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东边日出西边雨——江晓原的网易博客

 
 
 

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遥想当年,天堡星堡——关于第谷的往事之二  

2009-03-28 09:33:49|  分类: 科学外史专栏 |  标签: |举报 |字号 订阅

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载《新发现》杂志2009年第2期

科学外史(32)

 

遥想当年,天堡星堡——关于第谷的往事之二

 

江晓原

 

 

  汶岛(Island ofHven)在丹麦的Øresund海峡中,北纬55度53分,东经12度41分。这个在地图上很难找到的小岛,因为第谷而得以名垂青史。

  1576年第谷30岁,幸运地成为汶岛的主人,但更重要的是丹麦国王对他极为慷慨的财政资助,使他得以在汶岛大展宏图。他在汶岛工作了21年,创造了一个天文学史上激动人心而且影响深远的神话。

  在第谷掌管汶岛之前,欧洲的基督教世界还从来没有建设过大型天文台。那时欧洲人倒是听说过远方一些伟大的天文台,不过它们都建造在东方,比如蒙古人建立的伊儿汗王朝在马拉盖(Maragha,今伊朗西北部大不里士城南)建造的的天文台、帖木儿王朝的国王乌鲁伯格在撒马尔罕(Samarkand,在今乌兹别克境内)建造的天文台等等。那时欧洲人还只能用一些小型天文仪器——第谷年轻时偷偷用来熟悉星座的天球仪只有拳头大小。

  第谷在汶岛大兴土木,不仅建造了两座天文台——天堡和星堡,而且还有天文仪器修造厂、造纸厂、印刷厂、图书馆、工作室和宽敞舒适的生活设施。汶岛被誉为“基督教欧洲第一个重要的天文台”。

  第谷为汶岛上两座天文台所取之名,皆有来历。较大的那座名“天堡”(Uraniborg),意为“天上的城堡”、“绝妙无双的城堡”,源于希腊神话中女神Urania之名——她正是九位缪斯中司天文的。稍小的那座名“星堡”(Stjerneborg,这是丹麦文的拼法,拉丁文为Stellaeburgum,得名于拉丁文stellae,即恒星之意)。

  从天堡东面看过去,天文台正在中心,周围是有大约300颗树的装饰性花园,有高墙保护,东西两端的门口甚至还安排了警犬的犬舍。仆人们的住所在天堡北端,南端是印刷厂。天堡顶层有八间助手们的卧室,主楼上有四个带圆锥型屋顶的观测室,南北两端各两个,中间则是各种用途的房间,包括一个临海的夏季餐厅。图书馆设在底层,里面有一个巨大的天球仪(对主人年轻时摆弄拳头大小小天球仪的特别补偿?),上面标出了肉眼可见的约一千颗恒星公元1600年的位置。作为当时驰誉全欧的星占学家,第谷也没有忘记设置炼金术实验室——它被安置在地下室。

 

  第谷在岛上研制精度极高的大型天文观测仪器,达到了“前望远镜时代”天文观测无可争议的精度巅峰——测量精度高于1′(圆周的21600分之一)。借助于这些仪器,第谷获得了前所未有的完整而精确的观测资料。虽然第谷利用这些观测资料构造的宇宙模型最终成为过眼烟云,但往后我们将看到,这些观测资料在当时已经产生了革命性的影响。

  第谷晚年离开汶岛后完成了《新天文仪器》(Astronomae instaurataemechanica,1598)一书,这也可以看作是他对汶岛岁月的纪念——书中留下了曾在汶岛两座天文台中使用过的17件天文仪器的图示和文字描述。这些仪器中有三类特别值得注意。

  第一类是浑仪。这本来是欧洲和古代中国都有的仪器,所不同的是,欧洲自古使用黄道浑仪——以黄道为基准,而中国的浑仪一直是赤道式的。第谷在欧洲首创使用赤道式浑仪,当时被认为是新奇的天文仪器(第谷和欧洲的天文学家那时并不知道遥远的中国早就在使用赤道式浑仪)。第谷一共造过三架赤道式浑仪,其中安放在汶岛天堡的那一架他用得最多,是他认为最准确的仪器之一,其赤纬环的直径达9.5英尺。

  第二类称为象限仪——因为刻度环是一个圆周的四分之一。这又可分为两种形式:一种通常固定在子午面,即正南北方向的立面墙上,故又名“墙象限仪”。这种仪器早在托勒密的著作中就有详细描述,中世纪阿拉伯天文学家也非常喜欢使用。另一种是第谷更为重视的,仪器被安置在地平圈上,因而可以在360度任意方位角的立面内测量天体的地平高度。第谷共建造过4架这种仪器,它们的重要用途之一是用来确定时刻——测得太阳的地平高度,然后推求出当地时刻。此法相传由公元9世纪时阿拉伯天文学家首先采用,15世纪才传入欧洲。汶岛的天文台上已有机械时计,但这些早期的机械时计精度还很差,在观测上精益求精的第谷对它们不太信任。

  第谷天文仪器中最值得注意的是第三类——纪限仪,这是第谷发明的仪器。第谷著作中指称这种仪器的拉丁原文是sextanstrigonicus,词根sex即“六”之意,因该仪器的主要部分是一个圆面的六分之一。该仪器在英语中通常写成sextant——恰好与航海测量用的“六分仪”是同一个词,结果造成一些混乱,有人将第谷的这种仪器也成为“六分仪”。事实上航海测量用的“六分仪”是望远镜发明之后的产物,其原理被认为由牛顿首先提出。

  第谷发明纪限仪是为了更方便地直接测量两颗恒星之间的角距离。第谷曾用它来确定1572年新星与仙后座诸恒星的相对位置。第谷后来在汶岛进一步改进了这种仪器,它被安放在一个固定的球形万向接头上,观察者从金属制作的六分之一圆弧向圆心的照准器观看,两人合作,一人沿着一根固定的半径观测恒星A,一旦恒星A和这个半径共线后就将仪面固定,此时另一观测者沿一根可移动的半径观测另一颗恒星B,这样就能直接读出这两颗恒星之间的角距离。

  第谷的纪限仪有一架直接的仿制品,完好保存在今北京建国门古观象台上,它是由来华耶稣会士南怀仁(FerdinandVerbiest)在1673为康熙皇帝建造的六架大型天文仪器之一。

 

  第谷慷慨的赞助人丹麦国王弗雷德里克二世于1588年4月4日驾崩。新王即位之后,丹麦宫廷对第谷开支浩大的天文学研究的资助热情逐渐消减,最终使得第谷不得不寻求新的赞助人。1597年3月15日,第谷在汶岛做了最后一次天文观测,就永远告别了这个他曾经生活工作过二十多年的传奇小岛。

  这时另一个赞助人出现了,神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世决定资助第谷。1599年6月,第谷到达皇帝当时的驻地布拉格。尽管他完全没有料到自己的未来岁月只剩两年多了,但他注定还要上演天文学史上意味深长的新一幕。

 

(未完待续)

 

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图片说明

  第谷建造在天堡的“大墙象限仪”。在一堵正南北向的墙上,有黄铜制成的四分之一圆周,半径超过6英尺,刻度精确到10″。圆心处是固定的准星,两个后视照准器可以在圆周上滑动。观察者(应该就是第谷本人)正在等候恒星上中天时刻的到来。一个助手正在测读钟表(只有一个时针),另一个助手坐在桌子前记录数据。大墙象限仪上在背景中,第谷的助手们正在用各种仪器进行观测;而下面一层的图书馆中,更多的学生和助手在天球仪旁工作;再下面一层正是第谷的炼金术试验室。图中甚至还画上了第谷忠实的狗。第谷身后墙上的壁龛两旁,挂着第谷的赞助人——国王和王后的肖像。

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