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托马斯·哈里奥特:比伽利略更早凝望月球的人  

2009-12-07 02:05:16|  分类: 特别报道 |  标签: |举报 |字号 订阅

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托马斯·哈里奥特:比伽利略更早凝望月球的人

Shea

(本文文字删减版已刊载于《人民画报》杂志2009年第11期。鉴于和文中图片版权拥有方达成的协议,本文完整配图版请看这里

  400年前的1609年,人类对宇宙的认知能力发生了质的改变。同年的7月26日晚,英国天文学家、数学家托马斯·哈里奥特(Thomas Harriot)使用刚问世不久的望远镜对月龄(从新月起算月相所经历的天数)为5天的月亮进行了观测,并且画下了一张标注有日期的素描图。这是迄今已知年代最早的使用望远镜画出的天体素描图,比伽利略广为人知的素描图还早了近四个月。

哈里奥特其人

  1609年49岁的哈里奥特已经是当时享有盛誉的天文学家和数学家。他是英国数学的领军人物,在欧洲大陆也很有名。他还和当时住在布拉格的开普勒保持着通信。哈里奥特是一个几何学家,着迷于欧几里得、阿波罗尼以及他们的追随者所带来的优美结论,同时也试图用现实中的数学概念来解释观测到的天体运动。此外,他还在代数以及方程理论领域做出了高度开创性的工作。在天文观测方面,他使用一个被称为“天文半径”的大型测量仪器将行星以及恒星的位置测定到了几个角秒的精度。

2009年12月7日 - BolideMag - 火流星
[图片说明]:托马斯·哈里奥特肖像。


  1560年哈里奥特出生在英国牛津,除此之外现在对他的家庭几乎一无所知。1577年他进入圣玛丽堂学习,并且在1580年获得学士学位。现在圣玛丽堂已经不复存在,在维多利亚时代晚期被牛津大学的奥里尔学院合并。在学生时代哈里奥特就表现出了出众的数学才能,毕业后不久就进入了沃尔特·莱利男爵家族成为了一名家庭数学教师。他参与了莱利家族船只的设计,还利用他的天文学知识为导航提出了专门的建议。

  1585-1586年他以科学家的身份前往了英国的新殖民地弗吉尼亚,成为了第一个在北美大陆教授西方科学技术的人。作为航海科学顾问的哈里奥特还被莱利要求寻找出一种能有效地在船甲板上堆放炮弹的方法。他所给出的结论非常类似现代原子的结构,随后在给开普勒的信中他描述了这一想法,由此影响了著名的“开普勒猜想”。

  在他回到英国之后不久,莱利男爵便失去了女王伊丽莎白一世的宠爱,并且在1603年被新国王詹姆斯一世判处死刑。随后,哈里奥特开始为第九代诺森伯兰伯爵工作。但1605年诺森伯兰因涉嫌英格兰天主教极端分子试图炸掉英国国会大厦的火药阴谋而入狱。哈里奥特也被捕并且受到询问,但很快被释放。

  1607年回归的哈雷彗星引起了哈里奥特对天文学的关注。1609年初他购买了一架望远镜,成为了最早使用望远镜进行天文学研究的天文学家之一。1609年7月26日的那个夜晚,哈里奥特更是通过望远镜第一个描绘了另一个天体的景象。

哈里奥特的月球观测

  目前哈里奥特有超过12张的铅笔或者墨水月球画被保存了下来,其中的第一张、同时也是最粗糙的一张可以追溯到1609年7月26日。在这张对月龄为5天的月亮的素描中,明暗界线的位置有一些错位,且画面中没有月亮上的环形山。不过,明暗界线中弯弯曲曲的部分可能代表的正是迪奥菲鲁斯环形山及其周围的区域。素描中淡淡的阴影则描绘出了月球上现在被称为危海、静海、丰富海以及可能是梦湖的区域。这张素描旁并没有任何关于哈里奥特所见的文字描述,也没有写下这次观测的目的。一种观点认为,哈里奥特当时是想通过望远镜精确地确定上弦月,然后采用和阿利斯塔克类似的方法来计算地球-月亮-太阳的距离之比,即假设上弦月时,日、月、地成直角三角形,通过测量太阳和月亮在天空中的夹角就可以测算日地距离和地月距离之比。不过这需要月龄为7天而非是5天的月亮。由于哈里奥特的第一架望远镜的放大倍率仅为6倍,因此这第一幅素描中没有呈现出过多的细节也并不让人吃惊。

  从目前保存下来的手稿来看,在这之后差不多一年的时间里,哈里奥特就再也没对月亮进行过素描。1610年7月17日他画了第二张月面素描。从这张素描开始,后续的素描展现出了越来越丰富的细节。在后来一个没有特定注明的时期里,哈里奥特似乎停止了他的望远镜观测(可能是在1613年前)。之后,他突然绘制了两张未标注日期的完整月面图。这两张月面图描绘了月海错综复杂的边界,还有许多容易辨认的环形山。让人疑惑的是,哈里奥特这些精妙的完整月面图是不是在不同月相下绘制并且最终“拼接”到一起的。因为满月耀眼的光芒会“抹”掉月面图中的许多细节。

  有历史学家认为,哈里奥特在1610年7月17日之后的月球素描可能是受到了伽利略在1609年12月到1610年1月所绘制的月球素描——作为《星际信使》的一部分于1610年3月在威尼斯出版——的鼓舞。尽管如此,但是还是有两点必须强调。第一,哈里奥特的第一幅望远镜月球素描图虽然“粗糙”,但确实比伽利略早了近四个月。第二,哈里奥特后续绘制的完整月面图凸显出了他在天文观测方面的高超技艺。

  为什么这么说?从哈里奥特后续的月面素描来推断,他所使用的望远镜已经达到了8倍甚至是50倍的放大倍数,这才使得他看到了越来越多的月面细节。但是哈里奥特所使用的伽利略式望远镜有一个巨大的缺点,那就是视场很小。这就使得使用者很难将望远镜对准目标,同时也无法在视场中看到整个月亮。这也解释了为什么在《星际信使》中伽利略自己所绘制的环形山的大小被夸大以及它们和明暗界线之间的相对位置会有略微的变化。此外,哈里奥特所绘制的完整月面图中的月海和环形山位置都非常精确,这使得伽利略乃至后续20年的观测都相形见绌。这对于一个在望远镜的视场中没有任何测量装置的人来说,简直就是一个“不可能的任务”。

哈里奥特的其他成就

  除了月亮之外,哈里奥特使用云层做为天然的滤光片对太阳黑子进行了望远镜观测(请勿模仿!)。在1610年12月8日至1613年1月18日间哈里奥特对太阳黑子进行了199次观测,他甚至还由此得出了太阳自转周期为27天的结论。虽然哈里奥特并不知道太阳不同纬度的自转周期不同,但是这一数值也比同时代的结果要精确的多。另外,在1610年夏天之后,哈里奥特还对木星卫星进行了观测。根据对他现存手稿的分析发现,他对木星卫星的运动周期进行了非常精确的测定。

  哈里奥特还对光学中的折射现象进行了研究,比荷兰数学家斯涅尔早了20年发现了斯涅尔定律(入射光和折射光位于同一平面及入射角和折射角所满足的关系)。他在代数领域还提出了方程复数根的想法,但不幸的是被无法理解这一概念的编辑把这部分内容从他的代数著作中删去了。

  1621年7月2日,哈里奥特因为皮肤癌去世。他的绝大部分科学发现都没有被发表,后人只能通过遗留下来的部分手稿和素描来领略这位几乎被遗忘在历史长河中的科学家的惊人成就。


“真正”的望远镜400年庆典

  2009年7月26日,英国在塞恩宫(Syon House)举行了“望远镜400”庆祝活动,旨在庆祝托马斯·哈里奥特首次将望远镜用于天文观测400周年。活动期间展出了两架哈里奥特所使用过的望远镜的复制品,同时英国演员艾伦·奇斯曼(Alan Cheeseman)也打扮成了哈里奥特的模样来向世人再现当年的情景。


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