大唐之理工天下 一八五 日月誰更大

作者 ︰ 話糙理不糙

有一個很簡單的問題︰太陽和月亮誰更大?

至少以筆者的感受來說,那還用問嗎,肯定是月亮更大。但不過正確的答案是,它們幾乎一樣大,太陽的視角是31’到32’,而月球的視角是29’到34’。他們的平均視角是幾乎相同的。很有趣的巧合!

如果發生在日食上,月球比較大的時候,就是日全食,月球比較小的時候就是日環食。

但是如果用崔英現有的測量標準,只有月球的位置,才會在不同地點的觀測中,有可以觀測到的不同。比如,在她用來計算地月距離的一份數據中,濟南和金陵天文台在近似相同的時刻(這兩地經度相近),對月球的觀測發現,與其他恆星的位置作為比較,金陵測得月球在天球面上,比濟南足足往北偏了4‘20’’,或者確切地說,離黃道面上北方星體的距離更近,近很多,甚至產生明顯的遮蓋效應(這個距離在天空中是可能存在很多星星的),這麼大的差距,是肉眼都可以明顯辨別的。

注︰在這個測量上,地球直徑是有影響的,也可以測量月球與地面的角度來計算,但相對而言,利用天空作為背景更為準確,可以避免大地水平線校準的誤差。

而這兩地的地線大概是500公里,經過計算,此時的地月距離約40萬公里。在另外一些時候,崔英拿到的結果在36萬到38萬之間,這都是正確範圍之內。這個距離算出來以後,根據月亮的視角就可以估算出它的直徑,是3400公里左右。

這個成就,成為了欽天監當年上報的最讓人震撼的成就。長久以來,嫦娥奔月和月宮的傳說,在現在天文學的知識之下,成為了確確實實的數據和證據。♀各大報刊紛紛頭版頭條刊登這個結果。

可是崔英仍然不滿足。這是因為,她有一個新的估算方法︰放大過的視角估算法。

本來,量角器是在一個扇形上作為標記,可以測量任意角度。不過這專注遠距離天體的測量上,這個量角器就用不上了。

比如,通過一個100倍的望遠鏡放大以後,人眼的分辨能力可以到0.00016度,這需要一個無比精密的量角器才能測量。這個時候,如果在望遠鏡的成像境內,放上一個刻度的標尺,直接在光學上進行讀數,就不用六分儀那樣,用外在的機械標尺進行讀數了。這個最新的驗證型的天文望遠鏡是李治的提示下,崔英專門訂制的,在沒有成熟的使用方法時,她還沒有在各地都天文台中推廣應用。

這個望遠鏡的放大倍數是500倍,也就是說月亮在這個望遠鏡里,足足可以填充整個視野(267角度),環形山什麼都清晰可辨。在這個望遠鏡的幫助下,人眼可以區別天空中角距離0.12’’。借助宇宙背景的幕布,用500公里的地線長度,可以測量2500萬公里。遺憾的是,仍然沒有辦法測量金星最近時候的距離!

當然,如果把這個地線延長10倍就可以了。這意味著他們要在南半球澳大利亞,或者太平洋對面的美洲去設立一個天文台!

另外一個辦法就是用更大的望遠鏡,可是,由于現有的望遠鏡還是光學折射式的,這個500倍的望遠鏡,制作難度已經是近乎于無法制作。盡管它達到了這麼大的放大率,可是對小星體的成像效果卻不清晰。這是因為光學鏡片磨制中的球差導致的。此外還有嚴重的色差,導致星星看起來都像兩個紅藍色疊加起來一樣。這都決定了,看不看得到和能不能測量,這是兩回事。

不過,有一個隱隱約約的想法是很正常的。假設太陽圍著地球轉,那麼星空背景的周期與太陽的周期近似相同,但卻有一個無法愈合的誤差,這個誤差使太陽在星空中緩慢但是以一年為周期而進行運動。太陽和星空另一個共同點就是它們有一個同樣傾斜的黃道面。此外,所有的行星都是基本在這個黃道面左右運動。它們看起來和地球的轉動毫無關系。

如果地球靜止不動,那麼這些星體都運動就顯得毫無規律。但如果把旋轉的中心改為太陽,這一切就好解釋得多了。比如為什麼金星總是在太陽附近出沒,火星的運動為什麼這麼無常,而木星則為什麼穩定地多…那是因為他們其實並不是繞著地球轉,而是繞著太陽轉。這樣在地球看來,他們的轉動就可以通過求得地球公轉周期和他們公轉周期來推算。

崔英還在思考,李忠卻不知好歹地竄了進來。

「娘,爹爹叫我來問你,我和女同學之間可能要做的什麼事是什麼事…」李忠眼巴巴的賣萌,和善可親的二媽媽比口密月復劍的老爹大人可好說話的多。

崔英听了面色變換了幾陣。她自然知道是什麼回事,可是,她每日在這里苦心研究還要帶孩子的時候,有一個人卻優哉游哉的忙一些他早就會做的東西,嘴里還不停地抱怨︰「唉,太粗糙了。唉!太簡陋了!唉,完全都沒有做下去的心情!」這個人經常在實驗室坐著什麼也不干,耗上一整天,最好才愁眉苦臉花十分鐘就組裝好一個東西…一個可能會動也可能不怎麼靈光的東西,然後扔給別人去維修改進。

這個人還經常教孩子鼓搗一些莫名其妙地玩意!這個男女之事,怎麼輪到她這麼早來教的?

崔英讓李忠稍等,隨後就面掛寒霜的沖進了李治的實驗室。

「喲。吃了槍藥了……你這是…」李治還沒意識到他攤上了大麻煩事。

「陛下,你可真是悠閑啊!居然會教小孩子做這個了!」崔英的臉上寫了三個大字︰很不爽。

「喲。這,你這是,怎麼了,還會不好意思說這個?」李治看到老婆臉上都表情不是動情的嬌羞,于是覺得很疑惑。

「臣妾自然會教。只不過,臣妾最近苦于不知道怎麼證明行星運動的規律,如果陛下讓我教小孩子男女之事,是不是也該指點一下臣妾都難題呢?」

看著崔英臉上的表情,這哪里是一副請人幫忙的樣子,明明是不幫忙就罷工的架勢啊!

「行了,把你手上的東西拿過來吧!唉,又要費腦子咯…」李治才明白為什麼崔英拿著厚厚的一疊資料來找他了。

「看看你們觀測到了啥…」

這一疊手稿都是記載著連續幾天都觀測中,行星在天球面上運動的軌跡。當然,精度是相當有限的,大概只能精確到1角分。不過,對于粗略估算行星周期,是沒有問題的。

崔英丟下手稿,瞬間就恢復了和顏悅色的表情,很滿意的回頭教導小孩子去了。

拿起來最上面一個手稿,上書︰太白金星位于(以下數據根據2013年11月20日真實數據捏造金星位置︰ra赤經19時01分30秒,da赤緯-26度15分49秒)斗宿四以西1度30分。現在通用的記法是吧角度換算成時間。天球一圈360度,對應二十四小時。一小時等于15度,1分等于15角分。這個記法的好處就是方便計算時間。比如同時太陽的位置是在15時45分,這意味著,太陽落山後2小時15分後,金星也會跟著落山。這個季節,大清早的時候金星還沒升起來,看不到,只有在日落後這一點時間才能看到,而且你看到的時候它也只有30度就要落山,會比較靠近地面,如果有個晚霞之類的,就更不好看了。但金星因為距離地球很近,所以又是全天第三亮的天體,最亮的「星星」,所以還是比較容易看的。

李治確定了太陽和金星在天球中的位置角度,是2小時15分,對應著是30度175角分也就是接近33度的樣子。他在紙上首先畫了一個角,正是33度,然後在一條邊上記10厘米為1,代表太陽和地球的距離,是一個天文單位(1.49億公里),角的頂點是地球,邊上那個點就是太陽了。然後以太陽為圓心,畫一個0.7代表天文單位的圓。這個圓與角的另一個邊的交點,就是金星可能位于的軌道位置——它可能有兩個或者3個交點。但只要在接下來的幾天觀察它與太陽的距離在增大還是在減小就可以知道它是位于那一個點了。(注,由于金星和地球的公轉方向是相同的,因此在金星落後于太陽的時候,很顯然就能判斷它具體是在哪一邊)

確定位置以後,由于地球公轉的速度是365日一周,也就是每天在軌道上跑差不多一度的角度,而金星的公轉周期是224天,每天跑1.6度。那麼金星在地球看來,每天接近太陽的角度就可以計算出來了。

附︰利用三角函數公式可以在沒有紙筆做圖的情況下近似解出這個問題。35度的正切是0.7,正好是地球,金星和太陽成為一個直角三角形,而且太陽是直角頂點時候的情形(但這不是金星和太陽差別最大的角度)。所以33度意味著要麼它正在以較慢的速度離開太陽,要麼以很快的速度追上太陽。

45的余弦差不多正好是0.7,這個角度是金星成為直角三角形頂點,達到金星和太陽最大的距離(45度,3小時)。所以,10度處除以0.6,得到17天,那麼金星大概在今後17天左右離開太陽達到最遠點,然後以很快的速度追回來。另外一種情況恩,留給讀者自己思考(其實是作者不善心算就犯懶了)

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