播火录7科学远征——丈量天地

金星凌日的馈赠 刷新重试诊断code：vid:uuid:requestId:播放时间：提示信息00:00 / 00:00确认取消如果说人类的祖先很早就开始测绘大地，那么真正意义上的丈量天空却是发明望远镜和掌握开普勒定律以后的事。1677年11月7日，英国天文学家哈雷在圣海伦娜岛观察水星凌日后若有所悟，1716年在皇家学院《哲学学报》发表著名论文，提出了通过观察金星凌日来确定地球到太阳的距离，并向后辈大声疾呼，务必抓住1761年和1769年金星凌日的天赐良机。1742年哈雷撒手尘寰，全世界天文学家遵照他的遗训，如期开展了波澜壮阔、可歌可泣的金星凌日观测总动员。哈雷在1617年论文中预测1761年6月6日发生金星凌日（来源：Commons Wikimedia）金星作为地球的“孪生姐妹”，是苍穹中仅次于太阳和月亮的第三明亮天体。当它运转在日地之间并处于一条直线时便会遮蔽太阳的部分光线。金星凌日本质上也算一种“小日食”或者“日环食”。但金星直径虽然比月亮大3.5倍，凌日时和地球的距离却比月亮远百倍，视直径只有月亮的三十分之一，因此看去就像日轮上的一个小黑点缓缓掠过。由于金星的轨道平面和地球黄道有3.4度的倾斜，因此凌日便成为十分稀有的天象。金星凌日发生机制示意图（来源：galacticconnection）金星凌日其发生间隔为105.5年，8年，121.5年，8年。可谓“八载成双来，百岁一徘徊”。正是靠着在地球上不同方位看到金星凌日过程的视差，便能用三角测量法计算出日地距离。进而以这个“天文单位”作为基线，测量出整个太阳系的宏伟版图。金星凌日示意图（来源：Cosmos.Esa.Int）金星凌日几个关键点（作者：Yapparina，LeoTschW，来源：Commons Wikimedia）捕捉1761年和1769年这一对金星凌日，是科学界首次有备而来。英国、法国、俄国、德国、荷兰、瑞士、丹麦、葡萄牙、意大利等国天文学家百余人，在全球设立了几十个观测点。俄国女皇叶卡捷琳娜曾通宵不眠以图先睹为快，英国国王乔治三世也早早到裘园天文台翘首以待，北美费城天文学家里腾豪斯在金星即将接触日轮的瞬间竟然激动得当场晕厥，足见金星凌日如何牵动着人们的神经。那些派往四表八荒观测这一天象的远征队更是责任重大和使命庄严了。英国业余天文学家霍洛克斯，根据自己的观察和计算超越开普勒的局限，预见1639年12月4日金星凌日。（来源：Old.Transitofvenus.Org）霍洛克斯观察1639年金星凌日来源：（Commons Wikimedia）霍洛克斯观察金星凌日的设备（来源：Old.Transitofvenus.Org）英国曼彻斯特市政厅壁画，描述了霍洛克斯的好友威廉·克罗布崔推测并观察到1639年金星凌日。（来源：Manchester City Council，Commons Wikimedia）艺术作品中的金星凌日（来源：Analyzer.Depaul.Edu）艺术作品中水星和金星从地球内侧经过造成凌日（来源：Old.Transitofvenus.Org）“七年战争”的炮火硝烟并不理会科学家的国际合作。1761年1月8日，英国天文学家梅森和迪克逊乘坐护卫舰海马号从朴次茅斯出发，远赴22000公里之遥的苏门答腊岛明古连观测金星凌日，启航不到24小时，便和重型法国军舰拉格兰德号相遭遇。经过1小时激战，海马号受到重创，船员死11人伤37人，被迫退回朴次茅斯港。鉴于旅途凶险和仪器损毁，梅森和迪克逊给皇家学会写信，请求变更目的地，改往地中海之滨土耳其的伊斯肯德伦进行观察。皇家学会接到报告毫不通融，指令必须不惜代价按原计划赶到苏门答腊，否则追究法律责任。1761年1月，梅森和迪克逊乘坐海马号军舰前往苏门答腊观测金星凌日。（来源：modelwarships）1761年梅森和迪克逊在战火中留下的金星凌日观察记录首页（来源：dla.library.upenn.edu）1761年梅森和迪克逊在战火中留下的金星凌日观察记录首页（来源：dla.library.upenn.edu）关键时刻，科学家也需要军队的纪律和士兵的服从。海马号紧急修缮后于2月5日再度扬帆南下，但却因延宕过久无法准时到达，况且明古连已经落入法国人手中。梅森和迪克逊当机立断，4月11日登陆南非好望角，幸而受到中立国荷兰殖民当局的同情和支持。6月6日晴空万里，梅森和迪克逊在开普敦饱览了金星凌日的整个过程，取得了南太平洋唯一有价值的观测数据，而前往圣海伦娜岛的英国天文学家马斯基林却遇到大阴天，结果徒劳往返空手而归。梅森和迪克逊一战成名，1763年担负起测量北美马里兰州和宾夕法尼亚州边界的重任。此后，梅森-迪克逊线长期成为美国北方自由州和南方蓄奴州的政治文化分界。梅森和迪克森（来源：Mason y Dixon by Thomas Pynchon）1763年梅森和迪克逊测量美国梅森-迪克逊线（来源：mikechurch）金星凌日造就的最伟大的航海家和探险家，要数英国的库克船长了。由于1761年观察金星凌日的数据不尽如人意，1769年便成了一代科学家有生之年的最后机会。新发现的塔基提岛很快被锁定为最佳观测点。1761年，苏格兰天文学家詹姆斯弗格森观察金星凌日的绘图。（来源：Space）1769年，英国皇室观察报告误差少于1秒。（来源：Kings College，London，star.arm.ac.uk）1769年，地处伦敦的科学家，观察到的金星凌日轨迹图。（来源：NASA Goddard Space Flight Center Sun-Earth Day ）1761年罗蒙诺索夫观测金星凌日发现黑滴效应（来源：Exploratorium.Edu）1769年6月匈牙利天文学家麦克西米兰·海尔来到挪威瓦尔德，身穿萨米人冬装观测金星凌日。（来源：hs.uni-hamburg.de）法国卡通画变现社会各界对1769年6月3日金星凌日的关注和痴迷（来源：NASA Goddard Space Flight Center Sun-Earth Day）汲取1698年哈雷率领帕拉摩尔号到南大西洋科学考察却因没有军衔而指挥不动水兵的教训，皇家学会和海军部兼权熟商，认为库克是领衔挂帅的不二人选——他不但有魁北克测绘劳伦斯河口，纽芬兰观察1766年日环食的科学背景，还有现役海军中尉的头衔。1768年，库克船长率领奋进号，离开惠特比前往塔基提岛观察金星凌日。（作者：Thomas Luny，来源：yle.fi）1768年8月25日，长32米、宽9米的奋进号载着科学家和船员94人，从普利茅斯拔锚启碇，鼓浪西行。后来担任皇家学会主席41年之久的自然学家班克斯、资深天文学家格林、科学画家帕金森、瑞士植物学家索兰德等共同组成了这次远征的雄厚班底。10月25日他们跨越赤道，11月13日到达巴西里约热内卢，因葡萄牙总督怀疑此行有军事目的，库克船长几乎被扣留。1769年1月25日，奋进号穿越合恩角风暴进入太平洋，4月13日最终抵达塔基提岛。这是1767年6月瓦利斯乘坐海豚号发现这座太平洋上的“伊甸园”后，第二次前来造访的英国船舰。1769年，英国赴塔基提观测金星凌日最重要的人物：库克、班克斯、三文治、索兰德、豪克斯沃斯。（作者：John Hamilton Mortimer，来源：National Library of Australia，Commons Wikimedia）库克在塔基提岛西北角修筑了一座容纳40人的“金星站”，将携带的两台格里高利反射望远镜和天文象限仪、六分仪、计时钟、温度计、气压计等设备安顿停当。“金星站”处于奋进号火力射程之内，三面有深沟高墙并架设枪炮以策安全。6月3日天公作美，碧空如洗，库克团队分别从本岛2个地点和邻近的莫雷阿岛上观测了金星凌日的全过程，着重记录了“凌始”和“凌终”的4个重要瞬间。库克船长观察金星凌日（作者：Alberto Salinas，来源：Look and Learn）1769年，库克在塔基提岛观察金星凌日的简易天文台。（作者：Robert Benard，来源：Commons Wikimedia）库克船长在塔基提岛修筑的金星堡（作者：Parkinson，Sydney，来源：library.sl.nsw.gov.au）库克观察金星凌日（作者：Guy Ottewell，来源：Astronomical Calendar）但他们却发现“始内切”和“终内切”的精确时刻难以确定，因为日轮边缘和金星盘面间出现了1分钟左右的“泪滴”状“粘连”。这便是由于大气湍流和光学仪器缺陷引起的“黑滴现象”。1769年，库克手绘金星凌日观察记录。（作者：Robert Benard，来源：Commons Wikimedia）在塔基提岛考察期间，库克船长和当地土著建立亲善关系，但严禁水手和岛民私下交易。当年海豚号水手曾为了用铁制品换取性服务而乱拔船上钉子，几乎让海豚号散了架；库克船长最重要的观测设备天文象限仪曾经被盗，多亏不惜代价及时找回；离岛前两位船员开小差，库克扣押了当地族长做人质才换回“逃兵”并处以鞭刑。统领这支孤悬海外、“人上一百”的科考队，的确需要功底深厚的科学素养和恩威并施的大将风范。库克船长的随行画家布虔（1769年4月17日病逝前的作品），描绘的奋进号在火地群岛胜利湾和土著居民交往的场景。（作者：Alexander Buchan，来源：captcook-ne.co.uk）库克团队中的班克斯，他正在向塔基提岛土著居民讲解金星凌日。班克斯向塔基提岛土著居民讲解金星凌日（来源：captcook-ne.co.uk）7月13日，奋进号离开塔基提岛，库克带着海军部的秘密指令寻找传说中的“南方大陆”，花费6个月时间首次环绕和测量新西兰二岛，1770年4月29日到达澳大利亚东海岸新南威尔士的植物湾。6月11日奋进号撞上大堡礁，丢弃了6门大炮和部分设备才轻装逃生。最后取道印度洋和好望角，于1771年7月12日返回了英国多佛港。库克第一次环球航行路线图环球一周，历时3年，奋进号满载着宝贵的观测数据和珍稀的植物、矿石标本凯旋。但检点出征时的94人，有三分之一没能回家。库克用泡菜和麦芽汁预防了坏血病，却抵挡不住疟疾和痢疾的肆虐。劳苦功高的天文学家格林、绘制了1000张标本图画的艺术家帕金森、芬兰籍自然学家斯泼林、外科医生芒克豪斯、副总指挥希克斯都在归航中因病去世，葬身在大海波涛中。还有许多捐躯的水手和工匠，没有人记得他们的名字。1英镑钞票上库克登陆澳大利亚植物湾的情景（来源：museum.rba.gov.au）库克船长的随行画家帕金森在归航中病逝（来源：nla.gov.au）2001年澳大利亚和瑞士联手同时发行帕金森绘画的纪念邮票（来源：stampcommunity.org）1979年图瓦鲁为纪念库克船长逝世200周年发行的邮票（来源：historien.nl）1969年新西兰发行邮票纪念库克船长观察金星凌日200周年（来源：seemotive.de）1969年澳大利亚诺福克岛邮票纪念库克船长观察金星凌日200周年（来源：ephemeraltreasures.net）从1772年起，库克开始第二和第三次环球航行，纵横四大洋，驰骋全世界，成为历史上最伟大的航海英雄。1779年，库克在夏威夷岛和当地居民冲突中不幸遇难。1869年塔基提建立的“金星点”灯塔。（来源：London Missionary Society ，Commons Wikimedia）塔基提岛上，1769年库克观察金星凌日的旧址。（摄影：C.J.Butler，来源：star.arm.ac.uk）无论对观察金星凌日的热情还是投入，法国比起英国都毫不逊色。1760年3月26日，巴黎天文台台长卡西尼的高足弟子、数个梅西耶天体发现者让蒂尔奉命远征，乘坐贝利耶号军舰到印度东部本地治里观察金星凌日，7月10日已早早赶到毛里求斯。但此时印度洋战云密布，商旅不行，让蒂尔只好在罗德里格斯静候，并一度准备加入平格雷的团队。1761年2月9日，适逢法国军舰仙女号驶往印度，让蒂尔不避危险奋然随行，5月20日到达印度海岸，才得知本地治里已经陷入英国人手中，只能打道返回毛里求斯，但时间已经来不及了。6月6日金星凌日如期而至。让蒂尔正航行在茫茫的印度洋上，尽管红日朗照、碧霄万里，但颠簸摇晃的甲板却根本无法安放一架稳定的望远镜，也不能确定精准的经纬度。让蒂尔没有取得任何可靠的观察数据，只好眼睁睁看着千金一刻的时光付诸流水。让蒂尔画像（来源：Transits of Venusin History：1761，by： Robert Naeye）让蒂尔在本地治里的观测台（来源：yooniqimages）让蒂尔工作的巴黎天文台（来源：oncle-dom.fr）面对命运打击，让蒂尔决定留在印度洋地区，耐心等待8年，观测1769年的金星凌日。比起风涛万里、战火纷飞的海上航行，为了有生之年最后一次机会，让蒂尔认为值得独在异乡苦苦守候！作为科学通才，让蒂尔没有虚度时光，他测绘了马达加斯加海岸，并对当地自然、地质、生物、气象、潮汐等进行了全面研究。1769年金星凌日渐渐逼近，让蒂尔经过反复比较，认定最佳观测点应该是菲律宾的马尼拉。于是1766年5月1日便提前启程，8月10日顺利抵达。岂料当地的西班牙殖民官拒不接纳这位痴情的天文学家，无奈之下，让蒂尔只好转赴本地治里——此时这个“沦陷”的印度城市已经根据“1763年和平协议”重回法国手中。1768年3月27日，让蒂尔来到本地治里，并选取一座被英军损毁的弹药库改建天文台。1769年6月3日金星凌日前，天气一直晴好，6月2日夜间，让蒂尔还邀请当地总督观看土星卫星。岂料翌日天气骤变，恰恰在金星凌日的时刻阴云四合，从头到尾遮蔽了这场历时6小时34分的世纪大戏，此后却马上云开日出持续晴朗。另一个对让蒂尔伤口撒盐的消息是，金星凌日全过程中，马尼拉天空万里无云。让蒂尔探测金星凌日的卡通画（来源：Illustre Normand，Guillaume Le Gentil de la Galaisière）苦守8年再误佳期，让蒂尔彻底崩溃，写报告时手中的笔几次跌落：“这就是天文学家的宿命，万里奔波和自我流放，却被一片致命的云在最精确的时刻挡住太阳，我无法从打击中恢复，不能相信金星凌日就这样结束了。”让蒂尔终于想到了回家，但致命的痢疾使他再三延误归计。1770年11月，让蒂尔带病从毛里求斯登上赴欧洲的货船，又遇到风暴几乎沉没而返回原地。直到1771年3月31日才最终搭乘一艘西班牙军舰，8月1日到达加迪斯港。让蒂尔徒步翻过比利牛斯山，1771年10月8日踏上了法兰西土地，屈指算算，离开故国11年6个月13天！女天文学家霍格说：“这大约是历史上最漫长的天文探险。”让蒂尔观察金星凌日的航行路线（来源：Guillaume Joseph Hyacinthe Jean-BaptisteLe Gentil de La Galaisière，balmatitude1.e-monsite）迎接让蒂尔的不是朋友的鲜花和亲人的拥抱。他已经被宣布“合法死亡”，妻子改嫁，个人财产被全部瓜分，他在法国科学院中的席位也由别人顶替。经过艰苦诉讼，让蒂尔拿回了部分财产，并在国王路易十五亲自干预下，于1772年2月28日恢复了科学院的头衔。他重新结婚后喜得一女，并出版了2卷畅销书《印度洋之旅》，月球上有个陨石坑就以让蒂尔命名。“受尽天磨”的让蒂尔总算有了大团圆的结局。而他的时乖命蹇也成为“墨菲定理”的典型案例。关于让蒂尔遭遇的报道（sciencewise.anu.edu.au）披读金星凌日浩瀚的典籍，处处都会看到法国天文学家沙普的名字。他曾勘测洛林地区的经线，确定2颗彗星轨道，并和卡西尼、让蒂尔一起在巴黎观察过1753年5月6日的水星凌日。受法国科学院派遣和俄国伊丽莎白女皇邀请，沙普的4人小队于1760年11月动身前往西伯利亚首府托博尔斯克——那里是1761年金星凌日过程最短的“哈雷极点”，因此格外特殊和重要。携带着半吨重的设备，从巴黎到维也纳，从华沙到圣彼得堡，马车先后在路上散了架，那些温度计、气压计等科学仪器也几乎全都碰破颠碎。乘坐马拉雪橇跨过封冻的伏尔加河和乌拉尔山，进入无边的西伯利亚干草原和浑莽的大沼泽，屈指行程5000公里，终于在1761年4月10日到达托博尔斯克。法国天文学家让·巴蒂斯特·沙普，是世界上唯一全程观察了1761年和1769年金星凌日的科学家。（来源：Commons Wikimedia）1761年法国天文学家沙普抵达西伯利亚首府托波尔斯科观察金星凌日（来源：Chasing Venus the Race to Measurethe Heavens by Andrea Wulfm）沙普前往西伯利亚首府托博尔斯克观察1761年金星凌日旅程（来源：The Venus Transit and the Astronomical Unit Calculation——William Thuillot）1761年6月6日，天如人愿，百事顺遂，沙普精确记录了金星凌日5小时48分50秒的全过程，并在他的天文台外帐篷里架设望远镜请当地政要一饱眼福。途经圣彼得堡停留期间，沙普会见了罗蒙诺索夫并发表了观测数据，还把珍稀的猛犸牙齿带回巴黎，此后写下了三大卷《西伯利亚纪行》。他的两个侄子都是受到这本书的鼓舞走上了科学道路。1761年沙普在西伯利亚首府托博尔斯克建立金星凌日观察站（来源：Chasing Venus the Race to Measure the Heavens by Andrea Wulf）1761年沙普在托博尔斯克观察金星凌日，当地居民把恶劣的天气灾害归罪于外来科学家触犯天威。（来源：slingsandarrowsblog）沙普在西伯利亚托波尔克测定维度（来源：nsc.ru）沙普团队在托波尔斯克宿营（来源：Chasing Venus the Race to Measure the Heavens by Andrea Wulf）1769年，沙普再次投身于全球天文学家对金星凌日的“围猎”大行动。原计划去所罗门群岛进行观察，但宗主国西班牙只批准他们到拉美地区的下加州半岛，比起英国科学家完全被拒绝，这已经非常幸运了。1768年9月18日，沙普和王室工程师泡利、钟表师杜波伊斯、青年画家诺埃尔一行离开巴黎。在卡迪斯按照法院命令吸收了西班牙官员多兹和麦迪纳。共28人乘坐一条仅有12名水手的小船，驶往万里迢遥的拉丁美洲。1769年5月19日到达下加州尽头的圣何塞-德尔卡波。这里便是沙普远征的终点和梦想的归宿。1769年沙普探险队远涉重洋来到拉美下加州，随团画家让诺埃尔作品《怒海扁舟》表现航程艰险。（作者：Alexandre Jean-Noël，来源：Alexandre Jean-Noël Pintor oficial de El Paso de Venus 1769）沙普团队在下加州圣何塞搭建的金星凌日观察站（来源：Chasing Venus the Race to Measurethe Heavens by Andrea Wulf ）沙普团队在下加州圣何塞架设望远镜（作者：Alexandre Jean-Noël，来源：Alexandre Jean-Noël Pintor oficial de El Paso de Venus 1769）他们迅速搭建起“天文台”，把带来的象限仪、摆钟和3个多隆德消色差望远镜安顿停当。简陋的泥棚，房顶开3个孔洞，平时用布遮蔽，观察时才露出天空。6月3日艳阳高照，纤云扫迹，一丸金星缓缓掠过日轮。仆人在旁边大声读秒。沙普和多兹、麦迪纳各自守着一台望远镜，凝神屏气捕捉天上的一脉一息，准确记下每个重要的时间节点和金星轨迹弦线与太阳赤道的夹角，整个观察可谓尽善尽美。5个半小时下来，沙普全身已经被汗水湿透。他们彼此热烈祝贺，并和金星凌日做最后的世纪告别，深深庆幸没有辜负这次旷世机缘。沙普观测1769年金星凌日的宿营地圣何塞-德尔卡波（来源：Apuntes de Astronomía LatinoamericanaJean Baptiste Chappe d'AuterocheIntrépido astrónomo que dejó sus huesos en México，Edgardo Ronald Minniti MorganPremio ）然而沙普未曾料到，蓝天丽日和旖旎风光下，死神正向他们张开黑色斗篷。登岸伊始便听说这里已有三分之一人口在瘟疫中病逝，当时完全来得及更换地点到西南18英里的圣卢卡斯。但沙普认为宁可让生命冒险，不能让观测闪失。金星凌日2天后，多兹、麦迪纳和11位随员开始发病。沙普靠巴黎带来的一本医书和少量药品紧急应对，不久自己也受到传染。用泻剂治疗稍有好转，沙普又带病坚持观察6月19日的月食，以便更好确定当地的经度。此后病势渐沉，8月1日不幸去世。一代“天文探路者”，草草埋葬在下加州的无名地，年仅42岁。此时村内人口已死去四分之三，金星凌日科考队残存的队员仍然抱病坚持观察木星的伽利略卫星掩食，来校准当地经度。直到生命最后一刻，他们的心灵都和天上的星辰相伴相依。沙普临终前在病床上说：“生命即将结束，但我因完成了使命而感到幸福。”1769年8月1日，沙普病逝并就地埋葬。泡利害怕自己难以康复和生还，曾把沙普的观察报告和日志收进一只书箱寄放在西班牙总督府并谆托运回法国。直到9月，幸存的9名科考队员才取道墨西哥城返回欧洲。最终踏上故国土地的，只剩下泡利、诺埃尔和多兹3人。巴黎天文台台长卡西尼从泡利手中接过沙普的遗稿并亲自进行整理编纂，1772年正式出版。沙普和众多同伴埋骨地球的另一端，却向他的时代交上了最完美的答卷。1974年圣何塞德尔卡波文化馆制作铜牌，纪念1769年沙普团队观测金星凌日和以身殉职的事迹。来源：El Paso de Venus San Jose Del Cabo 1769，aviada）18世纪两次金星凌日的观测大行动，是气贯长虹的人类史诗。遍布世界的天文学家用生命和忠诚换来的数据汇集起来，我们这颗行星便产生了新的智慧。曾经为世界选定金星凌日观测点的法国著名数学家拉朗德和诸多同辈争先恐后，用哈雷和德利勒创建的方法，对1761年的130处观察数据和1769年的154处观察数据进行系统归纳和精密计算，终于得出空前伟大的结论：太阳的视差为8.5弧秒，太阳到地球的平均距离为153000000公里。和目前公认的149600000公里十分接近。望远镜发明以来的4对金星凌日（作者：Richard A. Proctor，来源：eclipse-maps）1761年6月6日金星凌日在地球上的观察区（作者：Richard A. Proctor，来源：eclipse-maps）1769年6月3日6月4日金星凌日在地球上的观察区（作者：Richard A. Proctor，来源：eclipse-maps）根据地球上不同地区同时刻观察金星凌日的视差推算出地球到太阳的距离，即个天文单位AU（来源：astroaula.net）世界上从此有了“天文单位”这把得心应手、通用共享的“量天尺”。人类不仅将整个太阳系各行星的边邻四至尽收眼底，还向着辽阔的宇宙空间张望，并从此开始了国际合作的大科学时代。1732年法国发行的拉朗德纪念币（来源：britannica）巴黎天文台穹顶画《金星凌日》，右下角左起为哈雷、德利勒、韦里耶（来源：Allégorie représentant le passage de Vénus devant le soleil，par E. L. Dupain，1886-droits：Observatoire de Paris）作者：赵致真出处：《播火录》授权方：北京出版社