《仰望星空》11-天文學(xué)第一問題

《仰望星空》11-天文學(xué)第一問題測定日地距離的方法，最容易想到的莫過于三角測量法了，也就是測量太陽的視差。比如，在南半球和北半球兩個相距很遙遠(yuǎn)的天文臺同時觀測太陽，把太陽在天空中的位置精確地測出來，再根據(jù)兩座天文臺的相隔距離計算出日地距離。但這個方法是一個典型的知易行難的問題，講講原理簡單得不得了，可是，限制條件太多。要想把天文學(xué)第一問題攻破得換個思路，想出點新的招數(shù)來。聰明的法國天文學(xué)家卡西尼想出了一個辦法。第一，不需要兩個天文臺，一個就夠了，因為地球在不停地自轉(zhuǎn)。第二，把地球到火星的距離測出來，不就能計算出日地距離了嗎？一個簡單的方程式而已。測量火星的視差可以這么做：以某顆遙遠(yuǎn)的恒星為背景，分別在日出和日落時測量火星相對于這顆恒星微小的位移，就能得出火星的視差了?？ㄎ髂嵯氲胶篑R上就開始了行動，1672年，他宣布結(jié)果為9.5角秒（今測值8.7941角秒），已經(jīng)相當(dāng)準(zhǔn)確了。過了幾年，我們的老朋友哈雷，提出了一個絕妙的新思路，震動了整個天文學(xué)界，甚至改變了后世的幾位天文學(xué)家一生的命運(yùn)。哈雷說，利用金星凌日的罕見天象可以測定日地距離。他提出的原理是這樣：（利用金星凌日現(xiàn)象計算日地距離的原理圖）這確實是一個精妙的點子。可惜的是，下一次金星凌日的時間是1761年和1769年，哈雷活不到那個日子了。但天文學(xué)界不會忘記這個重要的時刻，在1761年來臨的時候，一場國際大比拼拉開了序幕。整個天文學(xué)界都在摩拳擦掌等待著1761年金星凌日的到來，簡直就像天文界的奧運(yùn)會。為了能在比賽中拔得頭籌，法國派出了32名選手，英國派出了18名，還有瑞典、俄羅斯、意大利、德國等國家也都派出了參賽選手。這些英勇的天文學(xué)家們奔赴地球的一百多個角落，比如俄羅斯的西伯利亞，中國的青藏高原，美國威斯康星州的叢林等等。在這些吃苦耐勞的天文學(xué)家們身上發(fā)生了很多“可歌可泣”的故事，這中間法國人讓蒂的故事最讓人唏噓感慨，他也因此被稱為“史上最悲劇的天文學(xué)家”。悲情英雄也是英雄。讓蒂做足了物質(zhì)上的準(zhǔn)備，整整提前一年從法國出發(fā)，他計劃去印度的荒原上觀測這次金星凌日。但是他運(yùn)氣很糟糕，1761年6月6日發(fā)生凌日的那天居然還在海上。讓蒂與這次金星凌日無緣。但是讓蒂卻并沒有感到太傷心，因為他知道八年后金星凌日會再次上演，他為了確保這次觀測萬無一失，他干脆決定就住在印度了。讓蒂用了整整八年的時間建立了一個一流的觀測站，添置了最精良的觀測設(shè)備，并且不斷地做著排練，調(diào)試設(shè)備，直到對每一個細(xì)節(jié)都確保滿意。1769年的6月4日終于到來了。早上起來的時候，讓蒂看到了一個完美的艷陽天，他激動壞了，就等著那個神圣的時刻來臨。果然，金星凌日如約而至，正當(dāng)金星剛剛開始從太陽的表面通過時，一朵不大不小的烏云剛好擋住了太陽，最后當(dāng)烏云飄走時，讓蒂記錄下來的時間是3小時14分7秒，這差不多恰好是此次金星凌日的持續(xù)時間。讓蒂八年的努力被一朵烏云完美地化為烏有，悲憤交加的他只好收拾起儀器啟程回老家，但他的厄運(yùn)并沒有因此結(jié)束，在港口患上了瘧疾。一年后終于登上了一條船回國，可是沒想到遇上了颶風(fēng)，差點兒就失事。當(dāng)讓蒂九死一生地終于回到了法國老家時，已經(jīng)整整離家出門十一年了。但他早就被親屬們宣布死亡，所有的財產(chǎn)也被他們搶奪一空。這就是史上最悲劇的天文學(xué)家讓蒂的故事，讓我們?yōu)樗昼?。在我心目中，他依然是偉大的天文學(xué)家，他的精神在鼓勵著我。這次國際大行動的成果是：1AU=1.33億千米。隨著天文學(xué)第一問題的解決，太陽系的空間尺度終于初步搞清楚了。讓我們來感受一下18世紀(jì)的人類所知道的太陽系有多大：從地球到太陽是1.33億千米，騎馬跑到太陽，大約需要224年，顯然這是一個相當(dāng)遙遠(yuǎn)的距離。地球到土星的距離是15億千米，馬要跑2527年。這就是當(dāng)時人們心目中太陽系的大小。對于倫敦西邊不遠(yuǎn)處的小鎮(zhèn)巴恩的居民來說，威廉·赫歇爾（Herschel，1738-1822）是一個很牛的人物。他白天是小鎮(zhèn)樂隊的指揮，到了晚上就搖身一變，成為一位神秘的“占星家”。在小鎮(zhèn)人的眼里，赫歇爾有點瘋狂，他傾盡家產(chǎn)建造了一架碩大無比的望遠(yuǎn)鏡，足足有7.8米之高，粗得像一尊大炮，是小鎮(zhèn)的一大景觀。（赫謝爾的大炮望遠(yuǎn)鏡）1781年3月31日晚上，是個晴朗無云的好天，赫歇爾在“大炮”下面癡迷地觀測著。突然，赫歇爾很開心地叫了起來：“卡羅琳，我發(fā)現(xiàn)了一顆彗星，請幫我記錄：雙子座方向，視星等6等，暗綠色，觀測時間一周，移動幅度1角秒。初步判斷為彗星。”第二天，赫歇爾把他的這個發(fā)現(xiàn)通報給了英國天文學(xué)會。過了沒多久，在天文學(xué)界的群策群力下，人們開始意識到，這根本不是一顆彗星，而是一顆新的行星。接著，它的距離被計算出來：19.2AU。這就是天王星，太陽系的第6顆行星。天王星橫空出世后，它很快就成為了天文界的新寵，大家爭相對它進(jìn)行觀測，精密測定它的軌道。在那個時候，牛頓開創(chuàng)的天體力學(xué)已經(jīng)日臻成熟，人們已經(jīng)能用數(shù)學(xué)的方法精確地預(yù)報天王星的運(yùn)行軌道了。然而，讓天文學(xué)家們大吃一驚的是，天王星實際運(yùn)行軌道與計算出來的軌道總是有一個偏差，人們觀測到它的位置總是與計算出來的“應(yīng)該”在的位置有偏差。十年過去后，天王星的軌道已經(jīng)和最初發(fā)現(xiàn)他時的軌道相差了足足有2角分之多（120角秒）。當(dāng)時人們很困惑，難道萬有引力定律在土星外面的宇宙中不成立嗎？這不可能，一定有其他原因。數(shù)學(xué)達(dá)人們此時有了用武之地，理論上，根據(jù)現(xiàn)有的觀測數(shù)據(jù)，是可以計算出未知行星的精確位置的，但計算的復(fù)雜程度不是一般的高，而且至少需要天王星十年以上的運(yùn)行數(shù)據(jù)。在沒有計算機(jī)的年代，要完成這樣的計算，是一個龐大到令人不寒而栗的