會移動的子午線:起初人們是如何運用天文學現象測量經度的?
文 |周冉
位於倫敦郊區的格林尼治天文台外牆鑲嵌著一個巨大鐘表,安裝於1851年,顯示的正是世界通行的格林尼治時間。每到中午12點58分,林尼治天文台屋頂上方紅球都會從桿上升起,下午1點準時滑落。航行於泰晤士河的船隻遠遠望見,通常習慣性地與標準時間對時。事實上,全球都會遵從這個標準時間,以通過這裡的零度經線為標準,計算自己所在時區的時間。格林尼治天文台能夠備受尊崇絕非易事,是幾代科學家用畢生努力換來的。
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以天文學現象測量經度,是人們最先想到的靠譜方法。伽利略認為,木星的4顆衛星每天都在上演星蝕,大約一年要發生1000次,只要掌握了其中規律,制出星蝕表,依據表格對照當時的星蝕狀況就可以判斷經度。伽利略製作的星蝕表,預報了幾個月內每一顆木星衛星的出現和消失情況。他寫信給西班牙腓力三世,並把自己的計劃交給西班牙宮廷,很快被駁回了,理由是,在飄搖不定的海上,海員要找到這4顆衛星已經十分困難了,更別說頻繁找到它們,使用這種方法要求必須是晴朗的晚上,到了白天依然兩眼一抹黑。伽利略自己也承認,即使是在陸地上,「一個人的心臟跳動,也會導致整個木星跳出望遠鏡的視野」。
伽利略終其一生都在研究這些遙遠的衛星,直到又老又瞎再也看不見它們,他發明的測量經度的方法,已經被廣泛使用於陸地。歐洲各國用這個方法重新測量了大陸邊界。路易十四曾站在依據精確測量而修訂的版圖面前說,他輸給天文學家的領土,比輸給敵人的還要多。雖然嘴上抱怨,路易十四的內心還是欽佩至極,1667年巴黎天文台的建立就得益於他的支持。
1675年,英國皇家格林尼治天文台在喬納·摩里爵士的促成下建成,查理二世任命27歲的約翰·弗拉姆斯蒂德為第一任皇家天文學家,天文台的主要任務,是制定月亮和恆星位置的準確圖表,以確定海上船隻的位置。國王指示弗拉姆斯蒂德「以最謹慎的方式並以最大的努力,校正天體運行圖表及恆星星位,以便找到人們如此熱望的海上經度,從而完善導航技術」。
英格蘭天文學家愛德華·沃爾特·蒙德正在使用格林尼治天文台的28英寸折射望遠鏡
天文台選址在格林尼治公園最高的地方,1675年7月動工,耗時近一年。頂層一個八角形房間既是弗拉姆斯蒂德的工作室,也是他的家。不過格林尼治城堡並不能很好地與子午線吻合,通過測繪,弗拉姆斯蒂德又在花園深處的一個棚子里建造了觀測台,沿著子午線架設了一部望遠鏡,根據星星運轉的規律性,以子午線為標杆,測算地球周轉間隔,比較上千次觀測數據。他每天傍晚開始,黎明結束,用了43年的時間積累數據,繪製出一張完整的星空圖。
弗拉姆斯蒂德繪製的星表《不列顛天圖》包含約3000顆恆星,雖然比以往任何一部星表都精確,但他認為這些數據仍不夠格發表,始終不肯出版。焦急等待的天文學家愛德蒙·哈雷和牛頓從天文台搞來了這些資料,在當事人不知道的情況下盜版刊行。弗拉姆斯蒂德氣壞了,認為很多星位還未被證實,草率出版會損害自己的羽毛。他收集來出版的400本中的300本,堆在一起付之一炬。
名義上是國王的天文觀測官,俸祿卻少得可憐,弗拉姆斯蒂德每年只能從國王那領取到100英鎊。天文台擁有的儀器除少數贈品外,大部分都要弗拉姆斯蒂德自掏腰包購買,他不得不業餘兼職當天文學教授,掙些學費。他曾在給好友的信中抱怨,自己每天不得不應付這些幼稚的學生帶來的麻煩。現在,約翰·弗拉姆斯蒂德在格林尼治天文台居住過的4個小房間,修繕一新後對遊人開放。
1720年,第二任皇家天文學家愛德蒙·哈雷走馬上任,就是那個偷偷幫同僚出書的傢伙,此時的他64歲,在圈內聲名顯赫。愛德蒙·哈雷最著名的成就,是成功預測了彗星回歸的軌跡,這顆彗星以他的名字命名,就是大名鼎鼎的哈雷彗星。哈雷發現弗拉姆斯蒂德制定的子午線已經出現了偏差,建議在原子午線的東北造一個新的子午線牆,同時增加兩台天文儀器。
所謂「標準」並不是一成不變,對子午線的認定必須基於嚴密的天文觀測而不是坐享前人成果,這種對待科學的嚴謹態度,在格林尼治天文台此後工作中延續下來。隨著歷史的推移,在弗拉姆斯蒂德子午線以東,出現了三條後人劃定的子午線,分別是愛德蒙·哈雷子午線、詹姆斯·布拉德雷子午線和喬治·比德爾·艾里子午線,最後這條,成為1884年最終被認定的本初子午線。以弗拉姆斯蒂德小屋為原點,每當認定了新的精確子午線,就向東再增加一個房間,逐漸形成了現在看到的子午線建築群。
28英寸格林尼治折射望遠鏡,是當時英國最大的望遠鏡,1893年完工。為了安放它,天文台特意修建
今天的人們發現,當你身處天文台掏出手機用GPS定位,顯示結果卻不是零度。這是由於受到地球自轉和地心引力影響,誕生於1851年、通過望遠鏡觀察天體運動訂立的這條本初子午線,已經出現偏差。研究人員發現,真正的本初子午線,位於天文台以東101米的地方,恰好穿過格林尼治公園裡的一個垃圾桶。
詹姆斯·布拉德雷是格林尼治天文台的第三任皇家天文學家,他是一位比弗拉姆斯蒂德還「偏執」的天文學家,終身致力於用月距法解決經度測量問題,甫一上任就一頭扎進對月球位置的觀測中。而他只是分散在全球從事這項工作的眾多天文學家之一,有些科學家,如瑞士數學家萊昂哈德·歐拉,把一生都貢獻給繪製準確的月球表這項繁複而瑣碎的工作。二人時常共享比對研究成果。
1766年,英國皇家天文台第五任皇家天文學家,內維爾·馬斯基林出版了一本實用的《航海曆》以供海上的船長們確認經度。不過使用這個《航海曆》需要大量數學運算,確定一次經度需要計算4個小時,更像是紙上談兵,後來又有改進。
回顧天文台的歷史,可以說成績斐然,但歷代皇家天文學家耗盡畢生精力,始終沒能找到可供實操的破解經度方法。
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