《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(cè)定日地距離的方法，最容易想到的莫過于三角測(cè)量法了，也就是測(cè)量太陽的視差。比如，在南半球和北半球兩個(gè)相距很遙遠(yuǎn)的天文臺(tái)同時(shí)觀測(cè)太陽，把太陽在天空中的位置精確地測(cè)出來，再根據(jù)兩座天文臺(tái)的相隔距離計(jì)算出日地距離。但這個(gè)方法是一個(gè)典型的知易行難的問題，講講原理簡(jiǎn)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(gè)思路，想出點(diǎn)新的招數(shù)來。聰明的法國(guó)天文學(xué)家卡西尼想出了一個(gè)辦法。第一，不需要兩個(gè)天文臺(tái)，一個(gè)就夠了，因?yàn)榈厍蛟诓煌５刈赞D(zhuǎn)。第二，把地球到火星的距離測(cè)出來，不就能計(jì)算出日地距離了嗎？一個(gè)簡(jiǎn)單的方程式而已。測(cè)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(shí)測(cè)量火星相對(duì)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(dòng)，1672年，他宣布結(jié)果為9.5角秒（今測(cè)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(gè)絕妙的新思路，震動(dòng)了整個(gè)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(cè)定日地距離。他提出的原理是這樣：（利用金星凌日現(xiàn)象計(jì)算日地距離的原理圖）這確實(shí)是一個(gè)精妙的點(diǎn)子?？上У氖牵乱淮谓鹦橇枞盏臅r(shí)間是1761年和1769年，哈雷活不到那個(gè)日子了。但天文學(xué)界不會(huì)忘記這個(gè)重要的時(shí)刻，在1761年來臨的時(shí)候，一場(chǎng)國(guó)際大比拼拉開了序幕。整個(gè)天文學(xué)界都在摩拳擦掌等待著1761年金星凌日的到來，簡(jiǎn)直就像天文界的奧運(yùn)會(huì)。為了能在比賽中拔得頭籌，法國(guó)派出了32名選手，英國(guó)派出了18名，還有瑞典、俄羅斯、意大利、德國(guó)等國(guó)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(gè)角落，比如俄羅斯的西伯利亞，中國(guó)的青藏高原，美國(guó)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(guó)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(guó)出發(fā)，他計(jì)劃去印度的荒原上觀測(cè)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?yàn)樗腊四旰蠼鹦橇枞諘?huì)再次上演，他為了確保這次觀測(cè)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(shí)間建立了一個(gè)一流的觀測(cè)站，添置了最精良的觀測(cè)設(shè)備，并且不斷地做著排練，調(diào)試設(shè)備，直到對(duì)每一個(gè)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(shí)候，讓蒂看到了一個(gè)完美的艷陽天，他激動(dòng)壞了，就等著那個(gè)神圣的時(shí)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(shí)，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(shí)，讓蒂記錄下來的時(shí)間是3小時(shí)14分7秒，這差不多恰好是此次金星凌日的持續(xù)時(shí)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(guó)，可是沒想到遇上了颶風(fēng)，差點(diǎn)兒就失事。當(dāng)讓蒂九死一生地終于回到了法國(guó)老家時(shí)，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(cái)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(lì)著我。這次國(guó)際大行動(dòng)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(gè)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(shí)人們心目中太陽系的大小。對(duì)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(gè)很牛的人物。他白天是小鎮(zhèn)樂隊(duì)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(diǎn)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(gè)晴朗無云的好天，赫歇爾在“大炮”下面癡迷地觀測(cè)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(qǐng)幫我記錄：雙子座方向，視星等6等，暗綠色，觀測(cè)時(shí)間一周，移動(dòng)幅度1角秒。初步判斷為彗星?！钡诙?，赫歇爾把他的這個(gè)發(fā)現(xiàn)通報(bào)給了英國(guó)天文學(xué)會(huì)。過了沒多久，在天文學(xué)界的群策群力下，人們開始意識(shí)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(jì)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(zhēng)相對(duì)它進(jìn)行觀測(cè)，精密測(cè)定它的軌道。在那個(gè)時(shí)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(bào)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(shí)際運(yùn)行軌道與計(jì)算出來的軌道總是有一個(gè)偏差，人們觀測(cè)到它的位置總是與計(jì)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(shí)的軌道相差了足足有2角分之多（120角秒）。當(dāng)時(shí)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(shí)有了用武之地，理論上，根據(jù)現(xiàn)有的觀測(cè)數(shù)據(jù)，是可以計(jì)算出未知行星的精確位置的，但計(jì)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(jì)算機(jī)的年代，要完成這樣的計(jì)算，是一個(gè)龐大到令人不寒而栗的