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為時空立憲章-英國格林威治天文台

格林威治天文台的故事是人類追尋科學知識的縮影。從為了促進航海事業而建立的簡單觀測設施,發展成頂尖的天文學研究機構,並因制定經線而揚名全球。

黃相輔

引言的這首詩不是什麼謎語,你也不是正在閱讀《達文西密碼》。但這首詩的確生動地反映了一道三四百年前難解的科學謎題,以及當時的有識之士相信解答終將水落石出的樂觀遠景。

今日當人們把玩地球儀時,很容易將球上那縱橫交錯的格線視為理所當然的事物──經緯度,中學地理課本裡就有教的東西,不是天經地義的嗎?或者,當使用GPS導航系統輔助開車時,諸如「東經121度13分26秒、北緯24度57分23秒」等標定得如此細的座標數字也常被視而不見了。以前聽廣播時,常會聽到「中原標準時間」的報時,你一定也知道「格林威治標準時間」(Greenwich Mean Time,GMT);但不知你有沒有想過,這些時間、空間的「標準」究竟是源自哪裡?

意想不到的是,這一切度量大地的偉業,竟跟海洋與天文息息相關。就讓我們話說從頭,帶讀者走訪一趟時光隧道,看看故事舞臺的滄桑──格林威治皇家天文台(Royal Observatory,Greenwich)的興衰及重生。

立足穹蒼望大海

天文學看似一門虛無縹緲的學問,實際上與日常生活息息相關。人們藉由日月星辰規律的昇落來制定曆法,得以度量時間、明季節更替,並因此有了依據發展農業及其他生產活動。綜觀古往今來的文明史,除了宗教及占卜等心靈層面的效益之外,天文學的興盛常基於曆法及農業等實用目的。

格林威治天文台的建立也是源於同樣實用的理由——為了支持英國航海事業的發展。在茫茫大海中要弄清楚船隻的位置及方向可不是一件容易的事。在沒有GPS定位的古早年代,水手們能依靠的除了羅盤外,便是頭頂上熟悉的日月星辰了。藉由測量日月星辰位置的變化,航海者可以計算並推估船隻航行的資訊,不至於迷失在汪洋中。若缺乏對天文知識的掌握,船隻在大海中根本就寸步難行,更別奢談遠渡重洋從事貿易及殖民。因此,自十五世紀以降欲發展海權的西歐各國,無不重視與天文觀測相關的基礎建設。

當時航海者關切的課題還有經度的測定。我們今日熟悉的經緯度是一種人為的地理座標系統。藉由經緯度,人們可定義地球表面的空間,以方便辨識球面上的位置。然而相較於緯度,經度的定義困難許多:它不像緯度有自然的起點 (即赤道)、也不易藉由天體在天空中的角度差異看出明顯的變化。「如何準確地測定經度?」這個難題無論對製圖或導航都十分重要,卻困惑了好幾代的人們;各國亦競相投入資源在天文觀測上,希望能捷足先登搶到解答。讀者若想知道人類追尋經度的詳細故事,可參考科普作家戴瓦.梭貝爾(Dava Sobel, 1947~)《尋找地球刻度的人》一書。

格林威治天文台便是在這樣的時代背景下誕生。西元1675年,英國國王查理二世以「精進航海技術」之名義,下旨在格林威治建立觀測設施,同時設立皇家天文學家(Astronomer Royal)一職,專責長駐於此進行天文觀測、記錄及繪製星圖,並思索經度問題的解決之道。當時的林威治還是離倫敦市區有段距離的寧靜鄉村,所以適合夜間觀測;另一個選址在此的理由,則是因為英國王室在此擁有大片地產,在國王私有的土地上大興土木比較省事。天文台第一棟興建起來的建築物就是給皇家天文學家的住宅,由當時知名的建築師雷恩(Christopher Wren, 1632~1723)設計。翌年住宅落成,首任皇家天文學家佛蘭斯蒂德(John Flamsteed, 1646~1719)立即搬入,此後兩三百年在格林威治的天文觀測大業於是開張。

天文台初建之時篳路藍縷,除了這棟宅邸外別無其他建物,連觀測工作都得在院子裡進行。雖然皇家天文學家有王室每年固定支付的薪餉,但薪資微薄,佛蘭斯蒂德與友人的信函甚至提及他得趁觀測之餘忙著寫稿、講學以貼補家用。天文台在後繼的幾位皇家天文學家手中逐漸擴建,也總算有較正式的場所容納儀器進行觀測。但天文台最初「精進航海技術」的任務,直到1767年首本附詳細星表的航海曆(The Nautical Almanac)出版方大功告成;此時在位的已是第五任皇家天文學家馬斯克林(Nevil Maskelyne,1732~1811),距查理二世創建天文台也已將近百年。

經天緯地震寰宇

進入十九世紀後,位置天文學(positional astronomy)依然是格林威治天文台的工作重心。天文學家持續量測天體的精確位置以編修星表及航海曆。在此要介紹一種特別的天文儀器「子午儀」(transit circle,或稱meridian circle)的設置,因為它與格林威治天文台的聲名鵲起息息相關。

想像地球是一顆被渾圓蛋殼包裹的蛋黃──這概念一點都不陌生,就是天文學上所謂的天球。天空中的所有物體,例如日月星辰,都可視作在天球上的投影。在天球上劃一道通過地平面

正北方、天球北極、天頂的大圓,這個假想的大圓即是子午圈(astronomical meridian),其意義就等同於地理上的經線(子午線)。天體每日規律地東昇西落,途中都會通過子午圈,即稱為中天(transit);此時是天體在天球中距地平面的「最高點」,即與地平面夾角最大之時。

子午儀就是用來量測天體通過子午圈的時間及當時仰角角度的儀器,其原型在十七世紀末起即開始被使用。藉由得知天體的中天時間、中天仰角兩個數據,天文學家可計算出天體在天球上的詳細座標;另一個方面,若已知天體的座標,從它通過子午圈的時刻,也能夠逆推回觀測者所在位置的當地時間及經度。在原子鐘被廣為應用之前,子午儀對恆星中天的觀測是最準確的對時方法,天文台校正時間總少不了子午儀。

格林威治天文台最有名的子午儀是1851年落成啟用的艾瑞子午儀(Airy’s Transit Circle),其名稱源自當時的皇家天文學家艾瑞(George Biddell Airy, 1801~1892)。這座子午儀由艾瑞一手設計、監造,並一直持續使用至1938年才退役(圖一)。子午儀的基本結構包括兩組固定的基座,望遠鏡架設在基座之間,好像烤乳豬架一樣可以翻轉。由於望遠鏡的方向是沿所在地的南北軸線配置,正好可對準子午圈觀測。當天文學家使用子午儀時,需先將觀測室的屋頂打開,擇定欲觀測的目標星後,便靜待地球自轉使目標移動至中天,便可記錄數據。這樣的觀測場景就日復一日在天文台上演(圖二),不斷貢獻出詳盡的星表、航海曆,及以此為準標定經緯線的地圖。

當時還沒有全世界統一的經緯度系統,各國處於各自為政的狀態。比方說,法國人也有自己的一套子午線:通過巴黎天文台的巴黎子午線(méridien de Paris),也就是在小說《達文西密碼》中所謂的「玫瑰線」。但這樣各自表述的情況在國際場合常產生混亂。1884年,二十五國的代表在美國首都華盛頓開會討論制定本初子午線(Prime Meridian),最終表決時以二十二票贊成、一票反對、兩票棄權的結果,由格林威治壓倒性獲勝。依會議結論,規定本初子午線正通過「艾瑞子午儀的望遠鏡目鏡十字中心」──於是這座儀器成為標定全球經緯線以及時區的依據,格林威治天文台也因此揚名四海。

廉頗老矣圖轉型

以物理及化學方法研究天體本質的天文物理在十九世紀後期興起,很快地蓬勃發展成為天文研究的熱門顯學。歐陸國家,尤其是德國,在這方面突飛猛進;而在大西洋另一端的新大陸,美國也迅速建立起天文物理事業的堅實基礎。一時之間有著光榮科學傳統的英國,在這場競爭上面臨了挑戰,不論是儀器科技或數學理論計算都落後,似乎顯得老態龍鍾。

在艾瑞及後繼的克里斯提(William Christie, 1845~1922)手中,格林威治天文台也增加了一些新設施,試圖在這場「軍備競賽」中力挽狂瀾。包括口徑12.8吋(32.5 公分)及28吋(71公分)的折射式赤道儀望遠鏡,以進行天文攝影及光譜學研究。克里斯提並在原本的主建築之外興建物理天文台,作為給天文計算人員的大本營。此外,自艾瑞任內起亦開始進行定期的地磁及氣象測量,以了解這些外在因素對儀器本身及觀測活動的影響。

然而格林威治的觀測條件卻在二十世紀初急遽惡化。由於倫敦市區的擴張,原本在郊區鄉間的格林威治如今卻被都會的光害及煙霧包圍了,天文台的地位也就江河日下。1946年,皇家天文台機構決定遷出格林威治,科學家也陸續離開,格林威治天文台從此自天文學前沿研究的前線上退役。隨後,天文台原本的管轄單位海軍部將原址移交給鄰近的國家海事博物館(National Maritime Museum)。這個移交的決定同時代表了天文台走上轉型之路──從第一線的科學研究機構轉變成開放給大眾的教育機構。雖然格林威治天文台已失去擔負尖端天文研究的條件,但三百多年來的歷史沉澱卻令她擁有無可比擬的文化價值。接收天文台原址後,博物館當局立即對老建築展開修繕及復原工作。這項浩大工程的原則是:盡可能將天文台建築恢復到當初天文學家使用的狀態,包括把老儀器盡量照原位陳設,但也非無條件地一味復古。部分較無史蹟價值的房舍例如馬廄就被拆除;為了教育展示的新角色,一些新建築也陸續興建。自1953年起,天文台陸續將整修完成的部分開放給大眾參觀。

寓教於樂古今合

今日當遊客走在天文台園區內,很容易就能體驗到穿梭古今的感受。

現在的格林威治天文台以本初子午線為中心,整個園區的動線設計被劃分為兩大部分: 「子午線路徑」(Meridian route)及「天文路徑」(Astronomy route);前者是通往過去的時光隧道,後者是通往浩瀚宇宙的橋梁。

子午線路徑通往天文台在二十世紀前所興建的幾座老建築,例如最古老的佛蘭斯蒂德屋(Flamsteed House,圖三)是過去皇家天文學家的官邸,歷任許多皇家天文學家及他們的家眷在此居住過,包括大名鼎鼎的哈雷彗星發現者艾德蒙‧ 哈雷(Edmond Halley, 1656~1742)。屋內的裝潢復原至十七世紀的樣式,也就是這座天文台的草創時期。你可以看到佛蘭斯蒂德的臥房、餐廳、書房及起居室,以及置放在房間各處的手稿和衣物,彷彿闖入了天文學家的生活。在屋內也規劃了以時間為主題的展示廳,陳列許多珍貴的航海鐘及測時儀器,介紹人類如何克服在茫茫大海導航的難題。

在佛蘭斯蒂德屋旁的是子午線樓(Meridian Building,圖四),艾瑞子午儀便原封不動地坐鎮在此,地上的標線提醒遊客這裡是東、西半球的分界及起點。穿越屋子及牆壁,本初子午。

線一路延伸到牆外的廣場,成為觀光客熱門的拍照地。若是你在大排長龍等著攝影留念的隊伍中感到不耐煩,別心急!在背後還有好東西。回頭看看佛蘭斯蒂德屋,在屋頂聳立的長柱上,是不是有個顯目的紅色大球?那是報時球(time ball)。在無線電通訊被發明前,它擔負著向港口的船隻報時的任務。每日下午一點,報時球就會從頂端降下,在碼頭瞭望的水手就能依此信號來替船上的航海鐘對時。報時球在今日已是過時的古董,在世界上許多地方已被拆除了,但格林威治天文台仍保存並照常運作。報時球還有個「不務正業」卻滿受歡迎的的古怪後代──紐約時代廣場新年倒數計時的墜球儀式,即源自報時球的概念。

天文路徑則通往克里斯提當初興建的物理天文台,今日她被稱為南館 (South Building),雖然外表仍保留二十世紀初剛落成的古典風貌,內部已被改建成嶄新的展示空間,就像世界上其他地方的天文教育館,以各種互動式設計帶觀眾認識宇宙的奧秘。在南館前方,遊客可以看到一棟奇異的建築──好像是一個拔地而起、歪斜矮胖的圓錐。這是園區內最年輕的小老弟,於2007年落成的彼得‧哈理森星象館(Peter Harrison Planetarium),目前是倫敦唯一的星象館設施。

下回若是你漫步在格林威治天文台,請放鬆心情,悠閒地呼吸瀰漫在空氣中的歷史塵埃。一想到人類為了瞭解宇宙和自身居住的世界,在一代代的追尋過程中不停累積知識及經驗,也許更會萌發你的思古幽情。有幸的話,說不定你可以找到藏身在天文台園區內某個角落的天文女神,她深邃的眼眸不知透露了多少歲月的故事!

參考資料

1. 戴瓦.梭貝爾,范昱峰、劉鐵虎譯,《尋找地球刻度的人》(Longitude),台北,時報版, 2005 。

2. Clifton, G., The Royal Observatory,Greenwich, London: Presenting a Small Observatory Site to the Public.In Cultural Heritage of Astronomical Observatories (Proceedings of the International ICOMOS Symposium     in Hamburg, October 14-17, 2008),edited by Gudrun Wolfschmidt,2008.

3. O’Connor, J. J. and Robertson, E. F.,English attack on the Longitude Problem.

4. Royal Observatory, Greenwich,official website.

黃相輔:畢業於中央大學天文研究所

原文發表於科學月刊第四十三卷第七期

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