科学外史II(9)
伽利略并不是望远镜的发明者,他甚至也不是第一个将望远镜指向天空的人——在他之前,至少荷兰和英国都已经有人这样做过。但是伽利略在1610年的《星际使者》(Sidereus Nuncius)一书中,报道了他用望远镜观测到的六大新天象,其中一项就是他发现木星有四颗卫星。这些新天象的发现,使他生前名满天下,身后名垂青史,这都是如今大家耳熟能详的故事(尽管现代考证表明,S. Mayer比他早10天就用望远镜看见了木卫)。
伽利略用望远镜发现木卫之事名垂青史,也无形中遮蔽了一个问题:不用望远镜,仅凭肉眼能不能看见木卫?
众人熟视无睹,学者披沙拣金
在正常思维中,既然我们已经用望远镜发现了木卫,上面的问题似乎就成为没有意义的无聊问题。那些“热爱”科学而又自命聪明的人,当然不会去关注“没有意义的无聊问题”,只有真正的学者才可能摒除成见,从众人不屑一顾的问题中做出有意义有趣味的学术成果。
战国末年到秦汉之际,也就是距今两千三百年左右,神州大地风云激荡,六国先后被灭,秦亦二世而亡,这样的动乱年代,星占学家非常活跃。当时有星占学家名甘德,又称甘公,文献中有鲁人、齐人、楚人等不同记载,唯一确切的行事记载见《史记·张耳陈余列传》:“甘公”根据星占预测,建议张耳不要投靠项羽,而应投靠刘邦。人名、属地都有不止一种记载,提示在这一时期,可能先后活跃过不止一个姓甘的星占学家——很可能都是甘氏星占家族的。
相传甘氏留下了《甘氏星经》,东汉许慎《说文解字》中提到过此书,但现已佚失,后人可以从唐代《开元占经》中看到不少《甘氏星经》的引用段落(《开元占经》引用的各种古代星占文献中还有《石氏星经》,是战国星占学家石申的著作,故后人有时又将两人的星经合称为《甘石星经》)。其中一段如下:
甘氏曰:单閼之岁,摄提格在卯,岁星在子,与虚、危晨出夕入,其状甚大有光,若有小赤星附于其侧,是谓同盟。
这种星占文献,前人早就知道,但因被视为“糟粕”而长期无人注意。不料在20世纪70年代末,中国天文学史泰斗、笔者已故恩师席泽宗院士(那时还是副教授)注意到了这条星占文献,他立刻联想到了另一件事。
席院士的联想非常出人意表——他联想到的是德国地理学家洪堡(A. Humboldt,1769～1859)记载的一件轶事:洪堡认识一位名叫Schon的裁缝,此人年轻时,在无月的晴朗夜晚能够准确指出木星四颗卫星的位置。
席院士当时就想:如果有人能够用肉眼看见木卫,那么“若有小赤星附于其侧”是不是意味着甘氏已经看见了木卫?
甘氏究竟看见了什么?
联想和猜想当然不是学术论证。要想搞清楚甘氏究竟在什么时间、看见了什么天象,是一件相当复杂的工作。
第一步是要搞清楚上面那段《甘氏星经》轶文的含义。幸运的是,这段充满术语黑话的星占文献,居然包含了足够的天文学信息。
仅凭这段术语黑话本身,要确定事件的准确年代,本来还是有困难的,但好在数十年来已有中外学者的研究成果可以利用:因为木星的恒星周期(它在恒星背景上环绕天球一周的时间长度)是11.86年,近似等于12年,古人就利用这一点设计了以12年为周期的“岁星纪年”系统,所以木星又被称为岁星。而上面这段轶文中使用的系统,是以公元前365年实测数据为起算点,再前后进行周期叠加推算而成的。
在获得“公元前365年”这个支点之后,再接着分析上面这段术语黑话,其中“单阏之岁”表明是在一个岁星纪年周期中的第二年,而岁星“与虚、危晨出夕入”,表明木星当时在恒星背景上的二十八宿中的虚宿和危宿区域,它和太阳在视方向有一个合适的张角(木星和太阳夹角小于15度就会被太阳光亮掩盖而无法观测到,当然更看不见木卫了)。
根据现代天文观测和天体力学的研究成果,我们的太阳系是一个大结构相当稳定、只有一些小天体(主要是彗星和流星)有时可能“乱窜”的系统。这使得我们能够回推或预推太阳系内几乎所有的周期天象,对于木星这样的大行星当然不成问题。席院士推算的结果认为:在很长的时间段里,只有公元前364年的木星天象,准确符合上面《甘氏星经》轶文中的描述;很可能是在这年的夏天,甘氏看见了木星的两颗卫星,根据“小赤星”的颜色描述,他看见的应该是木卫二和木卫四。
三重证据:甘氏看见了木卫
到此为止,论证仍未完成——上面只是论证了:在公元前364年木星的位置与《甘氏星经》轶文的记载吻合,这年夏天木星处在宜于观测的位置。但是“肉眼能不能看见木卫”这个问题,只有洪堡记载的一条裁缝轶事,这太不正式了,仍然不能视为科学证据。
为了解决这个问题,当时的中国学者群策群力,从三个途径,提供了三重证据,来证明“肉眼看见木卫”的可能性。
第一重证据是北京天文台(今中国国家天文台前身)提供的实验:在望远镜上加装光阑来模拟人眼的观测能力。所谓光阑,就是一种遮挡望远镜孔径的环形装置,因为望远镜孔径越大能够接收到的光量就越多,可以许多倍于人眼瞳孔所能接收的光量,给望远镜加装适当的光阑,就是让望远镜接收到的光量与人眼瞳孔接收的光量相似。实验结果表明:在模拟人眼瞳孔接收光量的望远镜中,可以看见木卫。
第二重证据是北京天文馆提供的实验:在天文馆的天象厅,用天象仪模拟了甘氏当年面对的星空,结果肉眼也能看见木卫。
第三重证据最有说服力,也是决定性的——用真人的肉眼进行观测。1981年3月9～11日,由中国科学院自然科学史研究所科研人员组织的10人观测队,在河北兴隆进行了肉眼观测木卫的实验。观测者被分为4组,各组在不同区域进行观测,10人中有一人使用望远镜(作用类似“对照组”),其余仅凭肉眼。实验结果是,有两个晚上,观测者都看见了3颗木卫——因为都属于伽利略《星际使者》中所报道的,所以被称为“伽利略卫星”。这有力证明了:肉眼确实可以看见木卫。洪堡所述故事看来亦非虚语。
最后这个证据之所以具有很强的说服力,可以从两方面去理解:首先,1981年的观测环境,肯定不如公元前364年的夏夜优越——那时地球上几乎没有任何工业污染,大气肯定更为纯净。其次,1981年在兴隆的观测者,是作为志愿者的青少年,他们的观测经验肯定比不上公元前364年的甘氏——那可是职业星占学家,观星是他们的专业。
1981年4月,《天体物理学报》第1卷第2期发表了席院士的论文《伽利略前2000年甘德对木卫的发现》,标志着中国天文学界对这一发现的认可。
而在一些国外的学者眼中,席院士的这个发现被赋予了更多意义。比如日本京都大学的天文学史权威薮内清教授撰文表示,这一发现和随后进行的观测实验,可以视为“实验天文学史”的开端。确实,沿着这个方向,前面还会有许多风景——不过都是可遇不可求的。