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英法千年恩仇錄之兩個天文台的故事—《物理雙月刊》

文/高崇文 |中原大學物理系教授

阿文去(2015)年休假,在德國待了三個月。適逢滑鐵盧戰役兩百周年,特地跑去了滑鐵盧戰場憑弔一番。而比利時政府更是在兩百周年當天(六月十八日)在滑鐵盧戰場安排了戰爭實境秀呢!

想一想,英國與法國還真是歡喜冤家,從 1066 年諾曼第公爵踏上英國國土的那一刻起,兩國的恩恩怨怨就糾纏不清。如果要細數英法的千年恩仇錄,那等於讀半部西歐史了。其實除了兵馬干戈交鋒之外,這兩個科學大國在科學方面的競爭,也是班班可考,其間牽涉的恩怨情仇,絕對不輸灑狗血的八點檔連續劇。且讓阿文從格林威治天文台巴黎天文台這兩個天文台講起吧!

格林威治皇家天文台(Royal Observatory, Greenwich)大名鼎鼎,因為本初子午線(Prime meridian),即 0 度經線,就是通過格林威治天文台的那條經線。(阿文曾在國會大廈旁搭渡輪沿泰晤士河到格林威治,可以飽覽沿途景致。)

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由天文台往北發射出雷射光,雷射光的路徑代表著本初子午線。圖/ Wikimedia commons, CC BY-SA 2.5

原則上任何一條經線都可以被定為本初子午線,為了決定子午線英國與法國就交手一次了!1634 年法國路易十三的宰相黎塞留樞機主教決定用穿過耶羅島(Isla del Meridiano)的子午線在地圖上定位,因為耶羅島在當時被視為舊大陸的最西端。(早在公元 2 世紀托勒密就考慮把本初子午線定在那裡,這樣的話地圖上就可以只用正數來表達經度。)而巴黎剛好在耶羅島東方十九度五十五分。後來法國地理學家 Guillaume Delisle 把子午線挪了二十度,巴黎經度就變成了本初子午線。既然如此,那為什麼子午線為什麼會改到格林威治去了呢?這得要話說從頭了。

格林威治皇家天文台的興建

1674 年在第三次英荷戰爭後,軍械署測量總監(Surveyor-General of the Ordnance)Jonas Moore 爵士向英王查爾斯二世建議建造天文台致力於校正天體運動的星表,以便能正確的定出經度,使船隻能準確定位。查爾斯二世雖然以情婦眾多而留名青史,但他對當時英國的命脈:航海,還是相當重視。所以他決定在泰晤士河畔的格林威治村蓋一座天文台,同時任命當時英國首屈一指的天文學家 John Flamsteed 擔任天文台的台長兼皇家天文學家。

格林威治天文臺。圖/By Adusha - 自己作品, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=14911179

格林威治天文臺。圖/By Adusha, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

天文台由軍械署負責建造,Moore 爵士還自掏腰包為天文台添購關鍵的儀器設備。天文台在負責建造聖保羅大教堂的維恩爵士以及羅伯特.虎克的設計下,成為英國第一棟為了特殊科學目的而蓋成的設施。不過因為它偏離了真北的方位 13 度,這讓 Flamsteed 相當不爽。(關於 Flamsteed 的火爆脾氣,我們還會再談到。)

格林威治子午線最早是由第二任的皇家天文學愛德蒙.哈雷(Edmond Halley)選在天文台的西北角。後來 1851 年英國的皇家天文學家 George Airy 在原本的子午線東邊約四十三公尺處設置了中星儀,並當做格林威治子午線。1884 年美國華盛頓特區舉行的國際本初子午線大會上,來自 25 個國家 41 位代表要來決定世界通用的子午線。由於當時全世界大部份船隻都已使用格林威治子午線當作參考的子午線,縱使法國代表一再主張使用巴黎子午線,眼見大勢已去,法國代表只好在投票時含恨棄權,從此格林威治的子午線成了全球通用的子午線。但是在 1911 年之前,法國仍然以巴黎子午線作為經度起點,看得出來,法國人輸得並不甘心哪。

John Flamsteed 與牛頓間的恩怨情仇

格林威治的威望,並非單單只是由於英國長期海上霸主的地位,歷任皇家天文學家在科學史上也都是名號響叮噹的大人物。首任的皇家天文學家 John Flamsteed 以畢生之力完成的星表乃是當代一大盛事,其中記錄了 2935 顆星,這個數目是之前號稱最完備的第谷星表的三倍。不止如此,每顆星的位置更是前所未有地準確。但是由於 Flamsteed 是個完美主義者,所以在他生前,他遲遲不願正式出版。所以他的星表 Historia Coelestis Britannica 是在他死後六年由他的遺孀替他出版的。四年後天球圖譜(Atlas Coelestis)也是在 1729 年,在 Joseph Crosthwait 與 Abraham Sharp 的協助下,由他的遺孀出版的。

天球圖譜

天球圖譜(Atlas Coelestis)。圖/wiki

但是 Flamsteed 最著名的事跡莫過於他與牛頓之間的過節,待阿文娓娓道來:

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John Flamsteed(左)和牛頓(右)。圖/wiki(左)(右)

1680 年十一月全歐連白天都看得到一顆向太陽飛去的彗星,到了十二月又看到一顆遠離太陽的慧星。Flamsteed 在細心研究後於隔年春天提出這是同一顆彗星。當時的牛頓反對不遺餘力,但是後來又回心轉意,了解到彗星有可能遵循與行星相仿的橢圓軌道來運行。但是牛頓從頭到尾都沒提到 Flamsteed, 彷彿一切都是自己的功勞。更令 Flamsteed 光火的是,牛頓居然手頭上有 Flamsteed 辛辛苦苦觀測到的資料,這些資料是被他的助手哈雷給洩露出去。到了 1712 年,成為皇家學會主席的牛頓居然再次跟哈雷狼狽為奸,將 Flamsteed 的星表偷到手,還將以印行!Flamsteed 氣壞了,他自掏腰包將發行了四百本的星表買回來(只買到三百本!)然後一把火給燒了。阿文小時候讀威爾杜蘭的世界文明史,提到這件事如此描述著:

這位惱怒的天文學家怒氣上沖天庭,連星星也為之震動!

諷刺的是,接續 Flamsteed 擔任皇家天文學家的正是哈雷,他的生平太有趣了,就請容阿文日後為他寫篇專文。而接續哈雷的則是 James Bradley,雖然不像哈雷那樣有名,然而他的兩大發現:測量到光行差確定地球的章動,都是值得大書特書的成就。前者是他擔任皇家天文學家之前就發現的,後者則是在格林威治天文台完成。

英國天文觀測上的大事

1722 年,Bradley 與 Samuel Molyneux 試圖觀測天龍座 γ 星(Gamma Draconis)的視差。(視差是指由於地球的公轉造成地球位置改變,使得同一顆星被觀測到的相對位置也產生改變的效應)。照理說天龍座 γ 星應該在十二月位於最南的位置,六月位於最北的位置。而 Bradley 卻發現該星在三月位於最南,九月位於最北。

直到 1728 年他才赫然領悟到這種現象是由光行差所造成的。據說他是在泰晤士河上乘船時,發現風向沒有發生變化時,船上的旗子卻改變了方向而得到啟發的。旗子之所以改變方向是由於船的行進方向與速度改變所致,而光行差則是因為天龍座 γ 星發出的光與地球在軌道上運動的垂直方向的相對運動所產生的。簡單的計算後,Bradley 發現觀測結果與計算相符!

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天龍座(左)與1852 年所繪製的天龍星座圖(右)。圖/wiki(左)(右)

至於地軸章動,則是他長期間的觀測,時間超過了一個月球交點退行的周期(6798 天)。一直等到 1748 年,他才發表報告,確定地軸的章動而且確定章動有與月球交點回歸同樣的周期。所謂地軸的章動指的是地軸在進動時的一種運動,使自轉軸在方向的改變中出現如「點頭」般的搖晃現象。這會使得歲差的速度會因時而變。同年他就獲得了科普利獎章(Copley Medal,英國皇家學會每年頒發的科學獎章,以獎勵「在任何科學分支上的傑出成就」)。

卡西尼家族與巴黎天文台

巴黎天文台。圖/Public Domain

巴黎天文台。圖/Public Domain

比起格林威治天文台,巴黎天文台的名聲就沒那麼響亮。但是論起在科學史的地位,巴黎天文台可是不遑多讓。

世界上第一部天文年曆就是在這裡印的,船員可以用上面的木星衛星蝕的表幫助船舶測定經度;第一份氣象圖也是在這裡發行的;1913 年巴黎天文台還曾經利用艾菲爾鐵塔做天線,接收美國海軍天文台發出的無線電信號,精確測定了兩地的經度差;巴黎天文台還是國際時間局的所在地,主要的工作是收集、處理各地天文台對世界時和經緯度測量的結果,提供國際原子時和協調世界時的服務,直到其工作由國際度量衡局(BIPM)和國際地球自轉和參考座標系統服務(IERS)接管,國際時間局才於 1987 年解散。那麼巴黎天文台是何時蓋的呢?

巴黎天文台是法國國王路易十四,聽從海軍國務大臣 Jean-Baptiste Colbert 建議於 1667 年開始建造,1671 年完工,比格林威治天文台還早了四年。建造的目的主要是為了繪製更精確的星表以及航海圖。Colbert 是法國殖民事業的幕後推手,主導成立了法國東印度公司和法國西印度公司(1664 年)等貿易特許公司。

成立天文台當然也是其海外殖民事業的一環。但是與格林威治不同的是,巴黎天文台一開始是開放給剛成立的法蘭西科學院(Académie des sciences,成立於 1666 年)所有的成員使用。它不僅用來從事天文觀測,也是科學院從事其他幾乎所有活動的場地,內設會議室、化學實驗室,以及存放所有自然史物種標本的空間。巴黎天文台的迅速建成象徵了王室對科學的支持。

藉著建造這座坐落在塞納河畔的宏偉新天文台,路易十四邀到了當時最優秀的歐陸天文學家,包含來自尼德蘭的惠更斯(Christiaan Huygens)丹麥的 Ole Rømer 以及義大利的卡西尼(Giovanni Domenico Cassini)。尤其是卡西尼不僅終老於巴黎,成為天文台的實質領導人物,更開創了法國天文學界的所謂「卡西尼王朝」,祖孫四代都成為法國天文學界的要角。

卡西尼一世出生於熱那亞共和國。他與胡克同時發現了木星的大紅斑 (1665 年),1669 年他受邀來到巴黎後,陸續發現土星的四個衛星土衛八土衛五土衛四土衛三)。1672 年 Flamsteed 在英國,Richer 在南美洲 Cayennes,卡西尼在巴黎同時觀測火星衝,這個難得的國際合作得到了準確的日地距以及火星到地球的距離。

接下來他於 1675 年發現土星光環中間有條暗縫,這就是著名的卡西尼環縫 (Cassini division)。他猜測光環是由無數小顆粒構成。兩個多世紀後才證實了他的這項猜測。他仔細觀測了月球的表面特徵八年後於 1679 年呈送法蘭西科學院一份大幅月面圖,在一個多世紀內無人望其項背。1683 年 3 月起,卡西尼開始研究了黃道光,他認為它是由於行星際塵埃反射太陽光引起的,而非一般人以為的大氣現象。1690 年,他在觀測木星的大氣層時發現木星赤道旋轉得比兩極快,因此發現了木星較差自轉 (Differential rotation)。這一連串的成就將卡西尼一世推到事業的顛峰。他於 1712 年在巴黎安詳離世,享壽八十七。

卡西尼環縫

卡西尼環縫。圖/NASA

卡西尼二世(Jacques Cassini)出生於巴黎天文台,身為卡西尼一世之子,他十七歲就獲准加入法蘭西科學院,他延續了他父親在天文以及經緯度測量的工作。卡西尼三世(César-François Cassini de Thury)二十一歲加入法蘭西科學院,而 1771 年被任命為巴黎天文台正式的台長。他最著名的工作是展開卡西尼計畫,詳細刻畫法國全國的地形地貌。這項計畫在他的兒子卡西尼四世(Jean-Dominique, comte de Cassini)手上完成。法國大革命後,卡西尼四世想擴充天文台的計畫被國民公會否決,繼而在恐怖統治時期與表弟一同被逮補,他的表弟被送上斷頭台,他則是被天文台的員工搭救而逃過一劫,但是光輝的卡西尼王朝卻也戛然而止。卡西尼四世兒子選擇成為植物學家,不再克紹箕裘了。

天文台版畫

卡西尼時代的巴黎天文台。在版畫的右側是 Marly Tower(本來是用於提水使用),卡西尼一世將其移到巴黎天文台前,並裝上長筒望遠鏡作為天文觀察使用。圖/wiki

格林威治天文台與巴黎天文台見證了英法兩國天文學以及航海事業的競爭,在法國大革命後,兩國的競爭更加激烈,欲知詳情,且待下回分解。


38卷8月號封面

 

本文轉載自《物理雙月刊》 38 期 2016 年 8 月號,更多文章請見物理雙月刊網站

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