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爱德蒙·哈雷

爱德蒙·哈雷

爱德蒙·哈雷(Edmond Halley,1656年10月29日出生于伦敦,1742年1月14日逝世于伦敦),英国天文学家、地质物理学家、数学家、气象学家和物理学家。曾任牛津大学几何学教授,并是第二任格林威治天文台台长。

 

生平简介

 

哈雷出生于一个富有的伦敦家庭,1673年他赴牛津上大学,在他毕业前他就发表了关于太阳系和太阳黑子的论文。

1676年哈雷离开牛津,他首先拜访了南大西洋上的圣赫勒拿岛并在那里研究南天星空。1678年他返回英国。此后他发表了包含341颗南天恒星的详细数据的《南天星表》。这份星表加上附属的星图使他获得了与第谷·布拉赫同样高的声誉。他被授予牛津硕士学位和被选为英国皇家学会院士。

1686年哈雷发表了关于他的探险的第二篇论文,这篇论文的内容是信风和季雨。他学确定太阳的热能是大气层运动的动力,他还建立了气压与高度之间的关系。

1682年哈雷结婚并在伊斯林顿定居。大多数时间里他观察月球,但他也对引力感兴趣。他试图证明开普勒定律。1684年8月他去剑桥与艾萨克·牛顿讨论这个问题,但他发现牛顿已经解决了这个问题,只不过牛顿什么也没有发表。哈雷说服牛顿发表了他的《自然哲学的数学原理》。这部书是哈雷付钱出版的。

1693年哈雷发表了一篇关于寿险的文章。基于一个德国纪录完整的小城的数据他分析了死亡年龄。这篇文章为英国政府出售寿险提供了一个坚实的基础,因为这样一来英国政府才能确定一个合理的价格。哈雷的这篇文章对保险统计科学有深刻的影响。

1698年他受命作为一艘探险船的船长研究地球的磁场。他一共花了两年的时间在大西洋上从北纬52度一直航行到南纬52度。1701年他发表了《通用指南针变化图》。

1703年11月他被指定为牛津大学的萨维尔几何学教授,1710年他获得了一个名誉法学博士的学位。1705年他发表了他的猜测,1456年、1531年、1607年和1682年的彗星是同一颗彗星。他预言这颗彗星将于1758年重返。当这颗彗星于1758年重返后它被命名为哈雷彗星。

1716年哈雷提议使用金星凌日来精确地测量地球和太阳之间的距离。1718年他通过比较他的天体测量数据和古希腊的数据发现了恒星的自行运动现象。

1720年哈雷继约翰·弗兰斯蒂德被命名为皇家天文学家。到他逝世他保持着这个职位。他被葬在伦敦东南。

Edmund_Halley

 

科学研究

 

哈雷生逢以新思想为基础的科学革命时代,1673年进牛津大学王后学院。1676年到南大西洋的圣赫勒纳岛测定南天恒星的方位,完成了载有341颗恒星精确位置的南天星表,记录到一次水星凌日,还作过大量的钟摆观测(南半球钟摆旋转的方向与北半球相反)。

1678年哈雷被选为皇家学会成员,并荣获牛津大学硕士学位。1684年,他到剑桥向牛顿请教行星运动的力学解释,在哈雷研究取得进展的鼓舞下,牛顿扩大了他对天体力学的研究。

哈雷具有处理和归算大量数据的才能,1686年,他公布了世界上第一部载有海洋盛行风分布的气象图,1693年,发布了布雷斯劳城的人口死亡率表,首次探讨了死亡率和年龄的关系,1701年,他根据航海罗盘记录,出版了大西洋和太平洋的地磁图,1704年,他晋升为牛津大学几何学教授。

1705年,哈雷出版了《彗星天文学论说》,书中阐述了1337-1698年出现的24颗彗星的运行轨道,他指出,出现在1531、1607和1682年的三颗彗星可能是同一颗彗星的三次回归,并预言它将于1758年重新出现,这个预言被证实了,这颗彗星也得到了名字-哈雷彗星。1716年他设计了观测金星凌日的新方法,希望通过这种观测能精确测定太阳视差并由此推算出日地距离,1718年,哈雷发表了认明恒星有空间运动的资料。1720年继任为第二任格林威治天文台台长。

哈雷还发现了天狼星、南河三和大角这三颗星的自行,以及月球长期加速现象。

Edmond_Halley_Royal_Greenwich_Observatory_Museum

 

传奇人生

 

埃德蒙多·哈雷 Halley, Edmond(1656.11.8—1742.1.14)

英国天文学家,把牛顿定律应用到彗星运动上,并正确预言了那颗现被称为哈雷的彗星作回归运动的事实。

埃德蒙·哈雷,出生于1656年的英国,20岁毕业于牛津大学王后学院。此后,他放弃了获得学位的机会,去圣赫勒纳岛建立了一座临时天文台。在那里,哈雷仔细观测天象,编制了第一个南天星表,弥补了天文学界原来只有北天星表的不足。哈雷的这个南天星表包括了381颗恒星的方位,它于1678年刊布,当时他才22岁。

哈雷最广为人知的贡献就是他对一颗彗星的准确预言。1680年,哈雷与巴黎天文台第一任台长卡西尼合作,观测了当年出现的一颗大彗星。从此他对彗星发生兴趣。哈雷在整理彗星观测记录的过程中,发现1682年出现的一颗彗星的轨道根数,与1607年开普勒观测的和1531年阿皮延观测的彗星轨道根数相近,出现的时间间隔都是75或76年。哈雷运用牛顿万有引力定律反复推算,得出结论认为,这三次出现的彗星,并不是三颗不同的彗星,而是同一颗彗星三次出现。哈雷以此为据,预言这颗彗星将于1759年再次出现。1759年3月,全世界的天文台都在等待哈雷预言的这颗彗星。3月13日,这颗明亮的彗星拖着长长的尾巴,出现在星空中。遗憾的是,哈雷已于1742年逝世,未能亲眼看到。1758年这颗彗星被命名为哈雷彗星,那是在他去世大约16年之后。哈雷的计算,预测这颗彗星将于1835年和1910年回来,结果,这颗彗星都如期而至。

哈雷是个不同凡响的人物。他当过船长、地图绘制员、牛津大学几何学教授、皇家制币厂副厂长、皇家天文学家,是深海潜水钟的发明人。他写过有关磁力、潮汐和行星运动方面的权威文章,还天真地写过关于鸦片的效果的文章。他发明了气象图和运算表,发现了恒星的自行,提出了利用金星凌日的机会测算地球的年龄和地球到太阳的距离的方法,甚至发明了一种把鱼类保鲜到淡季的实用方法。他还发现了月亮运动的长期加速现象,为精密研究地、月系的运动作了重要贡献。

哈雷作为船长航海归来后,绘制了一张显示大西洋各地磁偏角的地图。磁偏角,即指南针指示的北方与实际正北方的夹角,我国宋代科学家沈括首先发现磁偏角现象。哈雷在十四五岁时就对这现象感兴趣了,当时还亲手测量了几次。三十多年后,在经历海上、船上重重艰辛后,这张实用又美观的地图问世了。它是第一张绘有等值线的图。图中每条曲线经过的点,磁偏角的值都是相同的。今天我们常看到的等高线地形图、有等气压线的天气图,其实都来自哈雷的创意。等值线在当时被称为“哈雷之线(Halleyan Lines)”。

Halley_compass_variations_1702----哈雷绘制的磁偏角地图

如果有人拿出个难题请教哈雷,哈雷一定会用一切方法去解决它。比如说,一个皇家学会成员约翰·霍顿问道:怎样才能合理而准确地测量出英格兰和威尔士的总面积呢?版图是不规则的,直接对着地图,用尺子测量再计算显然太费功夫了。对这个复杂的问题,哈雷用了一种独特的方式轻松搞定了。他找来了当时最精确地地图,贴在一块质地均匀的木板上,然后小心地沿着边界把地图上的英格兰和威尔士切下来,称其重量;再切下一块面积已知的木板(如10cm*10cm),称其重量。两块的重量之比也就是它们的面积之比,所以英格兰和威尔士在地图中的面积可以很容易算出。再根据比例尺进行放大,就可知两地区的实际面积了。他得出的结果和现在用高科技手段测量出的面积惊人吻合。这种方法也可以在某些科学竞赛中找到踪影。

然而,尽管他取得了这么多的成就,但他对人类知识的最大贡献也许只在于他参加了一次科学上的打赌。赌注不大,对方是那个时代的另外两位杰出人物。一位是罗伯特·胡克,人们现在记得最清楚的兴许是他描述了细胞;另一位是伟大而又威严的克里斯托弗·雷恩爵士,他起先其实是一位天文学家,后来还当过建筑师,虽然这一点人们现在往往不大记得。1683年,哈雷、胡克和雷恩在伦敦吃饭,突然间谈话内容转向天体运动。据认为,行星往往倾向于以一种特殊的卵行线即以椭圆形在轨道上运行--用理查德·费曼的话来说,“一条特殊而精确的曲线”--但不知道什么原因。雷恩慷慨地提出,要是他们中间谁能找到个答案,他愿意发给他价值40先令(相当于两个星期的工资)的奖品。胡克以好大喜功闻名,尽管有的见解不一定是他自己的。他声称他已经解决这个问题,但现在不愿意告诉大家,他的理由有趣而巧妙,说是这么做会使别人失去自己找出答案的机会。因此,他要“把答案保密一段时间,别人因此会知道怎么珍视它”。没有迹象表明,他后来有没有再想过这件事。可是,哈雷着了迷,一定要找到这个答案,还于次年前往剑桥大学,冒昧拜访该大学的数学教授艾萨克·牛顿,希望得到他的帮助。1684年8月,哈雷不请自来,登门拜访牛顿。他指望从牛顿那里得到什么帮助,我们只能猜测。但是,多亏一位牛顿的密友--亚伯拉罕·棣莫佛后来写的一篇叙述,我们才有了一篇有关科学界一次最有历史意义的会见的记录:1684年,哈雷博士来剑桥拜访。他们在一起待了一会儿以后,博士问他,要是太阳的引力与行星离太阳距离的平方成反比,他认为行星运行的曲线会是什么样的。这里提到的是一个数学问题,名叫平方反比律。哈雷坚信,这是解释问题的关键,虽然他对其中的奥妙没有把握。艾萨克·牛顿马上回答说,会是一个椭圆。博士又高兴又惊讶,问他是怎么知道的。“哎呀,”他说,“我已经计算过。”接着,哈雷博士马上要他的计算材料。艾萨克爵士在材料堆里翻了一会儿,但是找不着。这是很令人吃惊的--犹如有人说他已经找到了治愈癌症的方法,但又记不清处方放在哪里了。在哈雷的敦促之下,牛顿答应再算一遍,便拿出了一张纸。他按诺言做了,但做得要多得多。有两年时间,他闭门不出,精心思考,涂涂画画,最后拿出了他的杰作:《自然哲学的数学原理》。并且,哈雷自费为牛顿出版了这本书。

也就是说,因为哈雷,才会诞生科学史上最伟大的著作——《自然哲学的数学原理》。

Edmond_Halley_plaque_in_Westminster_Abbey

 

哈雷的绰号

 

哈雷有许多有意思的绰号。当年他出色地绘制了南天星图,于是当时的英国皇家天文学家弗拉姆斯蒂德(John Flamsteed)便叫他“南天第谷(Our Southern Tycho)”。第谷是丹麦天文学家,他用肉眼精确测量了北天777颗恒星的位置,并发掘出了后来成为“星空立法者”的开普勒。Flamsteed也以观测精确著称,第谷自然成为他心中至高的偶像。22岁的哈雷竟被性格严肃刻板的Flamsteed毫不吝啬地誉为“南天第谷”,其天文才华可见一斑。

可是,几十年后,哈雷从Flamsteed那里得来了另一个性质完全不一样的绰号“雷霉儿(Raymer)”。这是怎么回事呢?

说起来,Flamsteed和第谷确实有很多共同点。第谷发掘了开普勒,而在某种意义上,Flamsteed发掘了哈雷。格林尼治天文台刚准备建设那会儿,Flamsteed作为被制定的天文台第一任台长,找到牛津大学去选助手。当时正在上大二的哈雷在同龄人中脱颖而出,从此逐渐成为公众的焦点。

天文台建设得很顺利,一切看起来相当不错。可是随着时间推移,Flamsteed发现他和哈雷的性格根本合不到一块儿。哈雷活泼好动,说起话来轻快幽默,不着边际的想法多得是,(比如说,为什么星星有无数颗,夜晚还是黑的?)甚至有时会搞无伤大雅的恶作剧。这种个性在大部分人看来,当然是极具吸引力的,加上哈雷才华横溢,在公众影响力方面几乎是把Flamsteed秒杀了。Flamsteed一是嫉妒,二是作为一个认真严肃的学者,他绝对不能容忍哈雷这样大大咧咧锋芒毕露地做学问,于是有段时间他大肆诽谤,传了很多哈雷的丑闻。

从此这两个昔日志同道合的人变成了针尖对麦芒的冤家,互相打着笔墨官司,谁也不让谁。其实哈雷是个大方的人,口才又好,几乎成了皇家学会的“专业调解员”。胡克和海维留(Hevelius)之争、牛顿和胡克之争、牛顿和莱布尼茨之争,都是有了哈雷的劝说才稍显平息(尽管后两者最终还是酿成杯具)。但哈雷容忍不了Flamsteed,在他眼里Flamsteed简直是个嫉妒心极强、吃饱了撑的欺负后辈,脾气又怪异的家伙。

而Flamsteed则认为哈雷浮夸自负,没真本事,只靠发挥想像力、拉关系,就在皇家学会里混。更重要的是,哈雷貌似对神不敬。其实哈雷不过是试图用科学道理解释《圣经》里的一些奇异事件,比如大洪水。

与此同时,Flamsteed仍以第谷自况,他觉得自己的境遇和第谷简直有异曲同工之妙。第谷也有个针尖对麦芒型的冤家,叫Raymers。但Flamsteed可不敢自夸说自己就是第二代第谷啊,他只好说他的冤家哈雷是第二代Raymers,简称Raymer,似乎这样一来也就间接证明了自己和第谷有缘。

可是Flamsteed能和第谷比吗?显然不能。第谷发掘开普勒的故事被传为佳话;而Flamsteed被他发掘的哈雷最后却闹成这副样子,叫人摇头叹息,情何以堪哪。

不过不管怎样,“南天第谷”和“雷霉儿”这两个绰号都挺来之不易的,浓缩了两个人之间的戏剧性的传奇。

现在,人们(尤其在西方)谈到哈雷,习惯性地不直呼其名,而是叫他“彗星男(The Comet Man)”。当然,在其他书中,我们可以看到,哈雷还是“潮汐王子(Prince of Tides)”,“地球物理学之父(Father of Geophysics)”等等。

还有哪个科学家能享有如此多的绰号呢?

Halley_Edmund_grave

 

以哈雷命名的事物

 

• 哈雷彗星——哈雷第一个预言它的回归

• 哈雷环形山——是火星上的一座环形山

• 哈雷研究站——位于南极洲

Lspn_comet_halley

 

哈雷彗星

 

哈雷彗星 (正式的名称是1P/Halley)是最著名的短周期彗星,每隔75或76年就能从地球上看见,哈雷彗星是唯一能用裸眼直接从地球看见的短周期彗星,也是人一生中唯一可能以裸眼看见两次的彗星。其它能以裸眼看见的彗星可能会更壮观和更美丽,但那些都是数千年才会出现一次的彗星。

至少在西元前240,或许在更早的西元前466年,哈雷彗星返回内太阳系就已经被天文学家观测和记录到。在中国、巴比伦、和中世纪的欧洲都有这颗彗星出现的清楚纪录,但是当时并不知道这是同一颗彗星的再出现。这颗彗星的周期最早是英国人爱德蒙·哈雷测量出来的,因此这颗彗星就以他为名。哈雷彗星上一次回归是在1986年,而下一次回归将在2061年中。

在1986年回归时,哈雷彗星成为第一颗被太空船详细观察的彗星,提供了第一手的彗核结构与彗发和彗尾形成机制的资料。这些观测支持依些长期以来有关彗星结构的假设,特别是弗雷德·惠普的“脏雪球”模型,正确的推测哈雷彗星是挥发性冰-像是水、二氧化碳、和氨-和尘埃的混合物。这个任务提供的资料还大幅改革和重新配置这些材料的想法;例如,现在理解哈雷彗星的表面主要是布满尘土的,没有挥发性物质,并且只有一小部分是冰。

Halley's map of the path of the Solar eclipse of May 3, 1715 across England

 

轨道计算

 

哈雷是第一颗被确认的周期彗星。直到文艺复兴之前,哲学家们一致认定彗星的本质是如亚里斯多德所论述的,是地球大气中的一种扰动。这种想法在1577年被第谷推翻,他以视差的测量显示彗星必须在比月球之外更远的地方。许多人依然不认同彗星轨道是绕着太阳,并且假定它们在太阳系内的路径是遵循直线行进的。

在1687年,艾萨克·牛顿发表了它的《自然哲学的数学原理》,他在其中简略的介绍了引力和运动的规律。虽然他一直怀疑在1680年和1681年相继出现的两颗彗星是掠过太阳之前和之后的彗星 (后来发现他是正确的,参见牛顿的彗星),但他在彗星的工作还未完成,因此未将彗星放入他的模型中。最后,是牛顿的朋友,编辑和出版者,爱德蒙哈雷,在他1705年的天文学对彗星的简介,使用了牛顿新的规律来计算木星和土星的引力对彗星轨道的影响。它的计算使得他在检视历史的纪录后,有能力确定在1682年出现的第二颗彗星,和1531年 (由阿皮昂观测) 与1607年 (由约翰·开普勒观测) 出现的彗星有着几乎相同的轨道要素。哈雷因此推断这三颗彗星事实上是同一颗彗星每隔76年来一次,周期在75-76年之间修正。在粗略的估计行星引力对彗星的摄动之后,他预测这颗彗星在1758年将会再回来。 the attraction of Jupiter and Saturn having caused a retardation of 618 days. 虽然直到1758年12月25日这颗彗星才被德国的一位农夫和业余天文学家约翰·帕利奇 (Johann Georg Palitzsch),哈雷的预测还是正确的。它受到木星和土星摄动延迟的影响618天,直到1759年3月13日才通过近日点。由三位法国数学家Alexis Clairaut、Joseph Lalande和Nicole-Reine Lepaute组成的小组,认为这个效果使它提前了一个月回归 (与4月13日有一个月的误差),但是哈雷于1742年逝世,未能活着看见这颗彗星的回归。彗星回归的确认,首度证实了除了行星之外,还有其他的天体绕着太阳公转。这也是最早对牛顿物理学成功的测试,和解释能力的一个清楚的示范。在1759年,法国天文学家尼可拉·路易·拉卡伊将这颗彗星命名为哈雷彗星,以显示对尊崇哈雷的尊崇。

在一世纪的犹太天文学家可能已经认为哈雷彗星是有周期性的。提出这理论是注意到在一篇犹太法典的短文中提到:“有一颗星隔70年出现一次,会使船长发生错误”。

哈雷彗星的轨道 (蓝色) 相对于外行星的轨道 (红色)

 

轨道和起源

 

哈雷彗星的轨道 (蓝色) 相对于外行星的轨道 (红色)

 

哈雷彗星的纪录和联想

 

最先和最完备的哈雷彗星纪录皆为中国;据朱文鑫考证:自秦始皇七年(公元前240年)至清宣统二年(1910年)共有29次记录,并符合计算结果。

在欧洲,哈雷彗星的纪录也十分详尽,最早的纪录在公元前11年,但哈雷彗星回归与其他彗星一样,往往被众多迷信的居民联想成稀罕的灾星跟恐慌与灾祸扯上关系;1066年4月回归时,英国刚好遇着诺曼底公爵王朝前的侵略战争,当时居民见到彗星高挂的恐惧情况被绘在贝叶挂毯上留传后世。

 

古老记载

 

纪元前613年…《春秋》“秋七月,有星孛入于北斗”。
纪元前240年…《史记·始皇本纪》“始皇七年,彗星先出东方,见北方;五月见西方,十六日”。

纪元前164年后半…巴比伦的粘土板有记录。

纪元前87年8月

纪元前12年10月…《新约圣经》有伯利恒之星的说法。

66年1月

141年3月

218年5月

295年4月

374年2月

451年6月

530年9月

607年3月…日本书纪有记录。

684年10月…日本书纪(天武12年)有记录。

760年5月

837年2月

912年7月

989年9月…日本和中国皆有记录。这一年日本永延三年改元为永祚元年。

1066年3月

1145年4月…日本天养二年改元为久安元年。

1222年9月

1301年10月…日本的《镰仓年代记》、中国的《元史》中皆有记载。

1378年11月

1456年6月

 

1910年之回归

 

直至1910年回归时,尽管已是工业化的社会,仍对哈雷彗星充满恐惧。当时经算出来的结果显示:过近日点后的哈雷彗星彗尾将扫过地球,有报纸故意夸大其恐布性(彗尾中有毒气渗入大气层,并毒死地球上大部份人,实际上彗尾中的气体是陨星自然产生,不会毒死人类),当时有些偏僻村落的人感到异常恐慌,有报道在中欧和东欧甚至有人因此自杀。

这次回归开始,哈雷彗星有了照片和光谱纪录;是次回归最早在1909年9月11日被发现,当时彗星光度16等;1910年5月中旬直至月底的彗核亮度达2~3等,5月17日彗尾长达100度,往后更发展至140度之长。由于天文学家已预计5月20日地球经过哈雷彗星的彗尾(两者相距只有0.15 AU),这样引起包括气象学研究人员对环境的监测。这段时间拍下的彗头照片显示彗头复杂动荡的结构,并且有晕状和鸟冠状的光芒,5月24日彗核中心分为两个,各被抛物线状物包围;当年8月时为9等星,翌年1月时变为13~14等,那次回归最后观测纪录是1911年6月16日。

 

1986年之回归

 

1986年初回归时,人类作对它作最详尽的观测,1982年10月16日率先被美国帕洛马山天文台5米反射望远镜以CCD拍摄到,当时光度为24.2等,当时暂定名为1982I。

由于1910年观测时没有计划,当时各天文台观测方法和仪器上没有互相连系,故没有良好成果。为更有效协调全球观测网络,世界各天文台和天文爱好者之间联合观测。以美国喷射推进实验室(JPL)为中心,由美国国家航空航天局(NASA)赞助,并经国际天文学联会(IAU)赞同,由22位天文学家组成委员会于1982年8月16日在希腊举行的国际天文学联合会第18次全体会议上正式成立“国际哈雷彗星观测计划”(International Halley Watch,IHW)。计划有统一的观测原则,出版规范观测资料和方法,也考虑资料整理,因此使比较研究更容易。此计划由1983年10月中旬开始直至1987年末,不间断的对哈雷彗星观测。

为了观察哈雷彗星,当时参加这场国际哈雷彗星观测计划的国家所属太空中心中,美国国家太空总署、前苏联太空局、欧洲空间局以及日本宇宙空间研究所发射了七架宇宙探查器,其中由美国发射的ICE、欧洲发射的乔托号、日本发射的先驱号和彗星号以及前苏联发射的维加一号和二号在天文迷中普遍被称作“哈雷舰队”。

1991年2月,南欧天文台以1.54米丹麦望远镜观测到哈雷彗星的亮度突然从25等增亮至21.5等,并冒出20角秒(约20万公里)的彗发,这估计是受到一颗小行星的撞击或者太阳耀斑的激波激发所致。

哈雷

 

21世纪的观测

 

在20世纪最后一次在拍摄中发现哈雷彗星为1994年1月10日,以智利的3.58米新技术望远镜(New Technology Telescope)观测。2003年3月6日,天文学家以南欧天文台三座8.2米VLT望远镜在长蛇座头部再次拍到它(81张照片,共计九小时曝光),距地球27.26 AU(40.8亿公里),光度28.2等;天文学家相信:以现时观测技术,即使它在2023年过远日点(35.3 AU)还要暗2.5倍之下,也可拍到其影像。

哈雷彗星下次过近日点为2061年7月28日。

 

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