转：谢幕的金星凌日

wangfei

原博文：http://blog.sciencenet.cn/blog-3061-579622.html
昨天，罕见的天象金星凌日谢幕了：正如预期的那样，金星运动到了太阳和地球之间的连线上，我们看到了太阳上的一个黑点。 我也有幸见证了这一天象。由于金星环绕太阳运动的轨道与地球环绕太阳的轨道有一个倾角，这一现象并不经常发生，不过它发生时却经常间隔8年连续发生两次。在2004和2012年这两次后，在地球上要再看到这一天象，就要等到一个世纪以后的2117年了。

对于现代的天文学家来说，金星凌日在科学上的价值已经大大减弱了。对于想要观测太阳系外行星的科学家来说，金星凌日也许可以提供一定的参考，有不少太阳系外行星是在它们经过中心恒星的前方（星食）时被发现的——这与金星凌日颇为相似，这时恒星的亮度会略微减小，如果观测其光谱，也许还能研究其大气的性质。但是，应该说这种参考价值毕竟是有限的。因此，大多数天文学家们也只是观赏一下，倒是业余天文爱好者和摄影爱好者们非常活跃，拍出了不少漂亮的照片。然而，在天文学的发展历史上，金星凌日却曾经发挥了巨大的作用，人们为了观测它，甚至冒着生命的危险，这是值得我们纪念的。

要用肉眼看到金星凌日并不容易，因此古代历史上并没有确切的金星凌日记录。1627年，开普勒最早从理论上预言了水星和金星可能发生凌日现象，并指出1631年可以观测到这两个天象，但不幸的是他在1630年去世了，未能亲眼看到自己的预言得到验证。1631年，Johann Baptist Cysat， Johannes Remus Quietanus和Pierre Gassendi 分别在欧洲的不同地点观测到了水星凌日。不过，这一年的金星凌日发生时欧洲许多地区还处于夜间，因此未能观测到。开普勒也没有意识到金星凌日会在8年后再次发生，因此这几位观测者并未想到在1639年再去观测金星凌日。

但是，1639年的这次机会并没有被浪费。最早观测金星凌日的是两个青年英国天文学家 Jeremiah Horrocks 和他的朋友 William Crabtree。他们是在1639年进行观测的。1638年，年仅20岁的Horrocks 已是一位很有造诣的天文学家，他自学了开普勒的天文学理论，并预言当年会发生一次水星凌日。这次预言并不准确，水星凌日没有发生，但这却使他和Crabtree 进行了一次观测的演习。接着，1639年，Horrocks 又预言了11月24日（旧历）下午3点即将发生金星凌日。由于担心计算不够精确，他在前一天的下午也进行了观测，在当天他从日出就开始观测，但中午时由于有事他离开了放望远镜的房间。当下午3点15分他回到房间时，惊喜地发现正如预期的那样，金星已经进入了日盘。在另一个地方，比Horrocks 大几岁，同样为开普勒天文学着迷的Crabtree也观测到了金星凌日，但由于云的遮蔽他只进行了暂短的观测。虽然如此，他根据观测给出了金星的大小为1角分3角秒，这是相当精确的结果。Horrocks 得到的值略大，是1角分12角秒。 Horrocks 就此次观测写成了一本书，但还未来得及发表，1641年他就突然去世了。3年之后，Crabtree 也去世了。这两位优秀的青年天文学家是英国天文学研究的先驱，他们的早逝令人惋惜。

金星凌日在科学上的重大意义在于它可以用于测量太阳到地球的距离。自古以来，测量天体的距离始终是天文学上的一个重大难题。太阳距离我们到底有多远？金星凌日为测定日地距离提供了一种手段。Horrocks 想用他的观测给出日地距离，他提出了一个貌似合理却是错误的假设：行星的大小与其到太阳的距离成正比。根据这一猜想和观测到的金星视角大小，他得到的日地距离是9千6百万千米——并不正确，但比起以前的日地距离值，这个值算是最大也最接近真实值的了。

真正给出一个用行星凌日测日地距离的办法的是苏格兰的格里高利(James Gregory，他最著名的成果是发明以他名字命名的望远镜)，他在1663年首次提出了用水星凌日测量日地距离的方法。格里高利提出的方法是基于标准的几何学。后来，著名的天文学家哈雷(Edmund Halley) 到南大西洋的圣赫勒拿(St. Helena)岛--这就是后来囚禁拿破仑的那个岛,观测南天的星空以绘制全天星图，并在那里观测了一次水星凌日。但是，水星比较小，观测比较困难。哈雷在他的论文中提出了用不同地点的金星凌日测量日地距离的方法。



这个方法的原理大致如上图所示（为了便于观测，这个图把角度和太阳以及地球的大小都夸张了），v点表示金星，如果知道地球上两点A和B的距离，再知道q角，就可以用三角方法测出金星和地球的距离。我们已经从地球和金星的公转周期以及开普勒定律知道，金星到太阳的距离大约是日地距离的0.72倍，因此从金星到地球的距离就可以解出日地距。问题是这个角度怎么测呢？从地球上不同点，看到金星穿过日面的径迹是不同的，两条径迹间的角度就是所求的角度。但是，上图两条径迹的间距画得比较夸张，实际观测时两条径迹离得很近，很难直接测出它们的间距。哈雷提出的办法是，测量金星穿越日面的时间， 金星扫过日面基本是匀速的，弦越长，所需的时间也越长。整个凌日过程可能会持续几个小时，而地球上相距遥远的两点，凌日持续的时间则可能只相差几分钟。 根据这一时间差，就可以测出两条弦长度的差别以及相应的微小角度来。后来，也有人提出，不用测这个时间间距，根据不同地点凌日开始或结束的精确时间，也可以完成测量。当然，实际上还要修正诸如地球自转等复杂因素的影响。无论如何，哈雷提出的方法，使用当时所拥有的简单技术，就可以测出日地距离。

哈雷虽然提出了这一方法，但在他的有生之年，是无法等到下一次金星凌日了。然而，他的这一方法引起了科学家们巨大的兴趣，1761年和1769年的金星凌日观测，成了当时国际科学界最重大的合作项目。1761年，9个国家的120名观测者在世界各地进行了观测，除了英国、法国、德国、美国、俄罗斯等，也包括西伯利亚、挪威、纽芬兰、马达加斯加等遥远而的地区。观测者中包括后来因测绘美国南北分界线而著名的梅森和迪克森(Mason & Dixon)，他们是在好望角进行测量的。在圣彼得堡观测的罗蒙诺索夫根据金星在凌日瞬间产生的光环推断金星有大气。尽管如此，由于天气的原因，这一年的观测有很多并未成功。

为了筹备1769年的观测，英国皇家学会提议派船远航到南太平洋进行观测，要以此证明英国在对科学的追求上，英国“绝不逊于地球上的任何国家，无论是古代的还是现代的”，其豪迈之气跃然纸上。英国皇家海军则希望借此机会对当时人们还所知甚少的南太平洋和传说中的南方大陆进行秘密考察。他们派出了当时名不见经传但在加拿大哈德逊湾测绘工作中表现优异的青年军官库克船长(James Cook)，指挥奋进号船远航南太平洋的塔希提。库克和船上的两位天文学家Green, Solander 分别进行了观测。但是，由于所谓黑滴效应（当金星与日面接触时，由于望远镜分辨率不足，其形状似乎发生改变），三人的观测结果并不一致，因而难以获得精确的时间。 尽管有黑滴效应的影响，根据1761和1769年的观测，法国天文学家勒朗德(Lelande)测得的日地距离为1.53亿千米，这已经相当接近现代值了。

库克在观测完金星凌日后继续航行，以探索南太平洋并寻找传说中的南方大陆，他测绘了新西兰和澳大利亚东部，这就是著名的库克船长的第一次远航，他的地理发现为英国日后在澳大利亚和新西兰建立殖民地打下了基础,而他本人也因此一举成名。此后，他又进行了第二次和第三次远航，对整个太平洋进行了大规模的调查，最后在第三次远航时在夏威夷被土著人杀死。

除了库克以外，其他许多国家的天文学家也进行了观测，当时正与英国交战的法国还专门下令，对库克的船予以放行，因为该船是为科学服务的（不过，一些其他天文学家就没有这么走运，梅森和迪克森的船遭到法军攻击并有多人战死）。

但是，要说倒霉，最倒霉的还要数法国天文学家Guillaume Le Gentil。1760年春，他从巴黎出发前往印度，想要观测1761年的金星凌日。他抵达了毛里求斯，并乘船前往印度，但是此时英国和法国之间的战争爆发，船只好掉头返回，此时正逢金星凌日，在船上的Gentil 无法进行精确的观测，错过了观测的时机。不甘心就此回国，Gentil 在马达加斯加和印度度过了一段时间，等待8年后的第二次金星凌日。然而，1769年那一天他所在的地方乌云密布，观测又成泡影，这使他几乎发疯，好不容易才又恢复了理智。但是，Gentil 的倒霉运还没有结束。他生了病，然后他的船在回国的路上又遇到风暴，直到1771年10月他才辗转回到法国。然而，回来后他又发现，原来大家都以为他已经死了，他的妻子已经改嫁，他在科学院的席位已经给了别人，而他的财产也被亲属们分光了。好在这位可怜人得到了国王的同情，经过漫长的诉讼后，才又终于拿回了自己在科学院的席位和财产，并另娶了一位妻子。

下一对金星凌日发生在1874年和1882年发生。这次有更多和更精密的观测。19世纪的天文学权威美国的西蒙·纽康(Simon Newcomb)根据1761－1882年的4次观测数据，得到了日地距离为1.4959亿千米，误差约3百万千米，这在相当长时间内是日地距离的标准值——也被称为天文单位。直到后来有了雷达技术，日地距离的测量误差已降到30米左右，远远超过了金星凌日观测所能达到的精度。因此，现在天文学家们已不再把金星凌日观测作为测量日地距离的主要手段，而是把它更多地当作一种公众活动。但是，前辈天文学家们在那样简陋的条件下，不惜冒险，花费多年的时间，远涉重洋，去进行金星凌日的观测。而当时的国家，不仅花费重金支持这一研究，而且甚至为了这一人类共同的科学目标，暂时放过敌国的舰船，这样的精神令人钦佩和感动。而另一方面，想到他们的那些冒险，我有时觉得，这些18世纪的学者，其生活经历比我们现代的天文学家更丰富和精彩，而禁不住羡慕他们。

值得思考的是，1761年的金星凌日，我国处于较便于观测的地方（凌日发生时我国是昼间），而1769年那一次金星凌日时，我国大部分地区也可观测到日出后的部分凌日。但是，我并未发现有我国参与这两次观测的记录。当然， 我并非专业的天文史研究者，所见皆为二手资料，也许并不全面，如果有人了解相关的材料，欢迎补充和指正。不过，如果我国当时有人观测了金星凌日，应该是相当著名的事件，因此我推测当时中国没有进行过这样的观测。1761年为我国乾隆26年，正处在所谓康乾盛世中，在钦天监工作的有多名来自欧洲的耶稣会传教士，其中最有名的是蒋友仁(Benoist Michael)，他在1760年曾向乾隆进献 “坤舆全图”，首次在中国介绍了哥白尼日心说和开普勒定律。1759年被新任命为钦天监负责人的则是著名蒙古族天文学家明安图，他熟悉第谷的学说，长期进行历法制订的工作，1760年曾远赴新疆进行大地三角测量，并在数学上有所发现。在当时的中国进行金星凌日观测，从技术上讲应该是有条件的。从当时全世界人们广泛参与这一观测的情况看，熟谙天文学的耶稣会传教士们不应该不了解这一事件，而在中国进行这一观测，条件也相当不错——不仅整个凌日过程完全可以观测到，而且甚至无需派专人前往，蒋友仁、明安图等人完全可以胜任这样的观测。中国当时也已有一些传教士带来的小型望远镜可用于观测。但是，这样的事情并未发生，其中的原因是什么呢？是由于远隔重洋，通信不畅，在中国的传教士们不了解这一事件？是担心日心说的引入会影响传教？还是担心这一天象可能被皇帝认为是不祥之兆而故意隐瞒？或是传教士虽然提出了这一建议却未引起皇帝和大臣们的兴趣？今天我们恐怕已经很难了解其中的原委了，但这确是一件非常令人遗憾的事。试想，当时如果传教士们向乾隆皇帝报告这一国际学术界的空前合作计划，引起他和其他中国人的兴趣，并在中国进行这样的观测，很可能会促进日心说等西方天文学理论在我国的传播和普及，引发人们对西方科学、地理的好奇和与西方科学界的交流。那么，也许中国的历史发展就会完全不同。然而，遗憾的是，看来我国并未参与当时的两次金星凌日的观测。中国就这样与近代科学失之交臂了。

下一轮的金星凌日发生时（1874），中国早已衰落。钦天监已无人能了解这些学问。倒是有外国人来华观测，因此现在还有那时在北京的观测数据。美国天文学家James Watson 在北京期间还发现了一颗小行星，这是第一颗在中国发现的小行星，恭亲王为之命名为瑞华(Juewa)。

金星凌日已经谢幕了，只留下一些历史的余辉供我们欣赏和思索。