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TUhjnbcbe - 2024/10/9 9:30:00

本集主题:18世纪的天文学家,怎么测量地球到太阳的距离的?

今天,我们知道由于地球绕太阳运行的轨道是一个椭圆,而太阳位于椭圆的一个焦点上,所以从太阳到地球的距离是时刻变化着的。日地距离也是天文学上的长度单位,曾以地球到太阳的平均距离定义,现在已经改为其绝对距离,,,米,其实早在18世纪,尽管条件有限,但是当时的天文学家还是计算出了相当接近的结果,他们是通过什么方法得出日地距离的呢?我们还是照旧先从一个重大的突破讲起。

彻底打破地心说

18世纪初尽管伽利略、开普勒、牛顿和哈雷等人都做了一系列的工作,但当时人们还是不能确定第谷模型和哥白尼模型到底哪一个是对的,因为还没有出现一个无可辩驳的证据能够表明地球实际上在围绕着太阳运行。

然而,巴黎的皮卡尔(Picard,Jean—)还有格林威治的弗拉姆斯蒂德(JohnFlamsteed-)都有注意到同一种现象——北极星虽然看似无论何时都停留在同一个位置,但实际上它的位置会在一年的时间里来回变动。

哈雷的继任者,天文学家詹姆斯·布拉德利基于这一现象(JamesBradley—)所提出的观点彻底宣告了地心说模型的破产。

他提出,如果我们把星光想象成雨滴,当你打着伞在雨中向前走的时候,会觉得雨好像是从前方倾斜着落下的。但实际上,雨滴是从正上方落下的,之所以会感觉到这种现象是因为你处于运动之中。同样地,当地球在轨道上运行时也相当于从“星光的雨滴”中穿过,并且在轨道的两端运行的时候,穿过星光的方向也是相反的。正是这种效应导致夜空中星星的位置在一年之中来回变动。现在,我们把这样一种运动的观测者观察到光的方向与同一时间同一地点静止的观测者观察到的方向有偏差的现象称为:“光行差”。由于第谷模型中的地球是静止不动的,所以按照他的模型自然也不会产生这样的现象,显然实并非如此。最终,由布拉德利于年向我们证明,哥白尼提出的日心说模型才是正确的。不过,在这之后直到年,天主教会仍一直将宣传日心说的书籍列为禁书。

金星凌日

当天文学家们确定了地球只是众多行星中的一颗之后,为了更好的测量我们所处的宇宙,工作重心自然而然地,就开始转向计算地球和太阳之间相隔的距离。在18世纪,完成这项工作唯一的途径是观测一种叫做“金星凌日”的非常罕见的天象。这种天象有点儿像迷你版的日食,当金星从太阳的正前方经过的时候,我们在地球上会看到太阳表面有一个小黑点在缓慢移动。如果从地球上两个不同的地方观测(两处相隔越远越好)就可以发现,由于观测的角度不同,金星凌日在这两个地方开始和结束的时间会有一些不同。

哈雷认为我们可以利用这个时间差计算出地球和金星之间的距离,然后运用开普勒第三定律就能得到地球到太阳的距离。然而,由于金星距离我们比较远,所以看起来很小,如果没有望远镜的话就很难成功观测这种天象。金星凌日以两次凌日为一组,每组两次凌日之间的间隔是8年,但是两组之间的间隔却有多年,比如最近的一次金星凌日分别发生在年6月8日和年6月6日,而下一次金星凌日预计会在年之后,也就是年和年。

人类史上对金星凌日的第一次预测,是由约翰尼斯·开普勒(JohannesKepler,—)通过自己提出的行星运动定律进行计算后得出的,他预测了年的金星凌日,虽然结果是对的,但是这次凌日发生时欧洲还处于夜晚,所以没有人对它进行观测。

而第一个观测到金星凌日的人,是英国天文学家杰里迈亚·霍罗克斯(JeremiahHorrocks)他成功地预测了年的金星凌日,并且在他位于普雷斯顿附近的家中进行了观测。

埃德蒙·哈雷在年提出了利用金星凌日的观测数据来计算日地距离的方法,但天文学家们只能等到他提出这一方法70年后的年和年这两次金星凌日之时再进行观测。

这次测量的重要性以及测量时机的稀缺性,使得18世纪的天文学家必须竭尽全力地把握这多年中仅有两次的机会。欧洲的天文台在全世界范围派遣了多个天文小组观测年和年的两次金星凌日,为了防止受到天气的影响,他们设立了非常多的观测点,这样即使有的小组遇到了阴雨天,还会有别的小组得以成功观测。

英国皇家学会还委托了著名的詹姆斯·库克船长(CaptainJamesCook-)驾驶奋进号前往大溪地观测年的金星凌日,他虽然不是科学家,但这位曾三度奉命出海前往太平洋的英国皇家海军军官因其对科学研究的贡献,在年获得了由英国皇家学会颁发的科普利奖章。不过,在那次前往大溪地的出航除了观测之外,库克还随身携带了英国政府的密函,里面安排了他在观测结束之后的秘密任务——在太平洋上寻找传说中的尚未被发现的大陆——南极洲,但是这一次航行最终只发现了新西兰岛。库克于年4月29日在位于现在的悉尼,一个叫做博塔尼湾的地方登陆,并将这里变成了欧洲人在澳大利亚大陆上的第一块殖民地。

最终,当时的天文学家由塔希提岛得到的观测数据推断出日地距离为93,,英里也就是,,,千米。这与我们今天利用航天器、雷达和激光等设备得到数据已经非常相近了,18世纪的天文学家运用有限的条件,展开了对广袤宇宙的探索,虽然所得出的结果已经被修正,但是这种为探求真理不断奋进的精神,仍然值得我们学习。

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