提丢斯-波得定则是一套纯粹的经验关系,它起源于一个简单的数学游戏。为了说明它,我们首先给出如下一串数列:0,3,6,12,24,48,96,192……这串数列的规律很简单:除了前两个数字0和3以外,后面的数字依次是前一个数字的两倍。
之后,我们为每一个数字加4,得到一串新数列:4,7,10,16,28,52,100,196……再全部除以10,得到:0.4,0.7,1.0,1.6,2.8,5.2,10.0,19.6……
如果你去查一下太阳系各大行星到太阳的平均距离(以天文单位AU为单位),你会得到水星为0.39,金星为0.72,地球是1(这是显然的),火星是1.52,小行星带散布于2.17到3.64之间,均值为2.9,木星是5.20,土星是9.54,天王星是19.18……与上面数列的误差均在百分之五以内!
事实上,早在十八世纪中叶,这套经验关系就被一位名叫丹尼尔·提丢斯(Johann Daniel Titius)的中学教师发现,后被柏林天文台台长约翰·波得(Johann Elert Bode)归纳成经验公式发表。当时的天文学家只知晓水星、金星、火星、木星和土星五颗肉眼可见的明亮大行星,与上面的数列对比下来,波得发现在2.8的位置有个明显的空缺。
他猜测在距离太阳2.8个天文单位的位置上应该存在一颗“丢失的”大行星。
天文学家闻讯热情高涨,立刻响应波得的号召,搜索这颗未知的天体。然而十几年过去了均一无所获。直到1781年,英国天文学家威廉·赫歇尔在金牛座中意外地发现了一颗疑似是彗星的太阳系内天体。
波得猜测它是一颗新的行星,并计算了它的轨道,发现它到太阳的距离与提丢斯数列上继土星之后的下一项:19.6相吻合(天王星的轨道半径约为19.2天文单位)。这便是太阳系第七大行星——天王星的发现。这更加使天文学家确信,在火星轨道和木星轨道之间,必定隐藏着一颗未知的大行星。
二十年后,位于意大利西西里岛的一处偏僻的天文台终于传出消息:此台台长在进行常规观测时,发现了一颗新天体,经过计算,它到太阳的平均距离是2.77个天文单位,与期待中的2.8极为近似。新天体被命名为谷神星(Ceres)。可是与其他大行星比起来,谷神星的个头实在太小了,半径只有473公里。笔者觉得此事应在意料之内,因为假如在这个位置上存在与地球体积相仿的大行星的话,它在冲日的时候应当肉眼可见。
后来,天文学家在火星和木星轨道之间陆续又发现了许多围绕太阳公转的天体,个头也都不大。如今我们知道,在提丢斯数列2.8的位置上没有大行星,而是存在一条所谓的小行星带,数以万计的小天体散落其间。随着天体力学的发展,天文学家逐渐认识到小行星带的存在并非偶然。太阳和木星是太阳系内的引力主导天体,两者的引力撕扯作用使得提丢斯数列2.8的位置上并不具备大行星的形成条件,所以就留下了数不清的大行星“边角料”。