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地球像橘子还是像西瓜
早在柏拉图和亚里士多德时代,人类便认识到脚下的大地是一个圆球。直到1522年葡萄牙航海家麦哲伦的船队完成了环球航行,才最终验证了地球的形状。但我们居住的这颗行星真是滴溜溜的正圆球吗?
1671年法国天文学家里谢尔在圭亚那首府卡宴发现时钟每天慢了2分28秒(来源:Observations Astronomiques Et Physiques Faites En L'Isle De Caienne,by M.Richer)
1671年,法国天文学家里歇尔到圭亚那首府卡宴观测火星大冲,发现所带的钟每天慢了2分28秒,他将钟摆调短2.8毫米,才能重新校准时间,但1673年回到巴黎后必须把摆长再度复原。牛顿在1687年出版的开山巨著《自然哲学的数学原理》中以此为据,判定地球自转的离心力引起赤道膨胀两极扁平,因此成为一个“椭球”。赤道附近的圭亚那比北半球的法国距离地心更远,所以钟摆受到重力减小而频率变慢。巴黎天文台台长卡西尼的认识恰恰相反,他根据笛卡儿学派的信条和自己的测量,宣称地球形状是赤道收缩两极伸长。伏尔泰大为感慨:“巴黎说像西瓜,伦敦说像橘子。”地球的形状究竟如何,成为事关重力理论和航海实践的大问题。法国国王路易十五决定派出两个科考队,远赴北极圈内的拉普兰和赤道附近的秘鲁进行测量,通过大地曲率的对照,彻底了断这桩举世瞩目的科学公案。
1671年法国天文学家里谢尔在圭亚那首府卡宴发现时钟每天慢了2分28秒(来源:Observations Astronomiques Et Physiques Faites En L'Isle De Caienne,by M.Richer)
科考队的成员均为一时之选。前往拉普兰的领军人物是法国最早的“牛顿主义”数学家莫佩尔蒂,他后来创建了著名的“最小作用原理”;另一位台柱是瑞典乌普萨拉大学的数学家和天文学家摄尔西斯,他日后发明了摄氏温标。还有天文学家克莱罗、莫尼尔等先后加盟。他们1736年4月离开巴黎,分别沿陆路和水路北上,经过2个月舟车劳顿到达“圣诞老人的故乡”,开始了丈量北纬65°50′和66°50′之间的经线长度。
莫佩尔蒂在书房(作者:Presso Antonio Zatta,来源:Commons Wikimedia)
摄氏温标发明者摄尔西斯(来源:Medical History Timeline)
近代三角测量法是荷兰天文学家和数学家斯涅耳1615年首创的。知道一个边和两个角,便能推算出三角形的另外两个边。而通过相依相生的连环三角,就可以丈量出千百公里的广袤大地,绘制出精确地图乃至推算出地球的圆周。莫佩尔蒂以托尼奥河口半岛上的教堂钟楼为起点向北推进。虽然河流方向正好和经线一致,但没有理想的标记物可供参照,科考队只能钻进人迹罕至的吉蒂斯瓦拉山脉。他们伐倒古松剥掉树皮,在遥遥相望的峰顶搭起醒目的圆锥状窝棚作为观测点。露营生活幕天席地,蚊虫、吸血蝇轮番叮咬,狼群和熊频繁出没,甚至山火烧掉了建起的观测目标。当严冬来临时,他们在托尼奥河封冻的冰面上开出一条14公里的基线,夜间凭借微弱的极光继续工作。零下45摄氏度的严寒,只有白兰地保持液态,但喝上一口就会把嘴唇和舌头冻在金属杯子上而扯破皮肉。莫佩尔蒂和同伴靠滑雪板和驯鹿雪橇在银色世界穿行,窝棚经常被大雪封埋。漫长的极夜中,他们仍用天顶仪和望远镜观测星座锁定纬度,并发现时钟每天比巴黎快59秒。1737年6月,莫佩尔蒂完成了1.02度经线长度测量,取道丹麦返回巴黎,归途乘坐的商船在波罗的海风暴中遇险漏水,科学家们奋不顾身抢救观测资料和仪器设备。一年多的北极之旅让莫尼尔身患重病,莫佩尔蒂也留下了终身的健康损害。
1615年荷兰天文学家、数学物理学家维利伯德·斯涅耳发明三角测量法(来源:Commons Wikimedia)
斯涅耳三角测量法原理(来源:Muuseum.Ut.Ee)
拉普兰科考队在测定基线(来源:aborn.fr)
拉普兰科考队搭建标记(来源:southsaamihistory)
拉普兰科考队乘坐的雪橇(作者:Renaud Outhier,来源:maupertuis.fi)
拉普兰考察队在北极雪原搭起帐篷安身(作者:Renaud Outhier,来源:histoirenormande.fr)
莫佩尔蒂画像——压扁了地球 (作者:Robert Tournier,来源:Commons Wikimedia)
拉普兰科考队用三角法测绘的地图(来源:Histdoc.Net)
在法国科学院1737年8月28日召开的专题会议上,莫佩尔蒂报告了测量结果:拉普兰地区1度经线长为111950米。比皮卡德1668年和卡西尼1701年、1718年在法国测量的1度经线要长出约700米。由此足以证明牛顿的断言,地球的形状是北极回缩。消息传出,举世轰动,伏尔泰喝彩道“莫佩尔蒂压扁了地球和卡西尼”。但科学界并没有立刻接受莫佩尔蒂的结论。卡西尼不仅攻击北极测量的薄弱环节,还抓住莫佩尔蒂带回两个土著姑娘大做文章,将拉普兰考察嘲讽为一桩桃色事件。伯努利也对测量结果表示怀疑,声称“先入之见和预设结果很容易找到支持的数据”。苏格兰数学家斯特灵代表了多数人的态度:“秘鲁科考队马上回来,一切都将真相大白。”
1986年芬兰发行邮票纪念莫佩尔蒂北极科考250周年(来源:wydera.de)
1982年瑞典发行邮票纪念舍尔西斯(来源:homepages-fb.thm.de)
但公众对远征秘鲁的科考队显然过于乐观了,他们比拉普兰科考队早1年出发,原计划3年完成任务,却不料一去就是悠悠10年。
秘鲁科考队布格进行山地测量(来源:Sieland-Online.De)
事情还要从1734年4月6日路易十五写信给他的叔叔——西班牙国王费利佩五世说起。根据这两位波旁家族要员的协议,法国和西班牙共同派人和出资组成科考队,前往赤道附近的西班牙殖民地秘鲁测量子午线。法国的阵容是科学院院士戈丁、拉康达明和布格,外加4位科学家和3个助手。他们1735年5月16日乘坐泼特菲克斯号商船从罗切尔港出发,经过半年搏风击浪,11月15日到达加勒比海的卡萨根那。西班牙海军军官胡安和乌略亚已在那里恭候多时。双方人员会师后,再穿过巴拿马地峡沿太平洋南下,1736年5月29日抵达秘鲁的基多省,即后来以赤道为名的厄瓜多尔。这是科考史上首次正式的国际合作。
拉康达明画像(来源:newsbeast.gr)
拉康达明在秘鲁(crlv.org)
秘鲁科考队兵分两路互相策应,最大挑战来自“美洲的脊梁”安第斯山。背负着沉重的仪器和测杆,攀援在插云戴雪的群峰之间,他们创造了人类“最高”的科考纪录。严重的缺氧让这些欧洲科学家不断昏倒、呕吐、牙龈出血。登上海拔4791米的皮钦查山克拉松峰时,每人的衣帽和须眉都挂满了冰凌,而50年后才有人登上相同高度的“欧洲之巅”勃朗峰。活火山的喷发如雷霆万钧,崩岩巨石从山上滚落,狂风、骤雨、冰雹则常常突发陡起。有时大雾笼罩,目标迷失,连驮运仪器的骡子都会丢掉。遍布丛林的蚊虫、蝎子、毒蛇更防不胜防。加上经费拮据,供应阻滞,使科考队不断陷入困境。1736年9月19日,年仅18岁的库普莱患疟疾一病不起,长眠在秘鲁的卡亚穆比教堂。
秘鲁科考队遇到活火山(archive.org)
秘鲁科考队在山地测量(来源:350ans.obspm.fr)
秘鲁科考队用天顶仪观察星座确定纬度,门外可见活火山喷发(来源:Wikiwand)
1736年法国科考队在厄瓜多尔(来源:Nature)
秘鲁考察队在工作(来源:Muuseum.Ut.Ee)
当巴黎传来了拉普兰科考队已经抢先完成了测量,并证实了牛顿理论,秘鲁科考队受到巨大的心理挫折。有人提议打道回府,有人主张各奔前程,多亏拉康达明以科学的荣誉稳住军心。当地土著曾热烈欢迎持有西班牙国王护照的科考队,但逐渐开始疑窦丛生:这些欧洲人舍命跑到安第斯山,难道就为了弄清地球的形状?“他们是来探矿寻宝,拿走秘鲁财富的”,“绘制地图献给英国人”,种种流言使科学家遭受敌意。当科考队的外科医生桑尼尔古斯介入当地冲突后,在一次公众集会中被暴民刺伤,4天后不治身亡。布格在混乱中被石头击中,躲进教堂里才得以逃生。胸怀远大目标跨越半个地球的科学精英,也会“偶因细故”而贻误大局和死于非命。
秘鲁科考队用木杆测量12公里基线(来源:Origins.Osu.Edu)
拉康达明测绘奇布兰峡谷地图(来源:Cime de La Condaminepartie septentrionale du chaînon de Montbrison,geol-alp)
科考队每个成员返回法国的旅途可谓八仙过海和九死一生。与10年前相比,大西洋不仅风高浪急,而且成为英法的战场。1744年5月28日,布格首先搭乘贩运奴隶的特雷顿号双桅帆船从法属圣多明戈归航法国;拉康达明坐着独木舟沿亚马孙河漂流而下,从圭亚那登上中立国荷兰的咖啡货船,于1744年11月30日抵达阿姆斯特丹;乌略亚为避开英国海军绕道好望角,不想在失陷的法属殖民地路易斯堡当了俘虏,经历牢狱之灾后于1746年7月25日重返马德里;戈丁直到1751年7月才从羁旅秘鲁的利马大学回到欧洲;而画师莫雷维拉和仪表师雨果特分别于1764年和1781年客死在南美大陆。
秘鲁科考队医生桑尼尔古斯在冲突中被刺伤,7天后去世(来源:Quecuentascuenca)
秘鲁科考队用三角测量法绘制的地图(来源:Origins.Osu.Edu)
拉康达明秘鲁科学考察路线(来源:enchantedlearning)
1936年厄瓜多尔发行邮票纪念秘鲁科考测量200周年,画面中头像为戈丁、拉康达明和布格(来源:Wydera.De)
1936年厄瓜多尔发行邮票纪念秘鲁科考测量200周年,画面中头像为戈丁、拉康达明和布格(来源:Wydera.De)
1986年厄瓜多尔发行邮票纪念秘鲁科考测量250周年(来源:Wydera.De)
秘鲁科考队付出10年心血和沉重代价,以南纬1度31分为中点,总共丈量了3度07分经线,测出每度长为110655米,证明赤道千真万确是“鼓起”的。将秘鲁和拉普兰的测量结果进行综合比较,当年科学界一致认定地球扁率为1:310,校正了牛顿计算的1:229,地球形状的百年争论最终尘埃落定。
法国为拉普兰和秘鲁科考250周年发行的邮票(来源:Wydera.De)
拉康达明作为第一个探索亚马孙盆地的欧洲人,带回了橡胶和金鸡纳树标本,布格则测出了钦博拉索山体的引力,能造成铅垂线8角秒的偏移。尽管早期领队戈丁的贪腐行为遭人诟病,尽管各成员间摩擦不断,但秘鲁科学考察已经作为人类认识自然的空前壮举载入史册。彭加勒在名著《科学与方法》中,就以法国的大地测量为例证,赞美科学的崇高目标和牺牲精神。此后德国科学家洪堡的南美洲探险和达尔文乘坐贝格尔号军舰的南太平洋远征,米制在全世界的确立和风行,无不受到秘鲁科考队的直接启示和深刻影响。
基多赤道纪念碑全景(摄影:Pablo Hidalgo,来源:dreamstime)
来源:《播火录》