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算了两千年的月亮,今晚不用算了

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1714 年7月,英国议会通过《经度法案》公开悬赏:能在远航中把经度定准到半度以内的人,最高可拿两万英镑。这个法案的推出,大概率受到1707年海难的影响,那年英国海军舰队刚结束地中海行动返航,结果在家门口出了事。连续的恶劣天气妨碍了天文观测,海上雾雨迷蒙,舰队没能准确判断自己的位置,在英吉利海峡外接连撞上礁石,四艘军舰沉没,死者众多。

在海上,船位算错了,可能就会把礁石所在的地方当成安全航道。可要算准经度,船员得先解决一个看起来不太相干的问题:知道时间。地球一天转一圈,两地的当地时间每差一小时,经度就差十五度。船员观测太阳,可以确定船上的当地时间;再知道母港此刻几点,两边一比,就能算出自己与港口相差多少经度。

所以,对一艘在雾里找港口的船来说,算准这“半度”至关重要。要知道母港的时间,本来可以带一只在那里对好时的钟,但十八世纪初的摆钟,在颠簸的甲板上一天能差出十几分钟,这十几分钟换算成距离就是两三百公里。船上的钟不准,人们就想到了天上的钟,那台钟叫月亮。


▲月球相位变化的循环动画。视觉上的摆动就是所谓的天平动。来源:wikipedia

月亮在星空中的位置不断变化,它与某颗亮星相隔多远,可以用来判断时间。船员量出月亮到某颗亮星的角距,翻一本提前印好的表反查时间,就得到了经度。这就是月距法。

但是那张表必须提前一两年印好并分发所有即将出海的人。也就是说制表的人,得预知月亮在未来任何一个时刻的位置。因此,《经度法案》激发出了一个纯粹的科学问题:能不能把月亮的轨迹算准。

月亮从来不肯按时到场

月亮运动的计算,天文学家已经研究了一千多年。公元二世纪,古希腊天文学家克劳狄乌斯·托勒密(Claudius Ptolemaeus)发现前人的模型在某些时候能算得不错,换个时候,算出来的位置就与观测对不上了。他在自己的天文学巨著《天文学大成》中继续改进前人的模型,给原有的圆周运动增加新的圆周组合,试图把这部分偏差也算进去。这项变化后来被称为“出差”,对月球位置的影响可以达到一度多。满月在天上看起来也就半度宽,漏掉这一项,就可能把月亮的位置算偏两个多月亮。

直到丹麦天文学家第谷·布拉厄(Tycho Brahe)出现,在当时丹麦国王的资助下,他建造了堪称当时世界上最豪华的天文台,也因此在月亮如何偏差这个问题里走得更远。他发现了一个随月相变化的摆动,叫“二均差”(variation)。在太阳和地球引力的联合作用下,月球运动会产生周期为半个朔望月的周期性偏差。而且,它连“快多少”都跟月相有关,当月球朝向满月运动时,速度加快,向着半月运动时,速度减慢。

第谷之后,开普勒用椭圆轨道解释了火星的运动。月球当然也可以先用椭圆来描述,但这个椭圆的长轴在转,轨道平面的朝向也在变。要把明年的位置算准,这些变化都得考虑。当然开普勒也没用搞定月亮,他最后转过身去,写了人类第一部月球旅行科幻《梦》。

这里有个地方值得停下来想一想。第谷发现的那个二均差的最大值是 39角分,而现代天文学家将托勒密星表与依巴谷卫星(Hipparcos)数据进行比对后,发现托勒密的测量误差在23至27角分1。所以这个偏差其实不是“算不出来”,而是“没被认出来”。诸如此类的科学事件在科学史上多次上演,科学和技术就这么互相扶持着忽前忽后地向前走,得先看得清楚一点,才能发现原来的计算对不上。而找到偏差的规律,也会告诉科学家下一步该去哪儿。

连牛顿也算不平的那笔账

上帝说让牛顿出生,于是一切都充满了光明。但是这个不包括月亮的计算。纵使牛顿发现了万有引力,但据牛顿外甥女婿描述,牛顿说过,他只有在研究月球问题时会头痛,而且一想就痛。

1687 年,牛顿在《自然哲学的数学原理》里给出万有引力。他证明了拉着苹果落地的,和拽着月亮不放的,是同一种东西。但是证明了力的形式是对的,不等于能算出月亮的位置。月球受到地球吸引,地球和月球又同时受到太阳吸引。太阳对两者的作用并不完全相同,会改变月球相对地球的运动;随着三个天体的位置变化,这种扰动也不断改变。三个天体互相拉扯,这个“三体问题”,没有公式能一次给出答案,只能一项一项近似地往外算。


▲《自然哲学的数学原理》拉丁版封面(1687),来源:wikipedia

人们很快又发现,月亮身上还有笔账是歪的。1695 年,英国天文学家爱德蒙·哈雷(Edmond Halley)把托勒密时代记录的月食时刻与自己时代的观测放在一起比,发现月亮似乎一年比一年走得快。这就是“月球的长期加速度”,成为一个悬了近百年的谜。前面说的那个规律,又一次应验了:算不准的地方,藏着下一条规律。

1787 年,法国天文学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon)提出:不是月亮变快了,是地球轨道的偏心率在极缓慢地变化,日地距离长期在变,太阳的摄动也就长期在变。这种缓慢的变化促使月球运动加快。

拉普拉斯的计算一度与观测相符,但到了1853年,亚当斯(John Couch Adams)重新计算,发现漏掉了一部分效应。修正之后,仍有一部分加速度解释不了。后来人们发现,还有一部分来自潮汐摩擦:月亮牵着地球的潮水,潮水摩擦海底,地球自转本身在变慢,也就是一天的时间在变长。以变长“天”为单位看月亮的运动那月亮自然显得越来越快。

为了把月亮算准,人类不得不承认:连“一天有多长”,都是会变的。

此时再来看月亮的轨道,它就有点像“喝醉了”走路:沿着一条椭圆走,椭圆的长轴自己在慢慢转,太阳还在一旁拽它,拽的力道随日地距离变化,轨道平面本身也在摆。你要算它明年的位置,就得把这些摆动一层层摞上去。

把月亮装进航海箱

到了十八世纪中叶,已经有人把月亮这些大大小小的变化,一项项算进了表里。船员只需要带着表出海就行。

制图学家约翰·托比亚斯·迈耶(Tobias Mayer)做出了一份《月球表》。在从事这项工作时,他和瑞士数学家莱昂哈德·欧拉(Leonhard Euler)进行了长达4年的通信。欧拉将太阳、地球和月亮之间的相对运动简化成了一组优雅的数学方程。别看只有1角分,拿它反查时间,就可能差出约2分钟,再换成经度,大约就是半度。在赤道上,这半度相当于30海里,正好卡在《经度法案》最高那一档的门槛。1762年,迈耶病逝,年仅39岁,经度局于三年后向他的遗孀颁发了3000英镑的奖金,欧拉也因为奠定了理论基础而获得了奖金。

马斯基林(Maskelyne,Nevil)后来主持编制《航海年历》,把月亮与选定天体之间的角距提前算好,按格林尼治时间列出来。他们把月亮从一个天文学问题,变成了一本可以印刷、可以卖、可以塞进航海箱的东西。从此,一个普通船员只要会量角距、会查表,就能算出自己的经度。他不需要懂“三体问题”,也不必知道“出差”是什么。不过,表上的数还得有人提前算出来。要算得更准,就得把更多细小的变化加进去,计算也越来越费工夫。


▲在海上以测量月角距的方法查询格林尼治标准时间。月角距是月球和恒星 (或太阳) 之间的角度,以这两个天体的高度来确定和校准时间。来源:wikipedia

天文学家欧内斯特·威廉·布朗(Ernest William Brown),1866 年生于英国,后任耶鲁大学教授。他从 1890 年代开始算月亮,没有电子计算机,只有纸、笔和手摇的机械计算器,一算就是将近三十年。他把几百个周期项一项一项展开成三角级数,一项项去拟合两百多年累积下来的观测数据。算错一个系数就可能三个月白干。1919 年,他的《月球运动表》由耶鲁大学出版社出版。此后六十年间,世界各国的天文年历逐步采用他的表来排月亮的位置。

布朗终身未婚,一直和妹妹住在一起。家里最多的东西,是草稿纸。他没有等到计算机时代。而接管那套级数的,是他自己的学生。

不用手算的话,能算多准?

布朗的《月球运动表》是给人查算用的工具书,理论上,只要照着书中的内容查阅与加减,就能得到月亮在某一天的位置。这么算当然最准,但没有人算得起。所以为了让这张表短到能印出来、让人用得起,布朗牺牲了精度,把基本方程里“可以省”的部分省掉了。

而接管这套方法的人,把布朗被迫放弃的精度,原样保留了下来。华莱士·约翰·埃克特2(Wallace Eckert)是布朗在耶鲁的博士生,后来长期任教于哥伦比亚大学。(他和后来参与建造 ENIAC 计算机的普雷斯珀·埃克特只是同名。)

他要做的事,说起来简单:把表扔掉,直接让机器算布朗留下的式子。为了这件事,他把天文学和机器绑在了一起,先把这些式子变成机器能执行的计算步骤。二战期间,他主持美国海军天文台的航海年历办公室,用穿孔卡机器把历书的生产整个自动化。二战结束后,他回到哥大,创立沃森科学计算实验室。这个实验室先后造出两台当时世界上最快的机器:1948 年的 SSEC(可选序列电子计算器)和 1954 年的 NORC(IBM海军军械研究计算器)。

1954 年,埃克特与人合著的《改进月球历 1952–1959》出版,由美国海军天文台航海年历办公室发行,它后来成了美国登月计划轨道计算的基础之一。1965 年,埃克特从月球轨道那些微小的异常里,反推出月亮表面之下藏着质量异常集中的区域。几年后,绕月飞行的航天器经过这些区域时高度发生抖动,证实了它。今天它们有个名字,叫“质量瘤”(mascon)。算月亮算到最后,人类算出了月亮地底下藏着什么。

1969 年,阿波罗 11 号在月球表面放了一块角反射器阵列。这是由一百个角反射棱镜拼成的面板,不管光从哪个角度射进去,都会沿原路精确反射回来。此后全球各地的天文台持续向它发射激光,测量光往返的时间,就能算出地月距离。后来,月球上又有了其他反射器。人类因此知道:月球正以每年约 3.8 厘米的速度远离我们。


▲1971年2月5日拍摄的激光测距反推反射器(LR3)的特写画面,阿波罗14号宇航员在月球表面舱外活动期间部署该装置。图片来源:NASA

月亮离我们越来越远了。但从托勒密、第谷再到布朗、阿波罗,人类一直在向它靠近。

今晚抬头的时候,我们不再需要计算。月亮自己会圆。祝大家平安,月亮圆圆,事事如愿。中秋节快乐

[1] 原文出自:The star catalogues of Ptolemaios and Ulugh Beg: Machine-readable versions and comparison with the modern Hipparcos Catalogue。


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