自古以來，人類對於宇宙的探索就從來沒有停止。就拿人類對太陽系的探索而言，早在遠古時期，我們就已經知道了太陽系的主要行星——水星、金星、火星、木星和土星的存在，古希臘天文學家托勒密提出的“地心說”就認為：太陽和“金木水火土”這五顆行星圍繞地球旋轉。到了15世紀，天文學家哥白尼提出了著名的“日心說”理論：水星、金星、地球、火星、木星和土星圍繞太陽旋轉。
上圖_ “日心說”（左）和“地心說”（右）
從日心說的誕生到18世紀工業革命時期，天文學界形成了一個共識：太陽系只有6顆行星：“金木水火土”和地球，但天文學家並沒有停止對太陽系其他行星的探索。雖然18世紀和19世紀，人類還沒有研發出深空宇宙探測器，但人類的科學家就在18世紀和19世紀這個工業革命蓬勃起步的時代裡，以自己的智慧發現了天王星和海王星的蹤跡。
那麼，在沒有深空探測器，工業革命又取得快速發展的18和19世紀，科學家是如何找到天王星和海王星的蹤跡呢？
上圖_ 紅外線下的天王星照片
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人類如何發現天王星？
第一，在英國天文學家威廉赫歇爾之前，其他國家的科學家就已經發現了天王星的蹤跡。只不過，這些科學家認為天王星是恆星而不是行星。雖然這些科學家對天王星的認識和實際情況（天王星為太陽系第七大行星）相差較大，但這些科學家的發現為後來威廉赫歇爾探索天王星的性質埋下了伏筆。
早在威廉赫歇爾之前，其他科學家就已經發現了天王星的蹤跡。1690年，天文學家弗蘭斯蒂德在望遠鏡中發現了天王星，由於觀測手段有限，弗蘭斯蒂德認為天王星是金牛座的恆星。1750年到1759年，法國天文學家ierreLemonnier在1750至1769年對天王星的蹤跡進行了至少12次觀測。雖然這些天文學家沒有確認天王星是太陽系的第七大行星，但他們卻為赫歇爾對天王星的觀測埋下了伏筆，提供了相對客觀的線索和參考資料。有了其他天文學家多天王星的探索，威廉赫歇爾就能沿著前輩的足跡探索天王星的奧秘。
上圖_ 弗里德里希·威廉·赫歇爾（1738年11月15日—1822年8月25日），英國天文學家
第二，威廉赫歇爾本人對天王星進行了長期的觀測和探索，但他對天王星的認識存在一個由淺入深的過程，中間經歷了多次的糾正。
1781年3月13日，威廉赫歇爾觀測到了天王星。1781年4月26日，赫歇爾在最早的一份報告中認為，他天王星可能是“彗星”。他還在學報中記錄“在金牛座Zeta星90度的位置，有一個星雲一樣的恆星或彗星。”即便赫歇爾將報告提交給英國的皇家學會，赫歇爾仍然在公開場合認為，自己發現的天王星是彗星，而非行星。
赫歇爾發現“彗星”的訊息被英國天文學家馬斯基林知曉，赫歇爾告訴馬斯基林，自己發現了“彗星”，但馬斯基林卻在回信中以嚴謹的口氣對赫歇爾說：“我不知道該怎麼稱呼它（天王星），它在圓形的軌道上移動，而彗星是在橢圓形的軌道上移動的，我也沒有發現它的彗發和彗尾。”馬斯基林希望赫歇爾能夠以對科學嚴謹的態度論述自己的發現。
上圖_ 馬斯基林（Maskelyne,Nevil）英國天文學家
除了馬斯基林，歐洲其他國家的天文學家也紛紛質疑赫歇爾認定天王星是彗星的結論。芬蘭天文學家萊克賽爾認為，這顆新發現的行星距離太陽的距離是地球到太陽距離的18倍。德國天文學家約翰·伯得認為，赫歇爾發現的天體有點像恆星，但其很有可能是沒有被發現的行星。
到了1783年，法國天文學家拉普拉斯經過觀測認為，赫歇爾發現的新星球為行星。赫歇爾向英國皇家學會主席班克斯承認，自己發現的是太陽系中之前不為大家知曉的新行星。
上圖_ 紅外線下的海王星
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天文學家如何發現海王星？
第一，必須指出的是，海王星的發現離不開牛頓萬有引力定律的指導。法國天文學家布瓦爾正是透過萬有引力定律，對天王星實際軌道和數學計算軌道的誤差進行大膽的猜測求證，認為天王星外側的宇宙空間還有一顆體型巨大的行星，以引力干擾天王星的公轉，為海王星的發現埋下了伏筆。
牛頓是英國近代的著名物理學家，他提出的很多物理學理論改變了人類對運動的認識。1687年，牛頓在《自然哲學的數學原理》提出萬有引力定律，牛頓指出：任何物體之間都存在引力。牛頓的萬有引力定律誕生之後，科學家遵循萬有引力定律展開了一系列的科學探索和試驗。而海王星的發現就是牛頓萬有引力定律在天文學方面的一次成功運用。
上圖_ 艾薩克·牛頓（1643年1月4日—1727年3月31日），英國著名的物理學家
1821年，法國天文學家布瓦爾出版了天王星的軌道表。按照科學家的嚴謹，經過數學公式計算和觀測測算出來的天王星軌道引數是沒有問題的。但實際上，布瓦爾透過自己的觀測發現了一個秘密：天王星的公轉軌道和布瓦爾測算出的理論軌道有一定差距，這就讓布瓦爾百思不得其解，難道天王星受到了附近某個星球的引力影響，導致其公轉的軌道和計算出來的軌道有一定差距？這顆星球是否為人類沒有發現的太陽系新行星？
正是布瓦爾發現的天王星公轉軌道的異常，讓天文學家對天王星軌道異常背後更深的科學道理進行探索，為天文學家發現海王星的蹤跡埋下了伏筆。
上圖_ 約翰·柯西·亞當斯，英國天文學家
第二，英國天文學家亞當斯繼布瓦爾之後繼續探索太陽系可能存在的第八顆行星的軌道，逐漸拉開了多國天文學家聯合發現海王星蹤跡的序幕。海王星的發現是多國天文學家共同努力的功勞。
到了1843年，英國天文學家亞當斯透過計算，算出了可能影響天王星公轉的太陽系第八顆行星的軌道，亞當斯將計算結果告訴了英國皇家學會的天文學家喬治艾裡。喬治艾裡想詢問有關新行星軌道的問題，但亞當斯沒有回覆喬治艾利的疑問。
與此同時，英國天文學家約翰·赫歇爾（和發現天王星的赫歇爾並非同一人）以數學的方法不斷的搜尋新行星的蹤跡，法國天文學家勒威耶讓在柏林天文臺工作的德國天文學家約翰·格弗裡恩·加勒對新行星的蹤跡進行探索。最終，德國天文學家達赫斯特和加勒一起，發現了海王星的蹤跡。
當然，海王星的發現還是歸功於法國天文學家布瓦爾對天文學軌道的計算和研究，如果沒有他發現天王星的軌道出現異常，也就不會有後來各國天文學家以不同的方式計算海王星的軌道，最終找到海王星。
上圖_ 海王星及其衛星影像
總而言之，在沒有深空探測器和宇宙飛船的18世紀和19世紀，正是天文學家對已有科學知識的總結，大膽的觀測，不斷地計算資料和糾正結論，讓天文學家對天王星和海王星有了相對初步和而全面的認識，各國天文學家在發現天王星和海王星這兩顆行星中所體現出的對科學追求永無止境的探索精神值得我們當代人學習踐行。
參考資料：
【1】《基礎天文學》劉學富 高等教育出版社
【2】《行星》 斯帕羅（英）江西人民出版社
（本文僅代表作者觀點，不代表本號立場）
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