚当斯的计算结果并没有公开发表过的事实，让法国人怀疑英国人是否曾经做出过这样的预测。

海王星命名优先权的国际争端漫长而激烈，但值得称道的是亚当斯和勒维耶都没有参与其中。也许是因为欣赏对方的数学魔法，并且都遭遇过类似的冷遇，两人首次在英格兰相识后，便结下了深厚的友谊。时至今日，人们大多把海王星的发现归功于勒维耶和亚当斯的共同努力。

成功预测了海王星的存在之后，勒维耶在科学界声名鹊起，并在1854年成为巴黎天文台台长。但在这之后，他取得任何成就所获得的兴奋感都无法与奇迹般地揭开太阳系边缘一个未知世界时获得的相提并论。受到国王的追捧、被科学家们尊为神、名望和奉承，使勒维耶陶醉，他渴望再次拥有那种感觉。于是，勒维耶将研究方向从外太阳系转向了内太阳系。

勒维耶的目标是彻底解析这些行星的轨道：水星、金星、地球和火星。如果他能成功做到这一点的话，那么也许，仅仅是也许，一个与天王星轨道异常类似的天文现象将又会是引人注目的发现。出乎意料地，这种异常现象确实存在，而且与最靠内的这颗行星有关。即使考虑到其他行星对水星的引力作用，这颗行星的轨道仍然与理论预期的轨道有偏差。

勒维耶确信，有一颗行星比水星更接近太阳，1860年2月，这颗行星有了名字。行星一般以古希腊神的名字命名，因为这颗新行星永远逃不出太阳的炙烤，所以用希腊众神之家奥林匹斯山的锻造之王——火神伏尔甘(Vulcan)的名字来命名似乎再恰当不过了。

在将近半个世纪的时间里，天文学家们一直热衷于寻找火神星。随着时间的推移，火神星渐渐失宠了，因为人们什么都没找到。但水星的反常运动依然存在，没有人相信这种现象背后的真相是：牛顿关于引力的看法并不完全正确。这实在是太难以置信、太匪夷所思了。一直到1915年，阿尔伯特·爱因斯坦提出了一种更好的引力理论——广义相对论(general theory of relativity)——取代了牛顿的理论，牛顿不正确的想法才不再匪夷所思。

尽管对火神星的研究走入了死胡同，但对海王星的绝对没有。勒维耶展示了如何利用牛顿的万有引力定律来预测未知的东西，绘制了未知世界的地图。

在20世纪的前几十年里，有一种观点认为，海王星的轨道就像天王星的一样受到扰动。事实证明，这不是真的。尽管如此，类似的观点还是引发了对距离太阳更远的“X行星”的搜索，并在1930年2月18日冥王星被发现时达到了顶点。这是唯一被来自牛津的11岁的孩子威妮夏·伯尼(Venetia Burney)命名的行星。[8]

冥王星太小了，甚至比地球的卫星(月亮)还小，因此对海王星的运动不造成影响。在20世纪末，人们在海王星轨道外发现了45.5亿年前太阳系形成时留下的冰冷的建筑垃圾柯伊伯带(Kuiper Belt)，冥王星实际上是柯伊伯带中成千上万个在海王星轨道之外、环绕太阳运行的天体之一。因此，国际天文学联合会(International Astronomical Union)于2006年8月将冥王星从行星降级为矮行星(dwarf planet)。

但是，牛顿的万有引力定律似乎还有能力揭示太阳系中的未知天体。2016年初，帕萨迪纳市加州理工学院的两位天文学家指出，至少有6个柯伊伯带天体存在轨道异常。迈克·布朗(Mike Brown)和康斯坦丁·巴蒂金(Konstantin Batygin)声称，这些天体的异常运动是受太阳系外侧的一颗围绕太阳运行的未知行星牵引造成的。[9]与冥王星那样的小行星(asteroid)不同，这颗行星的质量大约是地球的10倍。

布朗和巴蒂金宣称，行星九的轨道距离太阳的平均距离大约是海王星的20倍。由于行星反射太阳光，因此这颗未知行星一定非常暗淡，很难被找到。但是许多天文学家渴望成为新的约翰·伽勒，于是积极寻找行星九。

然而，由勒维耶和亚当斯开创的这项技术的真正成功之处在于，能够探测遥远的系外行星(exoplanets)——通过探测行星的引力拖曳引起的恒星的反常运动，从而发现未知的系外行星。1995年发现的飞马座51b(51 Pegasi b)是第一颗在太阳系以外的普通恒星周围被发现的行星，现在已知的系外行星有4000余颗，而且数量在以越来越快的速度增长。

牛顿万有引力定律揭示的最重要的未知事物是暗物质(dark matter)。尽管暗物质的概念是20世纪30年代由瑞士裔美国人弗里茨·兹维基(Fritz Zwicky)和荷兰人詹·奥特(Jan Oort)首先提出的，但确认其存在的是在华盛顿卡内基研究所(Carnegie Institution)地磁学系工作的两位天文学家。20世纪70年代末至80年代，薇拉·鲁滨(Vera Rubin)和肯特·福特(Kent Ford)发现，旋涡星系(spiral galaxies)外围区域的恒星围绕星系中心运行的速度太快，就像飞快旋转的旋转木马上的孩子一样，这些恒星本应被甩进星际空间。

天文学家解释了这一异常现象。他们认为，旋涡星系中的物质比我们能以恒星的形式看到的要多得多，而正是这种看不见的暗物质提供了额外的引力，牢牢地抓住了最外层的恒星。在整个宇宙中，暗物质的质量是可见恒星和星系的6倍。尽管有人估计，暗物质是未被发现的亚原子粒子或大爆炸遗留下来的木星质量(Jupiter-mass)大小的黑洞，但没有人知道其确切构成。要是你能弄清楚暗物质的身份，就会有诺贝尔大奖在斯德哥尔摩等着你。

[1]在猜测这颗假想行星与太阳的距离时，勒维耶用到了用来推论行星轨道半径的公式——提丢斯-波得定律(Titius-Bode law)。还没有科学依据来解释为什么行星会遵循这一定律。详见：http://demonstrations.wolfram.com/TitiusBodeLaw/。