《仰望星空》11-天文学第一问题

《仰望星空》11-天文学第一问题测定日地距离的方法，最容易想到的莫过于三角测量法了，也就是测量太阳的视差。比如，在南半球和北半球两个相距很遥远的天文台同时观测太阳，把太阳在天空中的位置精确地测出来，再根据两座天文台的相隔距离计算出日地距离。但这个方法是一个典型的知易行难的问题，讲讲原理简单得不得了，可是，限制条件太多。要想把天文学第一问题攻破得换个思路，想出点新的招数来。聪明的法国天文学家卡西尼想出了一个办法。第一，不需要两个天文台，一个就够了，因为地球在不停地自转。第二，把地球到火星的距离测出来，不就能计算出日地距离了吗？一个简单的方程式而已。测量火星的视差可以这么做：以某颗遥远的恒星为背景，分别在日出和日落时测量火星相对于这颗恒星微小的位移，就能得出火星的视差了。卡西尼想到后马上就开始了行动，1672年，他宣布结果为9.5角秒（今测值8.7941角秒），已经相当准确了。过了几年，我们的老朋友哈雷，提出了一个绝妙的新思路，震动了整个天文学界，甚至改变了后世的几位天文学家一生的命运。哈雷说，利用金星凌日的罕见天象可以测定日地距离。他提出的原理是这样：（利用金星凌日现象计算日地距离的原理图）这确实是一个精妙的点子。可惜的是，下一次金星凌日的时间是1761年和1769年，哈雷活不到那个日子了。但天文学界不会忘记这个重要的时刻，在1761年来临的时候，一场国际大比拼拉开了序幕。整个天文学界都在摩拳擦掌等待着1761年金星凌日的到来，简直就像天文界的奥运会。为了能在比赛中拔得头筹，法国派出了32名选手，英国派出了18名，还有瑞典、俄罗斯、意大利、德国等国家也都派出了参赛选手。这些英勇的天文学家们奔赴地球的一百多个角落，比如俄罗斯的西伯利亚，中国的青藏高原，美国威斯康星州的丛林等等。在这些吃苦耐劳的天文学家们身上发生了很多“可歌可泣”的故事，这中间法国人让蒂的故事最让人唏嘘感慨，他也因此被称为“史上最悲剧的天文学家”。悲情英雄也是英雄。让蒂做足了物质上的准备，整整提前一年从法国出发，他计划去印度的荒原上观测这次金星凌日。但是他运气很糟糕，1761年6月6日发生凌日的那天居然还在海上。让蒂与这次金星凌日无缘。但是让蒂却并没有感到太伤心，因为他知道八年后金星凌日会再次上演，他为了确保这次观测万无一失，他干脆决定就住在印度了。让蒂用了整整八年的时间建立了一个一流的观测站，添置了最精良的观测设备，并且不断地做着排练，调试设备，直到对每一个细节都确保满意。1769年的6月4日终于到来了。早上起来的时候，让蒂看到了一个完美的艳阳天，他激动坏了，就等着那个神圣的时刻来临。果然，金星凌日如约而至，正当金星刚刚开始从太阳的表面通过时，一朵不大不小的乌云刚好挡住了太阳，最后当乌云飘走时，让蒂记录下来的时间是3小时14分7秒，这差不多恰好是此次金星凌日的持续时间。让蒂八年的努力被一朵乌云完美地化为乌有，悲愤交加的他只好收拾起仪器启程回老家，但他的厄运并没有因此结束，在港口患上了疟疾。一年后终于登上了一条船回国，可是没想到遇上了飓风，差点儿就失事。当让蒂九死一生地终于回到了法国老家时，已经整整离家出门十一年了。但他早就被亲属们宣布死亡，所有的财产也被他们抢夺一空。这就是史上最悲剧的天文学家让蒂的故事，让我们为他默哀三分钟。在我心目中，他依然是伟大的天文学家，他的精神在鼓励着我。这次国际大行动的成果是：1AU=1.33亿千米。随着天文学第一问题的解决，太阳系的空间尺度终于初步搞清楚了。让我们来感受一下18世纪的人类所知道的太阳系有多大：从地球到太阳是1.33亿千米，骑马跑到太阳，大约需要224年，显然这是一个相当遥远的距离。地球到土星的距离是15亿千米，马要跑2527年。这就是当时人们心目中太阳系的大小。对于伦敦西边不远处的小镇巴恩的居民来说，威廉·赫歇尔（Herschel，1738-1822）是一个很牛的人物。他白天是小镇乐队的指挥，到了晚上就摇身一变，成为一位神秘的“占星家”。在小镇人的眼里，赫歇尔有点疯狂，他倾尽家产建造了一架硕大无比的望远镜，足足有7.8米之高，粗得像一尊大炮，是小镇的一大景观。（赫谢尔的大炮望远镜）1781年3月31日晚上，是个晴朗无云的好天，赫歇尔在“大炮”下面痴迷地观测着。突然，赫歇尔很开心地叫了起来：“卡罗琳，我发现了一颗彗星，请帮我记录：双子座方向，视星等6等，暗绿色，观测时间一周，移动幅度1角秒。初步判断为彗星。”第二天，赫歇尔把他的这个发现通报给了英国天文学会。过了没多久，在天文学界的群策群力下，人们开始意识到，这根本不是一颗彗星，而是一颗新的行星。接着，它的距离被计算出来：19.2AU。这就是天王星，太阳系的第6颗行星。天王星横空出世后，它很快就成为了天文界的新宠，大家争相对它进行观测，精密测定它的轨道。在那个时候，牛顿开创的天体力学已经日臻成熟，人们已经能用数学的方法精确地预报天王星的运行轨道了。然而，让天文学家们大吃一惊的是，天王星实际运行轨道与计算出来的轨道总是有一个偏差，人们观测到它的位置总是与计算出来的“应该”在的位置有偏差。十年过去后，天王星的轨道已经和最初发现他时的轨道相差了足足有2角分之多（120角秒）。当时人们很困惑，难道万有引力定律在土星外面的宇宙中不成立吗？这不可能，一定有其他原因。数学达人们此时有了用武之地，理论上，根据现有的观测数据，是可以计算出未知行星的精确位置的，但计算的复杂程度不是一般的高，而且至少需要天王星十年以上的运行数据。在没有计算机的年代，要完成这样的计算，是一个庞大到令人不寒而栗的