3.2　金星凌日如何测出地球与太阳间的距离？

我先来介绍一下什么是金星凌日。为了便于理解，我还是用月球来进行类比。众所周知，月球有时会跑到地球和太阳的中间，挡住太阳光射向地球的路线，这就是所谓的日食。同样的道理，金星有时也可以跑到地球和太阳的中间。这时在地球上观测，就可以看到一个小黑点在太阳表面缓慢地穿行。一般来说，这个小黑点要花几个小时才能通过太阳的表面。这个现象就是所谓的“金星凌日”（图3.8）。

世界上第一个观测到金星凌日的人是英国天文学家杰雷米亚·霍罗克斯（图3.9）。他的人生充满了神秘色彩。

1618年，霍罗克斯出生在英国利物浦附近的托克斯特思公园镇的一个钟表商之家。他天资聪颖，14岁就考上了剑桥大学。但三年后，由于某种未知的原因（有人说是经济困难，也有人说是考试挂科），他从剑桥大学退了学。

退学后的霍罗克斯搬到了利物浦附近的一个叫霍奥莱的小村庄，成为当地一个教堂的牧师。业余时间，他全都用来研究天文学。1639年，在仔细研究了开普勒的《鲁道夫星表》以后，霍罗克斯发现当年12月4日的下午15：00左右，会发生一次金星凌日。他赶快把这个发现告诉了自己的一个住在曼彻斯特名叫克拉布特里的朋友。

1639年12月4日，霍罗克斯和克拉布特里就分别在利物浦和曼彻斯特观测太阳。不过，那天的天气很不好，两地都是阴天的状态。幸运的是，下午15：15，太阳从利物浦的云层里露出了头，霍罗克斯惊喜地看到了一个小黑点从太阳表面穿行而过。而到了下午15：35，曼彻斯特的云层也消散了，克拉布特里也看到了自己期待已久的天体。这是人类历史上第一次观测到金星凌日。

预言并发现了金星凌日，让霍罗克斯在天文学界声名鹊起。按理说，他的前途本应一片光明。但1641年1月3日，霍罗克斯突然去世了。没有人知道他的死因，也没有人知道他被葬在了哪里。年仅22岁的霍罗克斯，就这样走完了自己充满神秘色彩的一生。

又过了75年，有个人发表了一篇论文，让金星凌日一跃成为整个天文学界都关注的焦点。此人就是英国著名天文学家埃德蒙多·哈雷（图3.10）。

我们前面已经提到过哈雷。正是他，一手促成了有史以来最伟大的学术著作，也就是《自然哲学的数学原理》的出版。事实上，哈雷本身也是一个百科全书式的科学巨人。19岁那年，本科还没毕业的哈雷就成为首任英国皇家天文学家约翰·弗兰斯蒂德的助手，并在南大西洋的一个小岛上建立了南半球的第一个天文台。22岁那年，他绘制出了标有341颗恒星精确位置的世界上的第一张南天星表，并因此而当选为英国皇家学院的院士。26岁的时候，他算出了著名的哈雷彗星的轨道，并预言它每隔76年就会回归一次。除了天文学以外，哈雷也在其他的科学领域做出了很多开创性的贡献。比如说，他制作了世界上第一张气象图，发明了世界上第一个潜水钟，还写了世界上第一篇关于人寿保险的论文。

1716年，哈雷发表了一篇里程碑式的论文。在这篇论文中，他指出如果能精确地观测金星凌日，就可以测出地球与太阳之间的距离，即所谓的日地距离。

图3.11就是用金星凌日来测量日地距离的原理图。

哈雷指出，可以在地球上的两个经度相同而纬度相差较大的地点同时观测金星凌日。从图中很容易看到，在两地看到的金星凌日的轨迹不同，从而导致在两地测出的金星凌日的持续时间出现一定的差异。通过比较两者之间的时间差，能算出金星与这两个观测地点所构成的等腰三角形的顶角。初中的几何知识告诉我们，一段圆弧的长度等于圆的半径乘以这段圆弧所对应的角度。因此，用两地之间的距离除以这个顶角，就能得到地球与金星之间的距离。知道了地球与金星间的距离，再利用开普勒第三定律（即行星运动周期的平方与其椭圆轨道长半轴的立方成正比），就可以算出日地距离了。

可能你会觉得奇怪了：“不就是测个日地距离吗？怎么会成为整个天文学界关注的焦点？”答案是，日地距离是宇宙学测距的基石。一旦知道了日地距离，就可以利用三角视差的方法来测量遥远天体的距离了。

为了解释什么是三角视差，我们不妨来做一个小实验。伸出一只手指，放在靠近鼻子的地方，然后轮流闭上左眼或右眼，每次都只用一只眼睛来看它。你会发现手指相对于背景的位置发生了明显的偏移。这是由于你前后两次观察它的位置发生了改变。这个由于观察者自身位置改变而导致被观察物体位置发生偏移的现象，就是视差。现在把手指放在比较远的地方，重复这个实验，你会发现手指的位置偏移变小了。这说明被观察物体的视差越小，它离我们的距离就越远。

顺便多说一句。电影院里放的3D电影之所以能呈现出立体感，就是利用了视差的原理。

有了视差的概念，我们就可以讲讲如何用三角视差法来测量遥远天体的距离了。图3.12就是三角视差法的原理图。

众所周知，地球每年会绕太阳转一圈。如果地球在某个时刻运动到图中的A点，那么半年之后它就会到达离A点最远的B点。现在把A点和B点当成一个人的左眼和右眼，然后分别在这两个地方观察一颗远处的星星。很明显，这颗星星在遥远天幕上的位置会发生改变。利用这个位置的改变，能算出此星星与AB两点所构成的等腰三角形的顶角，也就是所谓的周年视差角。这样一来，只要知道了日地距离，就能知道AB两点的间距；而用AB两点的间距除以星星的周年视差角，就可以算出我们到这颗星星的距离。

事实上，一直到20世纪之前，三角视差法都是人类所知的测量太阳系外天体距离的唯一方法。即使是到了今天，它也是其他宇宙学距离测量方法的基石。因此，哈雷的论文一经发表，立刻成为整个天文学界关注的焦点。

但问题在于，金星凌日是一种极端罕见的天文现象。它总是结对出现，两次金星凌日之间相距8年；然后就得再等上一百多年，才能看到下一对的金星凌日。所以，哈雷没能亲眼看到金星凌日，一直到他死后的20年，也就是1761年，天文学家才终于等到了用金星凌日来测量日地距离的机会。

这或许是人类历史上第一次大规模的国际科研合作。欧洲各国的科学家奔赴全球100多个观测点，来观测金星凌日。受限于当时的摄像技术，没有人能把日地距离测得特别准确。其中最倒霉的人，非法国天文学家纪尧姆·勒让蒂尔莫属。

提前一年的时间，勒让蒂尔坐船从法国出发，想要前往印度观测这次的金星凌日现象。万万没想到，快到印度的时候，印度的宗主国英国居然和法国打起仗来。英国人把勒让蒂尔当成是间谍，直接关进了监狱。1761年的金星凌日观测就这么泡汤了。

勒让蒂尔没有气馁。被释放后，他还是继续前往印度，然后花了8年的时间在当地建了一个天文台。第二次金星凌日发生在1769年6月4日。当天早上醒来的时候，勒让蒂尔很开心地看到了一个艳阳天。但就在金星凌日即将发生之时，突然冒出了一朵乌云，把太阳遮得严严实实。勒让蒂尔8年的心血再次付诸东流。

勒让蒂尔的厄运依然没有结束。在坐上回国的轮船之前，他突然生了一场大病，有一年的时间都卧床不起。好不容易病好上了船，又在返程的途中遇到了一场台风，差一点就葬身鱼腹。过了整整11年，勒让蒂尔才回到法国，然后又遭遇了一个新的打击：他的亲戚早已宣布了他的死亡，并且瓜分了他所有的财产。

前面说过，由于摄像技术的局限，18世纪的这两次对金星凌日的观测，都没能测出真实的日地距离。直到一百多年后，才有人测出了日地距离的准确值，此人就是美国天文学家西蒙·纽康（图3.13）。

很多人知道西蒙·纽康，都是由于他写的那本畅销科普书《通俗天文学》。事实上，他也是著名物理学家阿尔伯特·迈克尔逊的伯乐，后者是历史上第一位获得诺贝尔物理学奖的美国人。有趣的是，纽康也摆过一个很大的乌龙：他写过一篇论文，宣称人类永远不可能造出能承载一个人质量的飞行器。当然，后来莱特兄弟造出了飞机，狠狠地打了他的脸。

1882年，西蒙·纽康做了一件相当大手笔的事情。他组织了八支探险队，来观测当年的金星凌日。正是通过这次观测，他准确地测出了日地距离：1.4959亿千米。这个100多年前测出的数值，与今天的测量结果几乎没有差异。

我们来做个总结。1639年，霍罗克斯最早观测到了金星凌日。所谓的金星凌日，就是金星跑到地球和太阳的中间，让地球上的观测者看到一个小黑点在太阳表面穿行的现象。1716年，哈雷发表了一篇里程碑式的论文，指出如果在地球上的两个经度相同而纬度相差较大的地点同时观测金星凌日，就可以测出日地距离。1882年，西蒙·纽康组织了八支探险队来观测当年的金星凌日，并测出了日地距离约为1.5亿千米。这个发现奠定了宇宙学距离测量的基石。

我已经介绍了两个与金星有关，并在科学史留下浓墨重彩一笔的天文现象：金星盈亏和金星凌日。不过这两个天文现象都是在地球上观测到的。接下来，让我带你去游览一下金星本身。 VHzobvxbu/e42lLNfbPAtAPCnI0HHbe5/WvFRer0iKetDfCIKM2Tozwimsxffebm