行星所操的是一种古老的神话方言。它们的名字让人联想起有历史记载但在出现科学之前所发生的一切——那时普罗米修斯因为盗取了天上的火种,而被锁链缚在高加索的绝壁上;那时的欧罗巴
还不是一个洲,而是天神宙斯爱恋的一位少女——他假扮成公牛诱骗了她。
在那个年代,赫耳墨斯(Hermes)——或者说墨丘利
(这是古罗马人给这位古希腊神使改的新名字)——在为众神跑腿时能像思想一样迅疾,因此他的名字在神话编年史中出现的频率比其他奥林匹亚神都要高:在秋收女神的独女被冥王劫走后,墨丘利被派去交涉营救事宜,并用一辆由黑马拉着的金马车将人质接回家中;在丘比特如愿以偿地让普赛克(Psyche)获得长生不老之身、可以与他婚配之后,引领新娘进入“众神之殿”的也是墨丘利。
在古人眼里,水星(Mercury)仅在白天和黑夜交界的微明时刻紧贴着地平线行进;如今用裸眼看到的景象依然如此。迅疾的水星要么在黎明时分充当太阳的先驱,要么在黄昏时分追逐太阳的背影。人们可以接连几个月看到其他行星——火星、木星和土星——彻夜高挂天际,放射光芒。可是水星不是由黑暗逃向光明,就是反过来由光明逃进黑暗,总是行色匆匆,不消一个小时就踪影全无。与此类似,扮演中间人角色的神使墨丘利(Mercury),也会穿越生者和死者的国度,接引亡灵下到阴间,去往他们最终的归宿地。
也许是因为这颗行星表现出了神话中那位神的某些特征,神的名字才被用于命名行星;也有可能是人们在观察到这颗行星的运行情况之后,才创造出了那位神的传说。不管实际情况是哪种,水星与神使墨丘利——还有赫耳墨斯,以及更早的巴比伦智慧之神纳布(Nabû)——之间的联系,早在公元前5世纪时就已经确立了。
一直以来,墨丘利被塑造成马拉松运动员那样精瘦并保持疾驰状态的形象,简直就是速递员的化身。他凉鞋上的翅膀催他前行,而帽上的双翅和带翼的魔杖则促他加速。虽然速度是他的看家本领,但墨丘利也赢得了其他方面的名声,比如巨人杀手(他杀死了百眼巨人阿耳戈斯)、音乐之神(他发明了七弦琴,而他儿子潘恩则制作出了牧羊人的芦笛)、商业之神和商人的保护神(为了纪念他,英文单词中的“商人”和“商业的”,就是与他名字同源的“Merchant”和“Mercantile”)、骗子和盗贼之神(因为他在出生当天就偷了他同父异母兄弟阿波罗的畜群)、雄辩之神(他曾把语言天赋送给潘多拉),并被广泛地当成机智、知识、幸运、道路、旅人和年轻男子的庇护神,还被特别地尊为牧民之神。在很长一段时间里,人们坚信:可以向他那蟒蛇缠绕的节杖祈求生育、康复和智慧。
水星及其旅伴因为会在恒星间移动而引起了人们的注意,因此被称为“planetai”——这个词在希腊语中是“漫游者”的意思。因为它们运动的有序性,又由这种语言中的“chaos”(混沌)导出了“cosmos”(宇宙)一词,并激发出了一整套描述行星位置的希腊词汇。正如诸神的名字至今仍与行星联系在一起,源自希腊语的天文学术语——“apogee”(远地点)、“perigee”(近地点)、“eccentricity”(偏心率)和“ephemeris”(星历表)等,在英语中也一直沿用至今。最初的观察者们在需要创造这类新词时,都选用了古代英雄的名字,从米利都的泰勒斯(Thales of Miletus,公元前624——前546年,古希腊的科学奠基人,曾预测了日食并对宇宙物质提出过怀疑),到柏拉图(公元前427——前347年,他曾设想:行星们镶嵌在由不可见的水晶构成的7个天球上
,这些天球一个套着一个,在恒星构成的第八天球内部,都以坚实的地球为中心旋转),概莫能外。后来,亚里士多德(公元前384——前322年)将天球的数目增加到54个,从而更好地解释了为什么观察到的行星轨道不是圆形的。到托勒密在公元2世纪对天文学进行系统化整理时,主天球又得到了进一步的扩充:一些名叫“本轮”(epicycles)和“均轮”(deferent)
的精巧小圆,被用于补偿行星运动中公认的复杂性。
托勒密在他的天文学巨著《天文学大成》 [1] 的篇首题词中这样写道:“我知道,我本凡夫俗子,朝生而暮死。但当我随心所欲地追踪众天体在轨道上的往复运动时,我感到自己的双脚不再踏在地球上,而是直接站在天神宙斯面前,尽情享用着诸神的珍馐。”
在托勒密的模型中,水星绕着静止的地球运行,其轨道就在月球天球之外。运动的动力则来源于天球网络外部的神力。但是,1000多年后,哥白尼在1543年对行星的座次进行了重新排定。他认为威力无边的太阳“像是坐在王位上一样”,实际“统治着行星家族”。哥白尼并没有具体说明太阳是通过什么力量进行统治的,但他根据运行速度,让行星依次排在围绕太阳的圆圈上;他将水星置于最靠近太阳“火炉”的地方,因为它运动得最快。
水星靠近太阳的事实,确实在方方面面都对这颗行星的现状产生了决定性的影响——不只是它在太空中的高速疾驰(在地球上很容易看出来的也就只有这一点),而且还有水星内部的冲突、高温、沉重,以及致使它个头如此之小(其直径仅为地球的1/3)的那段多灾多难的历史。
受到近旁太阳的牵引,水星以每秒30英里的平均速度在轨道上飞速绕行。水星以这种速度(几乎是地球运行速度的两倍)运行,只需88个地球日就可完成一圈公转。正是让水星快速公转的那种“强求一致”的普罗克拉斯提斯式引力,对这颗行星的自转运动起到了制动作用。因为这颗行星要以高出自转许多倍的速度奋勇向前,因此不管在什么地方看到日出后,都要再等上半个水星年(大致相当于地球上的6周),才能看到正午高悬的骄阳。当黄昏终于降临时,已是年底了。而漫漫长夜一旦开始,又要再过一个水星年才能迎来一次新的日出。于是,那儿年复一年匆匆而过,而每个日子却总是拖得老长。
极有可能的是,在太阳系还年轻时,水星绕着自己的轴转得更快。那时,它上面的每一天也许只有区区8小时,因此水星年过得虽快,却也能包含几百个日子。但是,太阳会在这颗行星熔化的内部引起潮汐,于是水星的自转速度被逐渐消磨掉,最终就衰减成了如今这种徐缓的步调。
天刚亮,水星就会进入白热化状态。在这颗行星上,缺乏降低辐射的大气,没法像《荷马史诗》中咏唱的那样,将晨光折射成“黎明女神那玫瑰色的手指”。近在身旁的太阳斜着身子突然闯入尚在黑暗中的夜空,庞大的光球赫然现身,直径几乎是我们地球上惯常见到的那枚太阳的3倍。由于缺乏空气的保护,太阳的热量既散不出去,又没法留住,水星上有些地区白天热得足以熔化金属,夜里又会降到零下几百度。虽然金星确实会因为罩着厚厚的大气层而在整体上达到更高的温度,冥王星则会因为距离太阳太遥远而总是处在更为寒冷的环境中,但是说到极端冷热共处一星的情形,整个太阳系中还没有哪颗行星赶得上水星。
昼夜悬殊弥补了水星上没有季节变化的缺憾。这颗行星上不会有真正的季节,因为它是直立着的,而不是像地球那样沿着地轴保持倾斜状态。光和热总是毒辣辣地倾泻在水星的赤道上,而其南北极则会因为得不到直射的阳光,而一直处在相对的严寒之中。实际上,水星两极地区的某些火山坑里可能还窖藏着冰,因为那些永远不见天日的阴暗角落可以封存彗星带过去的水。
水星通常会隐身在太阳的光芒之中,因此在地球上往往很难观测到它。只有当这颗行星在轨道上转到地球天空中太阳的很西边或很东边时,我们才能用肉眼看到它。处在这种大“距角”(elongation)期间,水星可能会连着几天或几个星期,在每个清晨和黄昏遨游于地平线之上。不过,还是不大容易看到它,因为这颗行星太小、距离太远,而那些时候的天空相对而言又比较明亮。即使水星移动到距离地球最近的地方,它和我们之间仍然隔着5000万英里的距离,比起月亮区区25万英里的平均距离,真可谓天遥地远了。更何况,当水星接近地球时,它被太阳照亮的部分已经只剩下薄薄的一钩,形同新月。就算是最勤勉的观察者也得靠好运气才能找到它。哥白尼在观察水星时,受到波兰北部糟糕天气和水星隐遁本性二者交相夹击,观察效果远逊于很早期的天文学家前辈。他在《天体运行论》(
De Revolutionibus
)中就这样发牢骚说:“古人的优势是天空更明朗一些;照他们的说法,那时的尼罗河可不会像我们如今的维斯杜拉河
这样雾气氤氲。”
哥白尼更进一步抱怨水星说:“这颗行星浑身是谜,我们在探察它的运行轨迹时历尽艰辛,被它折磨得够呛。”他根据自己设想的“日心宇宙”为行星们排定座次时,采用了其他天文学家(有古代的,也有当代的)所给出的观察结果。但是,那些人也不曾经常性地或高精确地观察到水星,没法帮助哥白尼如愿以偿地确定它的轨道。
丹麦的完美主义者第谷·布拉赫
出生于1546年,此时距离哥白尼逝世仅三年。后来,他在自己位于赫文岛(Island of Hven)的天文堡,利用自己设计的仪器,测定了每一颗行星在准确记录下来的时刻所处的位置。他由此积累了大量的水星观测数据——至少有85次。布拉赫的德国籍弟子约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler)继承了这些信息资料,并在1609年确定了所有行星的正确轨道——“甚至包括了水星本身的轨道”。
开普勒后来想到:尽管很难在地平线上看到水星,却可以利用一个被称作“凌日”(transit)的特殊时机在头顶上找到它,因为此时这颗行星必定会从太阳前面直接穿过。因此,若用一架望远镜将太阳的影像投射到一张纸上,就可以安全地进行观察了——可以接连几个小时追踪水星的黑色身影,看着它从太阳圆盘的一侧进入,再由另一侧穿出。1629年,开普勒预测,在1631年11月7日这天会发生一次“水星凌日”现象,但他在这个天文事件发生的前一年就去世了。巴黎天文学家皮埃尔·伽桑狄(Pierre Gassendi)根据开普勒的预测,做好了观察凌日现象的准备。这个事件好歹也算按预期进度发生了,他独自一人透过浮云断断续续地进行了观察。在此过程中,他不禁感慨万分,发表了一大通充满神话隐喻的议论。
伽桑狄用神使墨丘利的出生地阿卡迪亚的基勒纳山(Arcadian mountain Cyllene)来称呼水星,于是就这样写道:“那个狡猾的基勒纳人,先是招来浓雾罩住地球,又故意出人意料地提早现身,还缩得小小的,一心就不想被人看到或认出,好偷偷地溜过去。他在婴儿时期就会玩这类把戏[这里指的是墨丘利早年盗窃阿波罗畜群的行径],我们对此早有防备,而阿波罗也肯助我们一臂之力,并特意做了安排,因此虽然没人注意到他是什么时候到来的,但他在要走的时候就没法神不知鬼不觉了。我获得了恩准,甚至是在他鼓翼飞逃时,也可以稍稍拖住他那双带翅的凉鞋。许多赫耳墨斯观察者都没有我这么幸运,只落得徒劳地寻找凌日现象,而我却在没人见过他的地方找到了他;实际上,他‘就在太阳神的宝座上,与璀璨的绿宝石一道闪耀’。”
伽桑狄对水星的提早出现——实际出现在早上9点左右,而发布的预测时间为中午——感到惊讶,但这并没有损害开普勒的声誉,因为他很谨慎,唯恐自己的计算出错,早就提醒过天文学家们要在出现凌日的前一天(11月6日)开始观察;同样,如果在7日什么也没发生,那么8日这一天还要继续观察。但是,伽桑狄对水星小尺寸的评论却让人大吃一惊。他在正式报告中强调,看到水星如此之小,他感到很惊讶。他解释说,他刚开始时把这个黑点错误地当成了太阳黑子,但马上意识到它移动得这么快,只可能是那个带翼信使本尊。伽桑狄原以为水星的直径能达到太阳直径的1/15,就像托勒密在1500年前估计的那样。实际上,这次凌日现象显示:水星的尺寸远小于这个估计尺寸,还不到太阳表观宽度(apparent width)的1/100。在地平线上时,水星通常会显得模糊,光点也会放大;但在望远镜的帮助下,再结合伽桑狄所观察到的水星映在太阳背景上的侧面剪影,就揭开了水星的伪装,恢复了它的本来面目。
在接下来的几十年里,安在改良望远镜上的精确测量设备,帮助天文学家将水星的直径大小逐渐削减下来,最后很逼近它当前的公认值——3050英里,还不到太阳实际直径的1/300。
到17世纪末,太阳和行星之间存在神秘的磁力吸引的学说,已被万有引力学说所取代。“引力”这个概念是艾萨克·牛顿爵士于1687年在他的《自然哲学的数学原理》( Principia Mathematica )一书中引入的。牛顿的微积分和万有引力定律似乎为天文学家掌控诸天法则提供了手段。现在可以精确地计算出任一天体在任一天的任一时辰所处的位置了,如果观察到的天体运动跟预测的运动不同,那么天空可能就得给出一颗新行星,来解释这一差异源自何处。在1845年,人们就是这样用纸和笔“发现”了海王星,比最早用望远镜观察到这个遥远天体的人整整早了一年。
成功地预测到太阳系外围存在海王星的那位天文学家,后来将注意力向内转移到了水星身上。在1859年9月,巴黎天文台的勒维耶(Urbain Jean Joseph Leverrier)有点警觉地宣布:水星轨道的近日点在每转一圈时都会发生些微的位移,而不是像牛顿力学要求的那样重现在同一个点上。勒维耶怀疑,这可能是因为受到了水星和太阳间的另一颗行星或一大群小天体的牵引。勒维耶重返神话故事中,为他看不见的那个世界寻找合适的名字,最后选用了罗马神话中火与锻造之神的名字伏尔甘(Vulcan)。
尽管天神伏尔甘天生跛足,走起路来总是一瘸一拐,但勒维耶坚持认为他的伏尔甘以4倍于水星的速度在轨道上快步行进,每年至少凌日两次。但是,对预测中的这些凌日现象进行观测的所有努力均宣告失败了。
接下来,在1860年7月的日全食期间,天文学家们在暗下来的白日天空中,在太阳附近搜寻伏尔甘的踪影,后来在1869年8月的日食期间又搜了一遍。经过十年徒劳无功的搜寻,天文学家们对此越来越怀疑,最后美国天文学家克利斯汀·彼德斯(Christian Peters)嘲弄道:“我不会再费心去寻觅勒维耶的神秘鸟了。”
法国天文观察者卡米伊·弗拉马里翁
调侃道:“墨丘利是窃贼之神,他的同伴也像匿名刺客一般,偷偷摸摸地溜走了。”然而对伏尔甘的搜寻持续到了20世纪,到1915年还有一些天文学家仍在琢磨这个伏尔甘的位置。这一年,阿尔伯特·爱因斯坦告诉普鲁士科学院,牛顿力学在引力发挥最大作用的地方不再适用。爱因斯坦解释道,在紧挨着太阳的地方,宇宙本身会因为受到一个强烈的引力场作用而扭曲,因此每当水星冒险经过那里时,它的速度增长就会超出牛顿定律允许的范围。
爱因斯坦在给一位同事的信中说:“你能想象我在证明了水星的近日点运动方程正确无误之后有多开心吗?我兴奋得好几天说不出话来。”
在爱因斯坦做出这个声明之后,伏尔甘就像伊卡洛斯
一样从天上摔落,而水星也因为在加深人类对宇宙的认识时所扮演的角色而获得了新的名声。
水星仍然使那些想一睹其真容的观察者感到沮丧。一位德国天文学家猜测,水星表面严严实实地裹着一层浓密的云。在意大利,米兰的天文学家乔凡尼·斯基亚帕雷利(Giovanni Schiaparelli)决定不顾炫目的太阳光,在白天追踪头顶上的这颗行星,以期更清楚地看到它的表面。斯基亚帕雷利在中午时将望远镜垂直指向天空,而不是像在黎明或黄昏时那样水平放置,从而避开了地平线上的湍气流,并且每次都可以接连几个小时将水星成功地保持在视野范围里。从1881年开始他就不沾咖啡和威士忌,以免视线模糊;为了达到同样的目的,他还戒了烟。他在每种距角条件下,观察了这颗行星升上天空后的情景。但由于在白日天空中水星显得过于苍白,他为看清水星表面特征所作的种种努力全部落空了。这项艰巨的工作开展了8年之后,斯基亚帕雷利唯一能报告的成果就是:“上面有一些极为浅淡的条纹,只有通过巨大的努力并高度集中注意力,才能将它们分辨出来。”他在1889年刊布的一张粗略的水星地图上勾勒出了这些条纹,其中有一条看起来像数字“5”。
接着在1934年,一幅更详细的水星地图出版了,那是欧仁·安东尼亚迪(Eugène Antoniadi)在巴黎市郊的默东天文台(Meudon Observatory)研究十年的心血结晶。安东尼亚迪本人坦承,他观察到的东西比斯基亚帕雷利也多不了多少,但他是一名优秀的绘图员,并拥有一架更大的望远镜,他使用了更好的明暗法来处理那些淡色印记,并且用与墨丘利有密切联系的名词给它们命了名:基勒纳(Cyllene,墨丘利诞生的山陵)、阿波罗尼亚(Apollonia,他的同父异母哥哥阿波罗)、卡杜西塔(Caduceata,他的魔杖),以及三倍伟大的赫耳墨斯荒野(Solitudo Hermae Trismegisti或Wilderness of Thrice-Great Hermes)。尽管他提议的这些名称已不再出现在现代水星地图上,但是人们根据宇宙飞船拍到的照片,发现水星上有两大著名的山脉,它们现在已被命名为“斯基亚帕雷利”山脉和“安东尼亚迪”山脉。
因为在长时间的观察过程中分辨出的星表地貌特征持续不变,斯基亚帕雷利和安东尼亚迪两个人都推测:展现在他们眼前的只是水星的一面。他们认为太阳已锁定了这颗小个行星的运行模式:它的一个半球泛滥着热与光,而另一个半球则沉浸在永恒的黑暗中。直到20世纪60年代中期,不少跟他们同年代的人以及他们大部分的追随者都相信,水星的一面是恒昼,另一面是永夜。但是太阳以一种不同的方式制约着水星的自转和公转:这颗行星每58.6天绕自己的轴转一圈——该速率与它的轨道周期在节奏上合拍,即水星每绕太阳公转两圈,就完成3次自转。
水星所具有的这种3∶2模式,对地球上的观察者产生的影响是,它会连着六七次将同一面重复地展现给他们。斯基亚帕雷利和安东尼亚迪在研究中看到的,确实只是水星的一张不变的面孔;不过他们在水星自转问题上得出了错误的结论,这也是情有可原的——水星的运行诡异难测,难怪他们会陷入错误的泥潭。
整个20世纪,甚至在进入21世纪之后,水星依然是一个很难开展研究的对象。就连在地球大气层上方作轨道运行的哈勃太空望远镜,也避免对水星进行观测,以免它精细的光学部件在对准离太阳那么近的地方时会有被损坏的危险。到目前为止,也只有一艘宇宙飞船曾勇敢地直面过水星近旁那高温高热且具强辐射的恶劣环境。
“水手10号”宇宙飞船(Mariner 10)是地球派往水星的使者,它在1974年两度飞越水星,在1975年又飞越了一次。它传回了数千张水星地貌照片和丰富的测量资料。从拍摄到的地貌图,可以看到那里布满了陨石坑,从碗口大小的到巨盆大小的都有。颜色有深有浅的岩石碎片表明,有些地方新近发生的撞击掩盖了旧日撞击所留下的碎石。这些撞击伤疤间曾流淌过熔岩,一些洼地上留下的凝固熔岩如今已被磨光。但整体看来,被撞得遍体鳞伤的可怜水星还清楚地保存了一个时代的记录:在大约40亿年前就已结束的那个时期,太阳系创始期留下的残片曾严重地威胁到刚形成不久的行星。
水星所遭到的最猛烈的一次撞击撕开了一道800英里宽的伤口,它现在被称作卡洛里盆地(Caloris Basin,又称“热的盆地”)。卡洛里盆地边缘耸立着一些千米高峰,它们肯定是在剧烈撞击的大爆炸轰出这个盆地时拔地而起的。在这些高峰四周,蜿蜒数百英里的山脉和起伏不平的地面都留下了更多的动乱迹象。卡洛里盆地的撞击所造成的冲击波,也直接穿透了水星高密度的金属内核,引发了多场地震,致使水星另一面的外壳隆起,并被震成碎片。
“水手10号”宇宙飞船抓拍的这组照片,捕捉到的水星表面还不足一半,但展示出了一张由许多陡坡和断层线组成的网络
。这说明整颗行星在开始时一定比较庞大,后来才缩到现在这么小。当水星内部收缩后,整个外壳重新进行了调整,以适应这个突然变小的世界——就像神使墨丘利在伪装自己时所玩的一种偷偷摸摸的把戏。
在探索水星的工作中断了30年之后,一艘名叫“信使”号的飞船(MESSENGER,其实是“MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging”的英文缩写,表示“水星表面太空环境地球化学与测距”的意思)正在飞往水星的途中。这艘探测飞船发射于2004年8月,但因为它不能像自己的名字所喻示的那样迅速而直接地奔向目标,要等到2008年1月才能飞到水星附近。这颗行星一旦进入视野,“信使”号就会启动绘制详细水星表面图的工作,这要求它在接下来的三年里进行三次低空飞越水星的任务;同时这艘飞船也会在陶瓷布织成的遮阳板的保护下,绕太阳运行。然后在2011年3月,“信使”号会调整路线,转而绕水星运行,展开为期一年(按地球时间计算)的冒险历程,在两个漫长的水星日里对这颗行星进行监测。“信使”号飞船周而复始地绕水星快速运行,每12个小时就转一圈,因此它将肩负起新神使的职责,将信息源源不断地传给地球上那些热切追求真理的人们,以解除他们内心的疑惑。
希腊神话中的强盗普罗克拉斯提斯(Procrustes)为了使旅客的身高和他的铁床长度相匹配,会砍断高个子的下肢,并用架子把矮个子拉长。普罗克拉斯提斯也因此而臭名昭著——现在他的名字已成了粗暴或者武断地强求一致的代名词。
水星以椭圆轨道绕日运行。它在距太阳2900万英里的近日点处达到35英里/秒的最大速度;当它绕到轨道的另一端,即距太阳4300万英里的远地点时,它的速度又会降至24英里/秒。
在古希腊史诗《伊利亚特》中,荷马多次用“年轻的黎明,垂着玫瑰红的手指”
来形容红彤彤的朝霞,这种说法首次出现在该书第1卷第477行中。
每个世纪大约会发生13次水星凌日现象。尽管水星每年会在地球和太阳之间穿行4次左右,但在我们眼里,它通常会从高于或低于太阳的地方经过,因此不会出现凌日现象。
水星自转的周期正好是它公转周期的2/3,于是这两个周期以3∶2的比例发生了“耦合”,也就是说两次公转的时间刚好能完成三次自转[使用位于波多黎各的阿雷赛博天文台(Arecibo Observatory)的反射雷达,测量由水星表面反弹回来的信号,可以得出其实际的自转速率]。太阳系中大多数受引潮力约束的其他天体都表现出2∶1的自转—公转共振节拍。最突出的例外要算月球了,它每自转一圈就绕地球公转一圈,所以其共振节拍为1∶1。