歷史 物理

科學史上最大一片綠葉: 愛德蒙‧哈雷 (下) WHOSE NAME WAS WRIT IN SKY

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撰文者:高崇文
發文日期:2018-08-04
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    上次阿文開講介紹了愛德蒙‧哈雷的前半生,這裡要接下來繼續介紹他的後半生。如果您以為哈雷的後半生會比較平靜,那您可就大錯特錯了! 請讓阿文為您繼續說下去。

     

    哈雷有些想法就像是格里弗遊記第三部所描寫的,拉嘎都的科學院裡的成員想出來的一樣,雖然看起來合情合理,卻是錯得一塌糊塗之外還帶著幾分荒謬的喜感。

    像是1692年,他提出了地球空洞說,認為地球的外殼約500英里(800公里)厚,內部由兩個同心殼層和核心構成,直徑分別是金星、火星和水星的大小 。他還認為大氣壓力促使這些殼層互相分離,每個殼層都有自己的磁極,各以不同的速度旋轉。哈雷認為這一理論可以解釋在兩極地區指南針無法準確指向的現象,此外他還假設,內部大氣層是會發光的,從兩極地區漏出來的內部大氣形成了極光。他甚至猜想每一個殼層區域內都有大氣,而且都是明亮的,並推測極光是內部氣體外洩所造成的。只能說他的想像力還真不是普通的豐富。這一篇文章各位還可以在網路上看到喔!它的題目叫"An account of the cause of the change of the variation of the magnetic needle; with an hypothesis of the structure of the internal parts of the earth" 登在Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 16 (179–191): 470–478. 看官們可能會覺得可笑,不過大家可不要忘了地質學是18世紀開始成為一門獨立的科學,並在19世紀早期才達到成熟階段。所以哈雷也算得上是其中的一位先驅吧!

    向來直言無忌的哈雷在1694年又惹上一個大麻煩,他被皇家學會警告,因為哈雷曾主張聖經的諾亞方舟的故事中那次大洪水是因為地球遭到彗星撞擊而發生的。在那個時代,這種說法簡直是大逆不道(聖經中明明說大洪水是神的旨意了嘛)不過三百年後,一對住在維也納的地質學家夫婦Alexander & Edith Tollmann寫了一本書叫Und die Sintflut gab es doch. Vom Mythos zur historischen Wahrheit, 提出類似的主張,還列出許多相關的證據,不過許多科學家未必信服,只是哈雷在九泉之下,不知要微笑還是苦笑。看來他沒有因為求職失利而收斂他那奔放的科學精神呢!

    1696 牛頓被任命為Warden of the Royal Mint,這是因為當時的財政部長Halifax伯爵Charles Montagu 是他的好朋友。(Charles Montagu死後留下大筆遺產給牛頓的姪女Catherine Barton,謠言說兩人關係匪淺,真相只有天曉得啦)。牛頓雖然沒有讓哈雷當上牛津的教授,這時倒是很講義氣地要哈雷當他的副手,負責在Chester 鑄幣廠當deputy comptroller,哈雷幹了兩年,直到這個職位被取消為止。但是更有趣的工作正在等著他呢!一年後牛頓則是升任Master of the Royal Mint,賣力地改革英國的幣制,但這兩個人的"孽緣"尚未了結,您看下去就知道了。

    1698年,哈雷被國王威廉三世擔任一艘探險船的船長,目的是研究地球的磁場。這艘船是擁有六門砲的HMS Paramour。可是當他出發沒多久,他就開始發現事情不太對勁。他手下的水手們根本不服從他!特別是他的大副Edward Harrison,處處與他作對,哈雷火大了,1699年7月被迫回到英國。他把他的大副等一夥人送去軍法審判,沒想到軍事法庭居然只是訓斥了事,哈雷無奈之餘,只好一方面招募一批新人,一方面說服英國軍方讓他再出海一次。幸虧英國海軍買他的帳,所以他在1699年9月再次展開大西洋的航行。這一次他一共花了兩年的時間在大西洋上,從北緯52度一直航行到南緯52度。1700年九月六日他平安回到英國。1701年,他發表了《通用指南針變化圖》(General Chart of the Variation of the Compass)。這張地圖是第一張畫有等磁偏線( isogonic line).的地圖。哈雷這個男人,年輕時出海跑去量天空,中年時出海跑去量海洋的磁場,簡直是"海天的征服者"嘛,真是不簡單!之後哈雷又被當時的安女王派去勘查英國南部海岸的潮汐,接著去勘查亞德里亞海的港口與Trieste的要塞。也算是為國盡忠了。

    1703年11月愛德蒙·哈雷終於得償宿願,被指定為牛津大學的Savilian幾何學講座教授。因為當年反對他的坎特伯雷大主教John Tillotson和Worcester 主教Edward Stillingfleet都過世了。不過請注意,這個是幾何學的講座,而十二年前哈雷申請的是天文學講座。他的前任是 John Wallis,擔任這個職位五十四年,過世時已是八十六高齡,而哈雷也己經是四十七歲的中年人了。他的仇家弗蘭斯蒂德雖然很懊惱,但是也無法阻止哈雷,當然,他們的恩怨還沒完呢! 虎克在這一年的三月死了,死時房間裡還藏著八千磅的巨款!而牛頓也在這一年成了皇家學會的主席,他一直擔任這個職務到他在1727年過世為止。

    當上教授後哈雷依然活力十足,1705年他發表了《天文學對彗星的簡介》(Synopsis Astronomia Cometicae),指出1456年、1531年、1607年和1682年出現的彗星其實是同一顆彗星,他並大膽預言這顆彗星將於1758年重返。說來這顆彗星幾乎無人不曉,但是為什麼這顆彗星特別出名呢? 讓阿文解釋給各位聽:

     

    哈雷彗星(正式名稱是1P/Halley)是最著名的短周期彗星每隔75-76年就能從地球上看見,它是唯一能用裸眼直接從地球看見的短週期彗星,人一生中可能經歷兩次它的來訪。其他能以裸眼觀察的彗星雖然可能更為壯觀美麗,但它們通常數千年才會出現一次。像1680年的那顆大彗星要10,000年才會出現一次!在歐洲,哈雷彗星的最早的紀錄在公元前11年。哈雷彗星回歸與其他彗星一樣,被眾多迷信的居民聯想成帶來災難的災星,總是與災禍聯繫在一起;1066年4月回歸時,英國剛好遇著諾曼第公爵征服者威廉的侵略戰爭,當時居民見到彗星高掛的恐懼不安被繪在Bayeux Tapestry上留傳後世。

     

    文藝復興之前,學者認定彗星的本質是地球大氣中的一種擾動,如亞里斯多德所論述的一般。因為在亞氏的天文學中一切會變化的都在月球天之下!第谷在1577年推翻這種想法,他以視差的測量顯示彗星必須比月球更遠。然而就算到了哈雷的時代,許多人依然不相信彗星軌道是繞著太陽,而是直線行進。哈雷在檢視歷史的紀錄後,發現1682年出現的這顆彗星與1531年阿皮昂(Petrus Apianus)、1607年克卜勒觀測的彗星的軌道要素(orbital elements)幾乎相同。因此哈雷推斷這三顆彗星根本是同一顆彗星,週期在75-76年之間。在粗略的估計行星引力對彗星的攝動之後,他預測這顆彗星在1758年會再回來。到那時哈雷本身將是一百零二歲!當年哈雷雖然長壽,終究不是人瑞,無緣在有生之年看到這顆彗星再次回歸。哈雷彗星下次過近日點為2061年7月28日,嗯,阿文會樂意再看到它的!

    Lspn_comet_halley
     

    哈雷的活力實在令人吃驚,1706年,年屆五十的哈雷學會了阿拉伯語後,甚至完成了由Edward Bernard (前任的Savilian 天文學講座教授)展開的阿波羅尼奧斯(Apollonius of Perga)的著作的翻譯工作。阿波羅尼奧斯是古希臘幾何學家,除了著有《圓錐曲線論》八卷之外還著有 De Rationis Sectione "Cutting of a Ratio" 以及De Spatii Sectione "Cutting of an Area"等著作,希臘原文已失落,只剩下一些阿拉伯文譯文。De Sectione Rationis 的阿拉伯譯本收藏在Bodleian圖書館,原先Edward Bernard翻譯了一部分,這些手稿後來交給了哈雷,但是因為手稿破損嚴重,哈雷就放棄了,後來還是Edward Bernard的繼任者David Gregory 將手稿修復後交給Henry Aldrich,Aldrich 又交給哈雷,哈雷在學了阿拉伯文後,才將它與另一本De Sectione Spatii (從Pappus of Alexandria的註解中輯佚而得)一起翻成拉丁文,而於1706年將其訂成一卷出版。至於《圓錐曲線論》則更複雜,第一卷到第四卷之前就有完整的譯本了,而第五卷到第七卷則是根據Jacobus Golius在1626年在Aleppo 購得的阿拉伯文譯本翻譯的,這些阿拉伯譯本輾轉來到Bodleian圖書館。Edward Bernard 雖然著手翻譯,卻來不及完成就撒手人寰了。哈雷接續完成了這項工作。第一卷到第七卷在1710年出版。至於第八卷則是連阿拉伯文都付諸闕如,所以失傳了。阿文光是看到阿拉文的字母眼都花了,只能說哈雷還真不是普通地多才多藝呢!

     

    雖然哈雷在許多領域都有貢獻 然而他的最愛還是天文學。他早年想過利用水星凌日來精確地測量地球和太陽之間的距離,但是他逐漸了解水星太小,金星凌日的效果會更好。所以在1716年他發表了一篇論文,這篇論文是基於1691年在皇家學會宣讀過一篇論文精心修改而得,題目是A new Method of determining the Parallax of the Sun, or his Distance from the Earth。他大力提倡各國通力合作在1761年到1769年觀測金星凌日,然後由此精確地測量地球和太陽之間的距離。他照著James Gregory在《光學進展》Optica Promota這本書中描述的方法來進行。說到James Gregory(1638 – 1675),他是蘇格蘭數學家與天文學家。1665年到義大利帕多瓦大學研究數學和天文。 1668年回到蘇格蘭,任聖安德魯斯大學和愛丁堡大學教授。後因過度的太陽觀測損及目力,終至失明,不久去世,享年只有三十七。後來法國天文學家Joseph Jerôme Lalande後來照哈雷的建議而在1771年得到地球與太陽的距離是153,000,000正負一公里。對照今天的精確值149,597,870.691正負0.03公里,算是不錯的估計了。

    Venustransit_2004-06-08_07-49
       2004年金星凌日(圖片來源:https://zh.wikipedia.org/wiki/金星凌日#/media/File:Venustransit_2004-06-08_07-49.jpg

     

    1718年,哈雷通過比較他的天體測量數據和古希臘天文學家Hipparkhos的數據發現了恆星自行運動(proper motion) 。恆星自行是恆星相對於太陽系的質量中心,隨著時間變化的推移所顯示出角度上的改變,這是由於該恆星相對於我們有橫向運動所致。通常這個效應很小,只有離太陽很近的星才有可能觀測得到。

    哈雷參考古希臘的記載後發現天狼星在1800年內向南偏移至少30角秒。這真是了不起的成就! 至於「自行」這個名詞源自法文的propre,意思是「歸屬於」,所以大家不要誤會,proper 不是英文"合宜"的意思,恆星的運動本來就沒有合不合宜的道理嘛,不是嗎?

    Position_Alpha_Cma
    天狼星(圖片來源:https://zh.wikipedia.org/wiki/天狼星#/media/File:Position_Alpha_Cma.png

     

    1720年哈雷和他的朋友,古物學家William Stukeley 一起參與鑑定巨石陣年代的工作。他認為巨石陣是依照當時磁北極的方向來擺設的。根據這個假設他們推斷巨石陣建造的年代,得到三個可能的年代分別是 460 BC, 220 AD 跟920 AD。最後他們決定是460 BC,雖然他的結果錯得離譜 卻是史上第一次科學鑑定年代的嘗試。現在考古學家們相信巨石陣大約是公元前三千年到兩千年蓋的。哈雷的好奇心真是永不知足!

     

    雖然哈雷向來與人和善,不幸的是他還是捲入牛頓與別人的恩怨。弗蘭斯蒂德曾給牛頓的《自然哲學的數學原理》提供數據天文觀測數據。後來他和牛頓交惡,扣住數據不給牛頓。牛頓毫不妥協,在《自然哲學的數學原理》的後來版本中系統性地刪除了弗蘭斯蒂德的所有數據。(還有獻給虎克的致謝辭也了!) 後來由於忿於弗蘭斯蒂德遲遲不願公布他的觀測結果,1712年身為皇家學會主席的牛頓在哈雷的幫助下找到門路將弗蘭斯蒂德的觀測資料弄到手,並加以出版,哈雷居然還寫了一篇序文,批評說弗蘭斯蒂德"拖拖拉拉,搞神秘,沒有公共的精神"!盛怒之下弗蘭斯蒂德將這個版本的星表全買回家銷毀掉!持平來講,十八世紀一般科學家都毫不在意地與同僚分享資料,弗蘭斯蒂德是個異數。況且皇家天文學家拿了國家的錢,把資料當作私產也說不過去吧。

     

    哈雷也在另一件牛頓的糾紛裡扮演重要的角色,萊布尼茲與牛頓早就因發明微積分的優先權種下心結,但是到了1712年,萊布尼茲受不了牛頓這一方的一位學者叫John Keill的指控汙衊,終於寫信給皇家學會的秘書Hans Sloane,要學會要求John Keill道歉,不料Sloane 直接向牛頓報告後,牛頓親自找上John Keill 問個清楚。John Keill拿出萊布尼茲寫的文件Acta Eruditorum讓牛頓過目,牛頓看完後大怒,皇家學會於是成立了一個"真相調查委員會",哈雷正是這個委員會的秘書,最誇張的是最後的調查報告Commercium Epistolicum 還是牛頓本人寫的! 整個歐洲分成兩個陣營,彼此攻詰,事情鬧到萊布尼茲於1716年過世才告一個段落。之後約翰·弗蘭斯蒂德也在1719年12月31日過世,沒想到哈雷居然繼約翰·弗蘭斯蒂德之後被任命為皇家天文學家。弗蘭斯蒂德的遺孀知道後氣壞了,把弗蘭斯蒂德的儀器全賣掉了,就是不願意留給哈雷用。這個仇結得可真大。(也有一說是弗蘭斯蒂德的債主把儀器都搬走了,不知真相如何,只好兩案共呈囉)

     

    身為皇家天文學家的哈雷利用格林威治天文台的儀器做了不少事,像是藉由過去累積的觀測資料,哈雷希望能夠找到方法精確地預測月球的位置,這樣行海的人就能透過月球掩星讓航海的船可以依次決定自己所在的經度。後來哈雷認為掩星難度太高,他認為改用"合相"可行性比較高。不過這個方法最終還是沒有被採用。

    上任的哈雷已經六十三高齡,他計畫要觀察所謂的Saros 循環,這是一個約十八年的循環,與月食的形態有關,大家都沒料到,哈雷親自完成了這十八年的觀測!

     

    1742年愛德蒙·哈雷坐在天文台的椅子上,在違背醫師囑咐下,喝下一杯酒後

    安詳離世,享壽八十六歲,他被葬在倫敦東南的聖瑪格麗特教堂。但是哈雷的名聲在十六年後再次回到人間。他預測會在1758年再度回來的彗星在1758年12月25日被德國的一位農夫和業餘天文學家Johann Georg Palitzsch(1732-1788)觀測到,哈雷的預測是正確的。不過它受到木星和土星攝動的影響延遲了618天,直到1759年3月13日才通過近日點。三位法國數學家Alexis Clairaut,、Joseph Lalande和Nicole-Reined Lepaute組成的小組,算出這個效果使它提前了一個月回歸(與4月13日有一個月的誤差)。彗星回歸的確認是牛頓天體物理學最早成功的預測,後來海王星的發現則是它的高峰! 1759年,法國天文學家Nicolas-Louis de Lacaille將這顆彗星命名為「哈雷彗星」,以此紀念愛德蒙·哈雷的功勳。Nicolas-Louis de Lacaille 也曾到南半球觀測南天星空,但是他回到法國後就因痛風和過度勞累而逝世。相較之下,哈雷真是幸運呀。

     

    既然提起這個三人小組,就順便提一下Nicole-Reined Lepaute 這位奇女子吧。她於1723年出生於巴黎盧森堡宮,是奧爾良公爵的女兒Louise Élisabeth d'Orléans的隨從,Jean Etable的女兒。1749年她嫁給了皇家鐘錶師Jean-André Lepaute。她與丈夫一起建造了一個有天文功能的時鐘。她不僅對時鐘的構造提供了意見,還參與了製作。這個鐘於1753年提交給法國科學學院,經由Jérôme Lalande審查和認證。Jérôme Lalande對她印象深刻,所以推薦她跟隨數學家Alexis Clairault參與預測哈雷彗星的回歸的計算。在1758年11月,這個小組提交彗星將在1759年4月13日回歸的結論。他們的結果幾乎完全正確,彗星於1759年3月13日回歸 (通過近日點)。遺憾的是Clairault在論文中完全不提Nicole-Reined Lepaute 的名字,據說是由於Lepaute的朋友Miss Goulier 從中作梗的關係,這使Lalande很不開心。所以寫文章為她仗義執言。在1759年,她再度參加Jérôme Lalande的工作團隊,一起計算金星凌日的星曆表。在1762年,Lepaute計算出1764年4月1日將到來日食的確切時間。她寫了一篇文章,並以15分鐘的時間間隔繪製了日食橫越歐洲的圖。這篇文章發表在Connaissance des temps (時代的知識) 。Lepaute還計算了1774年至1784年的太陽、月球和行星的星曆表。真的是不讓鬚眉。

     

    可惜的是她從1767年開始照顧罹患不治之症的丈夫,使得她的健康也受到嚴重的損壞。由於夫婦倆膝下猶虛,他們收養了丈夫的姪子,年方十五的Joseph Lepaute Dagelet,並用心教導他,Dagelet 十年後成為軍校的數學教授,在1768年成為法國科學學院的會員,但他不幸加入了Jean-François de La Pérouse 團隊擔任天文官,而在1788年與整個艦隊都消失在南太平洋Vanikoro列島的海面上。而Lepaute則是在惡耗傳來後不久過世,不久之後她久病的丈夫也隨她到九泉之下。相較之下,哈雷曾多次出海,不但平安歸來,而且功成名就,相較於悲運的法國Jean-François de La Pérouse探險隊,境遇實在有如天壤之別。Joseph Lepaute Dagelet 的遭遇不禁讓阿文想起濟慈的墓誌銘:

     

    HERE LIES ONE WHOSE NAME WAS WRIT IN WATER"。

    至於哈雷呢? 則是 "WHOSE NAME WAS WRIT IN SKY",各位看官,您說是不是?

     

    參考資料:

    (一)中文 英文 法文 維基相關條目
    (二) MacTutor History of Mathematics archive

    (三) 威爾杜蘭:世界文明史(26) 智識的探險

    (四) 《文明的躍昇-人類文明發展史》(The Ascent of Man)

    作者: 布魯諾斯基(Jacob Bronowski)
    (五) Planetary Astronomy from the Renaissance to the Rise of Astrophysics, Part A, Tycho Brahe to Newton (General History of Astronomy) 1st Edition by R. Taton (Editor), C. Wilson (Editor)

    延伸閱讀:

    科學史上最大一片綠葉: 愛德蒙‧哈雷 (上):《自然哲學的數學原理》的催生者

     

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