如何丈量天空

第十一节 如何丈量天空

测量天空中的距离使用的方法和工程师测量难以接近的物体类似，比如山峰。取两点A和B，A点和B点之间的连线作为基线来测量第三个点C。工程师在A点测量B点和C点之间的角度。在B点测量A点和C点之间的角度。因为三角形的三个内角和永远等于180°，所以从中减去角A和角B之和便得到角C。显然角C对着基线，如果一个人站在C点观测也会产生这种三角关系。这个角一般叫作视差，是从A点和B点观察C点所产生的方向差，如图40所示。

图40 用三角测量法测无法接近的物体的距离

显而易见，以给定的基线为基准，距离目标越远视差越小。距离远到相当的程度，视差就会小到无法测量出数据。此时直线BC和直线AC看起来方向相同。视差因为距离遥远而看不出来，此外基线的长度也会影响测算。

在所有天体中月亮离地球最近，从而视差也最大，因而其到地球的距离能够测量得最为精准。甚至生活在公元1、2世纪的托勒密都测量出了月球到地球的大致距离。但是行星的视差太小了，只能用最精密的仪器进行测量。

用于测量的基线的两个端点可以是地球表面的任何两点，如格林尼治和好望角的天文台。世界各地分布着数量众多的观测站，我们已经讲过的金星凌日发生时，根据这些观测站能够推测金星在开始和结束时的方向。这个测量距离的方法叫作三角测量（triangulation）。

关于三角测量的介绍只供读者了解相关的一般原理。显然地球上相距很远的两个观测者在同一时间得出的行星的方向不可能完全一致。视差在实际测量中对观测上的配合要求极为复杂，就不在这本书里讲了，但基本原理是一样的。(https://www.daowen.com)

要得出整个太阳系的大小，只要知道任一行星在任一时刻与地球之间的距离。人们将所有行星的轨道和运动都尽可能以最高的精度画成图，好似一个国家的地图，唯独没有以英里为单位的比例尺。只有清楚比例尺才能在地图上测量一地到另一地的距离。天文学家需要的正是这种太阳系的比例尺，然而即使用最精密的仪器仍不能测量得如他们所期望的那样准确。

问题的焦点在于比例尺的基本单位，也就是已经讲过的地球到太阳的平均距离。视差绝非测量距离的唯一方法。过去100年里，人们已经研究出了其他方法，其中一些完全和精确测量视差得到的结果一样准确，甚至可能更精确。

光速测量法

这些测量方法中最简单而又最引人关注的是利用光速进行测量。在地球轨道的不同点上分别观测木星卫星的食，发现光从地球到达太阳大约需要8分20秒，或者说500秒。另一种方法是利用恒星的光行差。光行差是指地球和恒星发出的光线同时运动使恒星的位置出现些许位移。对光行差进行精确观测得出光从地球到太阳的准确时间是498.6秒。如果已知光在1秒钟走过的距离，再乘以498.6就能够测量出地球到太阳的距离。目前可以说光速为每秒299 792.458千米，或者每秒186 282英里。这个结果乘以498.6便得出地球到太阳的距离为9 288万英里。

太阳引力测量法

第三种方法是测量太阳施加给月亮的引力。这个引力产生的一个影响是，在月亮每个月围绕地球公转的过程中，上弦时比平均位置落后2分钟多一点，满月时赶上并超过平均位置，于是下弦时又比平均位置提前2分钟，至新月时再次落后于平均位置。于是，月球围绕地球的运行有一点摇摆。摇摆的幅度与到太阳的距离成反比。因此测量出摇摆的幅度，就可以推算出距离了。至于其他天文测量方法，测量难度非常大。像这样的摇摆在测量中很难不出现误差；而且，测定太阳在一定距离上造成多大幅度的摇摆是天体动力学的难题之一，仍然没有得到令人满意的解决并得出明确的结论。

第四种方法也要借助引力。只要知道地球的质量和太阳质量之间的确切关系，也就是说，如果能够准确测量出太阳的重量是地球重量的多少倍，就能计算出地球必须距离太阳多远才能在一年之中围绕太阳公转一周。那么，唯一的困难是称量地球的重量与太阳的重量做比较。根据地球的引力所引起的金星轨道位置的变化便可最精确地得出这个重量。比较1761年、1769年、1874年和1882年发生金星凌日时金星轨道的位置，可以发现轨道处于持续运动之中，算出太阳的质量是地球和月亮质量之和的332 600倍。于是我们可以用另外一种方法计算地球到太阳的距离。

通过上面几种方法以及其他手段，我们得到了太阳的地心视差（geocentric parallax），即从地球的中心和赤道上的一点看见的太阳升降时其中心点的变化，为8.8秒多。这么小的偏差用眼睛是看不出来的，但是借助望远镜可以观测出来。从太阳的角度看，地球是一个小点，如果通过望远镜，地球则有圆盘那么大。

我们知道赤道处地球的半径，知道太阳的视差，可以很容易地计算出地球距离太阳的距离。这个距离略小于9290万英里。

用英里做单位，太阳和地球的距离实在太大了。事实上，的确不小。要是用光或无线电传播的速度来计量，才8分钟多一点，除了太阳，最近的恒星距离我们有4光年（light-year）远。从那么远的恒星上看，太阳也是个小小的星星，地球根本就看不到了，用望远镜也看不到。就算能看到，不通过最大的望远镜也不能把太阳和地球区分开。我们觉得日地距离那么大，从那个遥远的地方看却只有不到1弧秒的角度。

人们把地球到太阳的平均距离称为天文单位。它被拿来当作太阳系的比例尺，帮助测量其他行星的距离。另外，天文距离还是一根基线，用以测量太阳系外的恒星或其他天体的距离。基于这些原因，天文学家一直努力把天文单位测量得更加精确。