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会移动的子午线:起初人们是如何运用天文学现象测量经度的?

文 |周冉

以天文学现象测量经度,是人们最先想到的靠谱方法。伽利略认为,木星的4颗卫星每天都在上演星蚀,大约一年要发生1000次,只要掌握了其中规律,制出星蚀表,依据表格对照当时的星蚀状况就可以判断经度。伽利略制作的星蚀表,预报了几个月内每一颗木星卫星的出现和消失情况。他写信给西班牙腓力三世,并把自己的计划交给西班牙宫廷,很快被驳回了,理由是,在飘摇不定的海上,海员要找到这4颗卫星已经十分困难了,更别说频繁找到它们,使用这种方法要求必须是晴朗的晚上,到了白天依然两眼一抹黑。伽利略自己也承认,即使是在陆地上,“一个人的心脏跳动,也会导致整个木星跳出望远镜的视野”。

伽利略终其一生都在研究这些遥远的卫星,直到又老又瞎再也看不见它们,他发明的测量经度的方法,已经被广泛使用于陆地。欧洲各国用这个方法重新测量了大陆边界。路易十四曾站在依据精确测量而修订的版图面前说,他输给天文学家的领土,比输给敌人的还要多。虽然嘴上抱怨,路易十四的内心还是钦佩至极,1667年巴黎天文台的建立就得益于他的支持。

1675年,英国皇家格林尼治天文台在乔纳·摩里爵士的促成下建成,查理二世任命27岁的约翰·弗拉姆斯蒂德为第一任皇家天文学家,天文台的主要任务,是制定月亮和恒星位置的准确图表,以确定海上船只的位置。国王指示弗拉姆斯蒂德“以最谨慎的方式并以最大的努力,校正天体运行图表及恒星星位,以便找到人们如此热望的海上经度,从而完善导航技术”。

英格兰天文学家爱德华·沃尔特·蒙德正在使用格林尼治天文台的28英寸折射望远镜

天文台选址在格林尼治公园最高的地方,1675年7月动工,耗时近一年。顶层一个八角形房间既是弗拉姆斯蒂德的工作室,也是他的家。不过格林尼治城堡并不能很好地与子午线吻合,通过测绘,弗拉姆斯蒂德又在花园深处的一个棚子里建造了观测台,沿着子午线架设了一部望远镜,根据星星运转的规律性,以子午线为标杆,测算地球周转间隔,比较上千次观测数据。他每天傍晚开始,黎明结束,用了43年的时间积累数据,绘制出一张完整的星空图。

弗拉姆斯蒂德绘制的星表《不列颠天图》包含约3000颗恒星,虽然比以往任何一部星表都精确,但他认为这些数据仍不够格发表,始终不肯出版。焦急等待的天文学家爱德蒙·哈雷和牛顿从天文台搞来了这些资料,在当事人不知道的情况下盗版刊行。弗拉姆斯蒂德气坏了,认为很多星位还未被证实,草率出版会损害自己的羽毛。他收集来出版的400本中的300本,堆在一起付之一炬。

名义上是国王的天文观测官,俸禄却少得可怜,弗拉姆斯蒂德每年只能从国王那领取到100英镑。天文台拥有的仪器除少数赠品外,大部分都要弗拉姆斯蒂德自掏腰包购买,他不得不业余兼职当天文学教授,挣些学费。他曾在给好友的信中抱怨,自己每天不得不应付这些幼稚的学生带来的麻烦。现在,约翰·弗拉姆斯蒂德在格林尼治天文台居住过的4个小房间,修缮一新后对游人开放。

1720年,第二任皇家天文学家爱德蒙·哈雷走马上任,就是那个偷偷帮同僚出书的家伙,此时的他64岁,在圈内声名显赫。爱德蒙·哈雷最著名的成就,是成功预测了彗星回归的轨迹,这颗彗星以他的名字命名,就是大名鼎鼎的哈雷彗星。哈雷发现弗拉姆斯蒂德制定的子午线已经出现了偏差,建议在原子午线的东北造一个新的子午线墙,同时增加两台天文仪器。

所谓“标准”并不是一成不变,对子午线的认定必须基于严密的天文观测而不是坐享前人成果,这种对待科学的严谨态度,在格林尼治天文台此后工作中延续下来。随着历史的推移,在弗拉姆斯蒂德子午线以东,出现了三条后人划定的子午线,分别是爱德蒙·哈雷子午线、詹姆斯·布拉德雷子午线和乔治·比德尔·艾里子午线,最后这条,成为1884年最终被认定的本初子午线。以弗拉姆斯蒂德小屋为原点,每当认定了新的精确子午线,就向东再增加一个房间,逐渐形成了现在看到的子午线建筑群。

28英寸格林尼治折射望远镜,是当时英国最大的望远镜,1893年完工。为了安放它,天文台特意修建

今天的人们发现,当你身处天文台掏出手机用GPS定位,显示结果却不是零度。这是由于受到地球自转和地心引力影响,诞生于1851年、通过望远镜观察天体运动订立的这条本初子午线,已经出现偏差。研究人员发现,真正的本初子午线,位于天文台以东101米的地方,恰好穿过格林尼治公园里的一个垃圾桶。

詹姆斯·布拉德雷是格林尼治天文台的第三任皇家天文学家,他是一位比弗拉姆斯蒂德还“偏执”的天文学家,终身致力于用月距法解决经度测量问题,甫一上任就一头扎进对月球位置的观测中。而他只是分散在全球从事这项工作的众多天文学家之一,有些科学家,如瑞士数学家莱昂哈德·欧拉,把一生都贡献给绘制准确的月球表这项繁复而琐碎的工作。二人时常共享比对研究成果。

1766年,英国皇家天文台第五任皇家天文学家,内维尔·马斯基林出版了一本实用的《航海历》以供海上的船长们确认经度。不过使用这个《航海历》需要大量数学运算,确定一次经度需要计算4个小时,更像是纸上谈兵,后来又有改进。

回顾天文台的历史,可以说成绩斐然,但历代皇家天文学家耗尽毕生精力,始终没能找到可供实操的破解经度方法。

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