冥王星降级冲击波
冥王星降级冲击波撰文 虞骏
原载于《环球科学》（科学美国人中文版）2006年10月号
导语：IAU决议明确了太阳系天体的分类标准，顺便把冥王星踢出了行星行列。事实上，天体降级早有先例，冥王星的行星“宝座”也早就岌岌可危，并不是一夜之间垮塌下来的。然而，今年这场行星“变法”，却在市井坊间引起了轩然大波，就连天文学界也被搅得不得安宁——300位天文学家联名请愿，公开抵制这份决议。什么原因导致冥王星降级？它的冲击力何以如此巨大？
捷克首都布拉格成了冥王星的伤心地。国际天文学联合会（简称IAU）的第26届大会，在天文学家喋喋不休的争吵声中落下帷幕，一同退出历史舞台的，还有冥王星那顶戴了76年的行星头衔。8月24日，天文学家在这里通过了充满争议的决议，为“行星”明确了定义，也给“太阳系九大行星”的常识画下了一个句号。但是由此带来的风波，却久久不能平息，不论是在天文学界，还是在市井坊间，IAU的权威都受到了前所未有的质疑和挑战。问题的关键就出在普通、而又不那么普通的“行星”身上。
“行星”这个词在中国早已有之，在古代又与“惑星”或“游星”同义，而在西方，行星（planet）的词源也可以追溯到古希腊时代，最初有“流浪者”之意。不论是东方还是西方，我们都可以从字面上，看出这个词最原始、最质朴的定义：它指的并不是天空中那些一成不变的、勾勒出固定星座图案的点点繁星，而是那些会在星空中不断游移的“星星”。
到底从什么时候开始，这个古老而简单的词语必须劳烦诸多天文学家出马，才能明确它的定义了呢？想要弄清这个问题的来龙去脉，我们还得先回到过去，看看太阳系天体的发现历程。
行星降级 早有先例
起初，人类仰望星空的唯一工具就是双眼。那时我们只能看见五颗明亮的行星。中国人称它们为金、木、水、火、土五星；在西方，人们则把它们当成巡游在天际的诸神，分别用美神维纳斯（Venus）、主神朱庇特（Jupiter）、信使墨丘利（Mercury）、战神玛尔斯（Mars）和农神萨杜恩（Saturn）来称呼它们。
最初我们以为自己所在的地球才是宇宙的中心。直到17世纪初，凭借对五颗行星运行规律的观察，波兰人哥白尼提出的“日心说”才逐渐占据了上风。不论在科学上还是在历史上，“日心说”的胜利都意义重大，也悄无声息地改变着“行星”的概念：行星不再是夜空中四处游移的星点，而是像地球一样围绕着太阳公转的天体。
这样，行星队伍迎来了第一次扩充——它把我们脚下的地球，从宇宙的中心降成了一颗普通行星。如此一来，太阳系就由六颗行星组成，按照它们与太阳之间的距离，由近到远依次为：水星、金星、地球、火星，木星和土星。
也是在17世纪初，人类观测星空的方式发生了翻天覆地的改变，望远镜的横空出世大大增强了人类的“视力”，使许多单凭肉眼无法看见的暗淡星点进入了我们的视野。太阳系中会不会还存在着其他行星呢？天文学家圈定了三个可疑地带，认为那里最可能有行星出没。
第一个区域就是水星轨道的内侧。传说哥白尼临终之前，曾发出感叹，认为自己一辈子没见过水星是人生的一大憾事。虽然这个故事真假难辨，但足以描述水星的难得一见——尽管它并不暗淡，但它太靠近太阳，总被太阳的万丈光芒所掩盖。可想而知，如果有一颗行星比水星更靠近太阳，那它从未被人发现也是情有可原的。但是，数百年的搜寻至今一无所获，水星轨道内侧似乎并不存在任何足以与水星“匹敌”的未知行星。
第二个区域是土星轨道的外侧。天文学家早就知道太阳系幅员辽阔，著名的哈雷彗星就常常游荡到遥远的地方。相比之下，当时已知的行星似乎全都挤在太阳的周围，实在是有点浪费空间。1781年，当时仍是一名风琴演奏者的威廉·赫歇耳（Wilhelm Herschel）意外发现了天王星。这颗行星不仅让赫歇耳从此投身天文，也让天文学界为之一振——因为它还验证了一条太阳系行星分布的规律。
这条规律引出了第三个可疑地带，也就是火星与木星轨道之间。1772年，德国数学家提丢斯（Johann Titius）发现，行星在太阳系中的位置分布其实有章可循。按照这条规律，火星和木星之间的空隙太大，中间似乎应该存在着未知行星。天王星发现后，它到太阳的距离竟然也符合提丢斯的规律，于是天文学家信心大增。1801年的头一天，意大利天文学家皮亚齐（Giuseppe Piazzi）发现了谷神星，它到太阳的距离，与提丢斯的预言仅差1%！
意想不到的事情还在后头——仅仅1年之后，智神星（Pallas）被发现；两年后，婚神星（Juno）被发现；又过了3年，灶神星（Vesta）也被发现了。短短6年间，4颗轨道相似的“行星”接连现身，让天文学家乱了方寸。说它们是行星吧，看看它们的个头，就算把4颗全加起来，质量也不到月亮的1/30，更别说与地球甚至木星相比了；说它们不是行星吧，明明它们就围绕着太阳公转，跟地球平起平坐，完全符合当时对行星的最基本要求。更何况，它们还与提丢斯的“行星”分布规律符合得很好，只是数量偏多了一些。
此后的30年，太阳系又恢复了平静，没有新的天体跳出来刺激天文学家们的神经。虽然争论仍在继续，但谷神星、智神星、婚神星和灶神星等4颗小家伙已被当成行星，堂而皇之地写进了当时的天文学教材。加上天王星的发现，在19世纪的最初40年里，我们的太阳系最多曾拥有过11颗行星！
这种情况并未持续多久。1845年之后，火星与土星轨道之间的小天体，突然又像雨后春笋一般层出不穷，短短几年就突破了30颗。到了19世纪50年代，天文学家终于认定，这些小家伙构成了一个全新的太阳系天体类别，并且将它们称为小行星（asteroid），而它们聚居的那片太阳系区域，也就是火星和木星之间，则被称为小行星带。谷神星、智神星、婚神星和灶神星不得不摘掉戴了近30年的行星头衔，归入了小行星的行列——这应该算是历史上最早的行星降级事件。
这次降级并不是天文学家投票决定的，而是约定俗成的结果。虽然原本“人口简单”的太阳系，因为这么多小家伙的突然闯入而变得复杂起来，但小行星与传统行星之间至少百倍的质量差别，还是让它们泾渭分明。尽管如此，行星这个原本清晰的概念，却变得模棱两可——小行星到底算不算行星？它们和行星之间的界限究竟在哪里？这些问题从未有过明确的答案，或者说根本没有人考虑过这些问题，这就为日后的行星之争埋下了隐患。
行星之争 迫在眉睫
再回过头去看看第二个区域，既然土星之外有天王星，那天王星之外为什么不能存在其他行星呢？
天王星的“怪异”行径，进一步加深了天文学家的怀疑：这颗当时距离太阳最远的行星，总是不肯规规矩矩地按照推算的轨道运行，仿佛有一股神秘力量正在“引诱”天王星——天文学家将它归因于一颗未知的行星。这一次，数学家们大显身手：利用牛顿的万有引力，英国人亚当斯（John Couch Adams）和法国人勒维里耶（Urbain Le Verrier）推算出了未知行星的轨道。1846年9月23日，德国天文学家加勒（Johann Gottfried Galle）只用了一个晚上，就在预定位置找到了那颗行星——这就是后来的海王星。
天文学家很快发现，海王星的行踪也跟天王星一样诡异，不过这一次他们却欢欣鼓舞——有了海王星的成功先例，他们有信心利用这些蛛丝马迹，再揪出一颗未知行星。不过数学家的一次次预测和天文学家的一次次搜索，最后都以失败而告终。直到1930年，美国天文学家汤博（Clyde Tombaugh）才艰难地找到了一个微弱的光点。它位于海王星以外，而且与一些预测符合得很好。后来，天文学家给它起了一个不太吉利的名字——冥王星。
从冥王星被发现的那一天起，针对它的质疑就从没停过：它的个头不够大，还不到地球大小的1/5，不足以影响海王星的运行；它的轨道不够圆，有时可以跑到海王星轨道的内侧；它也不够合群，轨道平面与其他行星相差太大。总之，冥王星怎么看都不像一颗正统的行星。不过，作为当时在海王星外发现的唯一一颗太阳系天体（彗星除外），不论是天文界还是普通公众，都很乐意将它当作行星来看待。我们熟悉的太阳系“九大行星”的说法，就是这么流传开来的。
颇为讽刺的是，天文学家后来才了解到，海王星看似诡异的行踪，并不是由未知天体的引力造成的，而是他们对海王星的质量作出了错误的估算——换句话说，那颗“未知天体”根本就是不存在的，数学家据此作出的预测也完全没有意义。冥王星只是在错误的时间闯入了天文学家预测的错误地点，才阴差阳错地被汤博收入囊中，跻身于行星行列。冥王星进一步缩短了行星与小天体之间的差别（将原来超过百倍的质量差别，缩减到了不足15倍），把行星的概念搅得更加含混不清了。
早在冥王星刚被发现的时候，就有天文学家提出理论，认为海王星外存在大量小天体。到了20世纪80年代，这个理论已经非常成熟，那些假想的小天体构成了一条类似小行星带的区域，天文学家称之为柯伊伯带（Kuiper belt），而冥王星正好身处于柯伊伯带中（注：可以运行到海王星轨道外侧的行星状天体，后来被统称为海外天体，柯伊伯带天体是其中的一个大类）。不过实质性的发现却姗姗来迟——直到1992年，第二颗柯伊伯带天体才被人发现，那时，冥王星已在“第九大行星”的位置上安坐了62年。
历史总是惊人的相似，150年前小行星数量猛增的一幕再次上演。1992年以后，新的海外天体不断涌现，到2006年，它们的总数已经突破1,000颗，与此同时，小行星带中的小行星数量早已突破了10万。起初，这些天体没有给冥王星的地位带来太大的威胁，因为早期发现的海外天体个头较小，甚至无法跟谷神星相提并论。冥王星虽然不再是唯一的海外天体，但至少还是最大的一颗，勉强配得起传统“行星”的头衔。不过天文学界对于冥王星地位的质疑之声却越来越响——许多天文学家相信，冥王星应该跟谷神星一样，只能算是一大群小天体的“领头羊”。
进入21世纪，情况出现戏剧性变化。美国加州理工学院的迈克·布朗（Mike Brown）领导的小组，连续不断地刷新着海外天体（除冥王星外）的最大记录：2002年发现的创神星（Quaoar），直径约为冥王星的1/2；2003年的塞德娜（Sedna），约为冥王星的3/4；2005年，他们又发现了2003 UB313（该天体的临时编号），即使按照最保守的估计，直径也肯定在冥王星之上！哈勃望远镜后来的观测证实，这颗被发现者布朗昵称为“齐娜”（Xena）的天体，直径的确比冥王星大了约5%。这下子，冥王星连“领头羊”的地位也拱手相让了。
假如冥王星算是行星，比它更大的“齐娜”为什么不是？如果“齐娜”也算行星，那么只比冥王星小1/4的塞德娜算不算行星？小一半的创神星呢？到底直径多小才不算是行星呢？这些大个子天体的出现，完全搅乱了行星的概念——传统行星和“小天体”之间的界限已经不复存在，仅仅依靠约定俗成，已经无法再给“齐娜”及类似的天体作出一个明确的定性。行星究竟该如何定义，这个向来不成问题的问题，终于成了一个迫在眉睫的大难题，摆在了天文学家的面前。
行星决议 一波三折
其实早在塞德娜现身之时，IAU就下定决心，要给“行星”作出明确的定义。2004年，IAU主席罗恩·埃克斯（Ron Ekers）专门指定了一个行星定义委员会，由7位天文学家、科学作家和历史学家共同组成。委员会将在第26届IAU大会上递交行星定义草案，然后经由大会讨论修改，并最终投票表决。如果获得通过，那么有史以来的第一份行星定义就将出炉。
事实证明，要从乱麻一般的太阳系中理出头绪，绝不是一件轻松的工作。实际上，直到今年7月，行星定义委员会还在为相关的科学和文化/历史问题争论不休。“不过在漫长的一天之后，奇迹发生了——我们达成了一致的共识，”委员会主席、哈佛-史密森天体物理中心的欧文·金格里奇（Owen Gingerich）回忆说。但这份草案的内容，却迟迟没有公布，直到8月16日，在布拉格召开的IAU大会上，“神秘”的行星定义草案才浮出水面。
按照这份草案，一颗行星的质量必须够大，重力必须能克服固体应力，以达到流体静力学平衡的形状；当然它还得围绕一颗恒星运行，本身也不能是恒星或卫星。前一个条件听起来高深莫测，把它翻译成白话就是：一颗行星必须够重，至少能把自己压成一个球形。举例来说，在地球上，楼房不可能无限拔高，否则就会被自身的重力压挎；山峰也跟楼房一样，如果长得太过突兀，地球的引力照样会把它们放倒在地，于是地球就成了一个大致完美的球体。那么到底多重的行星才能像地球这样，把自己压成个球呢？草案上给出的参考标准是，行星的质量通常需要超过冥王星的3.8%，直径需要超过冥王星的35%。
如此一来，冥王星的行星地位将得以保全，同时“齐娜”、谷神星和冥王星的卫星卡戎（Charon）也将升为行星，这就是所谓的“12行星”方案。草案还对不同的行星加以区分，例如1900年之前发现的8颗行星可称为经典行星（classical planets）；其他小于水星的行星（如谷神星、“齐娜”和卡戎）可称为矮行星（dwarf planet）；以冥王星为代表的一类行星（如布朗发现的许多大个子海外天体）则被划分成一个新类，叫做类冥行星（plutons）——它们全都属于行星。其他不符合行星规定，但是又围绕太阳运行的天体，被称为太阳系小天体（Small Solar System Body）
原始草案一经公布，立刻引起了争议。迈克·布朗认为，海外天体的质地较软，因此它们更容易被压成球形。他还做了一个简单的统计，太阳系内符合“球形”标准的已知天体，至少有53颗，而其总数很可能超过200！美国亚利桑那大学的行星科学家汤姆·格雷尔斯（Tom Gehrels）则对这种定义的实际操作表示怀疑，他认为要判定一个遥远天体到底圆还是不圆，不仅复杂而且费时，甚至根本不可能做到。不过行星定义委员会成员、美国麻省理工学院的理查德·宾策尔（Richard Binzel）解释说，这么做是为了“让大自然来决定一个天体到底是不是行星”。
而且，这种定义只考虑了天体的内部特征，完全不考虑外部环境（如天体轨道特征）。在18日IAU举行的小规模讨论会上，行星科学家们就此展开了激烈的争论。开场不久，整个会场就乱成了一团，天文学家争抢话筒，纷纷表述自己的观点，有时甚至因为意见相左而激烈争吵。后来，来自行星命名委员会以外的成员抛出了自己的一套行星定义方案，规定行星除了缩成“球形”以外，还必须是所处区域中个头最大的天体。在随后的举手表决中，这种方案赢得了50票的支持，而“12行星”草案仅获18票支持，还不到与会人数的1/4。
8月22日，IAU组织了一场规模更大的讨论，但是争论丝毫没有缓和的迹象。“类冥行星”的名称和“双行星”的提法都得到了比较一致的反对，因此在修改的草案中删去了相关的内容。但是冥王星的行星地位能否保留，正反双方却仍然各执己见、互不相让。这个问题的关键就在于，要不要把天体的轨道特征，也纳入行星身份的判定标准之中。
归根到底，冥王星的地位之争，就是行星地质学家和行星动力学家的观念之争。前者认为，冥王星拥有完整的地质构造，拥有大气，这与通常意义上的小天体完全不同；后者却觉得，冥王星处于柯伊伯带中，不论是轨道还是大小，都应该属于柯伊伯带，跟传统的行星格格不入。两种观点都各有道理，但却针锋相对，几乎让IAU的行星定义陷入僵局。
会议组织者不得不在22日临时增加了一场讨论。IAU明确表示，这次的行星定义不考虑太阳系以外的天体，以缩小讨论的范围。草案修改稿也采取了折中的方式，除了必须满足原草案的行星条件之外，能够“清空轨道附近区域”的天体才算行星，否则就是矮行星。这一次，各方的意见开始统一，24日的最终投票终于出现了转机。
8月24日下午（当地时间），关于行星定义的投票正式开始，428位天文学家参与了投票，其中来自中国的专家不到10人。投票采用手动举牌的方式，每次针对决议的一部分内容进行投票。4轮过后，结果出炉：太阳系从此剩下了八颗行星；冥王星因为身处柯伊伯带，周围大大小小的天体不计其数，因此被降为矮行星；“齐娜”和谷神星则与冥王星并列为矮行星，而冥卫卡戎的地位仍然保持不变。另外需要澄清的是，IAU的结果明确规定，矮行星不是行星，而是一个全新的太阳系天体类别。此外，IAU还将冥王星定义为一类全新海外天体的原型，只是这类天体的名称仍然未定。
行星定义 余波难平
随着第26届IAU大会的落幕，会场上曾经激烈的争辩之声似乎渐渐远去。太阳系的行星有了明确的定义，爱惹麻烦的冥王星也被踢出了行星的行列，地位难以确定的“齐娜”则找到了自己的归属，一切问题似乎都迎刃而解了。但如果你这么想，可就大错特错了。暂且不论冥王星的降级在公众中引起的震动，单单是在天文学界，这场风波不但没有停歇，反倒愈演愈烈。
艾伦·斯特恩（Alan Stern）是美国西南研究院的执行主席，也是“新视野号”冥王星探测任务的负责人。他跟美国行星科学研究所所长马克·赛克斯（Mark Sykes）联手，在网络上公布了一份请愿书：“作为行星科学家和天文学家，我们不认同IAU关于行星的定义，也不会使用这个定义。我们需要一个更好的行星定义。”
在短短5天之内，这份请愿书就得到了全世界300位天文学家的联名支持。这些人中既有行星探测方面的专家，也有行星形成与演化、行星大气、行星地质等方面的杰出研究人员，还有获过国际科学奖项的知名学者。赛克斯博士认为，如此豪华的科学家阵容足以说明，“IAU的行星定义是不符合基本科学标准的，理应被驳回”。他还指出，要确立一个合理的定义，应该采用更加开放的态度，让更多从事行星研究的科学家能够参与进来。
3位华人天文学家也签名参加了请愿活动，他们反对的理由各不相同，不过都颇具代表性。
中国台湾师范大学的管一政教授参加了布拉格的IAU大会。大会的会期长达两周，投票却安排在倒数第二天举行，管教授因其他事务提前离开了会场，错过了最后的投票。他签名反对行星决议的理由是：行星是一个大众化的词汇，在它的定义中加入诸如“流体静力学平衡”之类的术语，会让普通公众不知所云。另外他觉得将冥王星开除出行星名单也是不恰当的，历史传统应该得到充分的尊重。
他还认为，IAU此次插手行星定义，确实做得有点过火。尽管科学家应该追求科学真相，但天文学家早已了解冥王星的特殊身份。因此这次的投票，不但意义不大，还会伤害公众对于科学的感受。管教授的观点与美国空间探索政策研究中心主管马克·布洛克（Mark Bullock）的意见不谋而合，布洛克认为“行星”一词具有文化、历史和社会意义，不应交由天文学家全权决定，要改变这种基本词汇的定义，必须在更大的范围内展开讨论，并达成广泛的共识。
香港大学的周海峰博士也在请愿书上签了名字。按照他的观点，“行星”是专业人士和普通公众都会用到的术语，不该成为八颗行星的专属名词。应该把行星当成一个泛指的名词，然后再对具体的天体进行细分，例如木星可以是“大”行星，冥王星可以是“矮”行星，而大多数太阳系小天体可以算成“小”行星，甚至连其他恒星周围的行星也可以叫做“太阳系外”行星。上海天文台的林清博士虽然没有在请愿书上签名，但他的观点与周海峰不谋而合。事实上，就连行星定义委员会的主席欧文·金格里奇也对最后的投票结果感到无法理解，他认为，矮行星不是行星，这简直有点自相矛盾，绝对犯了一个低级的“语法错误”。
周海峰博士还对行星“必须清空轨道周围的区域”提出了异议，因为定义中没有说明 “清空”意味着什么。他以地球为例，月球显然没有被地球清空，那么按照定义，地球不也是矮行星了吗？这个结论显然是荒谬的。实际上，请愿书的发起人之一斯特恩也深有同感，他指出，即使不把卫星计算在内，地球、火星、木星和海王星也都有小行星与它们为邻，因此决议所用的语言显然存在着缺陷。
香港可观天文馆的张师良也在请愿书上表明了自己的观点。他认为整个决议案的产生过程存在问题：整个行星定义方案一直保密，直到会议开幕才公报初稿内容，天文界根本没有足够的时间进行充分商讨，也就无法得出一份能取得共识的议案。事实上，从最终决议案出炉到投票，只有短短几个小时，根据这样一份既不完善也不成熟的议案进行投票，自然会争议不断。斯特恩也对IAU的提案过程满腹牢骚，他认为，全世界拥有投票权的专业天文学家人数近万，但是只有428位参与了投票，“这是不可容忍的，完全是一场闹剧”。事实上，管一政教授也对IAU的暗箱操作提出过看法，他还认为，IAU应该给会员开设邮箱/网络投票方式，进一步扩大投票代表的范围。
张师良认为，行星定义的确立，对目前天文学家的工作没有影响，天文学家不会因为文字上的改动而改变研究的方针。事实也确实如此，美国航空航天局（NASA）科学任务理事会首席科学家保罗·赫兹博士（Paul Hertz）说：“不论它们到底被归类为什么，我们都将继续对太阳系中那些科学上最为有趣的天体展开探索。”但对公众而言，这是对科学过程和太阳系重新认识的大好时机。冥王星除了被降级以外，也代表着一类全新概念——矮行星的诞生。我们应该着眼于这里，这才是代表时代进步的做法。单单抹去冥王星，只会让知识回到70年前。
天文学家的联名请愿，会不会迫使IAU对行星定义作出修正呢？上海天文台的林清博士认为，现有的行星定义不会一蹴而就，IAU一定会广泛听取各方科学家的观点，进一步完善这个定义。因此林博士相信，现有定义还有被重新修订的可能性。张师良也指出，行星定义现在还没有包括太阳系以外的行星，甚至没有考虑行星的上限——也就是行星与褐矮星之间的界限，这些问题都需要时间来一点点解决。
那么，行星定义之争在天文学界引发的这场风波，会不会让普通公众对科学失去信心呢？答案是否定的。正如林清博士所说，这次关于行星定义的大讨论，会使公众真切地感受到科学精神的本质：科学并不是死板的教科书上的知识，科学知识也并不是绝对正确的知识，科学精神的关键在于敢于面对现实，从理性出发，敢于批判自我，修正自我，在不断的自我修正、自我完善中得到不断的发展，大多数公众会从这一场争论中悟出一点科学的道理。 搂主大作一定要顶 :mrgreen: :mrgreen: 我居然难得地看完了全文！
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