万物简史-第6章

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经到达法国。在那里，天文学家让·皮卡尔发明了一种极其复杂的三角测绘法，用上了扇形板、摆钟、天顶象限仪和天文望远镜（用来观察土星卫星的运动）。他花了两年时间穿越法国，用三角测绘法进行测量；之后，他宣布了一个更加精确的测量结果：1度经线为公里。法国人为此感到非常自豪，但这个结果是建立在地球是个圆球这个假设上的……而现在牛顿说地球不是这种形状的。　　更为复杂的是，皮卡尔死后，乔瓦尼和雅克·卡西尼父子在更大的区域内重复了皮卡尔的实验。他们得出的结果显示，地球鼓起的地方不是在赤道，而是在两极……换句话说，牛顿完全错了。正因为如此，科学院才派遣布格和孔达米纳去南美洲重新测量。　　他们选择了安第斯山脉，因为他们需要测量靠近赤道的地方，以确定那里的圆度是否真有差异，还因为他们认为山区的视野比较开阔。实际上，秘鲁的大山经常云雾笼罩，这个小组常常不得不等上几个星期，才等得上一个小时的晴天来进行测量。不仅如此，他们选了个地球上几乎最难对付的地形。秘鲁人称这种地形是〃非常少见〃的……这话绝对没错儿。两个法国人不仅不得不翻越几座世界上最具挑战性的大山……连他们的骡子也过不去的大山……而且，若要抵达那些大山，他们不得不涉过几条湍急的河流，钻过密密的丛林，穿越几公里高高的卵石沙漠，这些地方在地图上几乎没有标记，远离供给来源。但是，布格和孔达米纳是坚忍不拔的人。他们不屈不挠，不怕风吹日晒，坚持执行任务，度过了漫长的九年半时间。在这个项目快要完成的时候，他们突然得到消息，说另一个法国考察队在斯堪的纳维亚半岛北部进行测量（面对自己的艰难困苦，从寸步难行的沼泽地，到危机四伏的浮冰），发现1度经线在两极附近果真要长，正如牛顿断言的那样。地球在赤道地区的测量结果，要比环绕两极从上到下测量的结果厚出43公里。
第四章　事物的测定（4）

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因此，布格和孔达米纳花了将近10年时间，得出了一个他们不希望得出的结果，而且发现这个结果还不是他们第一个得出的。他们没精打采地结束了测量工作，只是证明第一个法国小组是正确的。然后，他们依然默不作声地回到海边，分别乘船踏上了归途。　　牛顿在《原理》中作的另一个推测是：一根挂在大山附近的铅锤线，会受到大山和地球引力质量的影响，稍稍向着大山倾斜。这个推测很有意思。要是你精确测量那个偏差，计算大山的质量，你可以算出万有引力的常数……即引力的基本值，叫做G……同时还可以算出地球的质量。　　布格和孔达米纳在秘鲁的钦博拉索山做过这种试验，但是没有成功，一方面是因为技术难度很大，一方面是因为他们内部吵得不可开交。因此，这件事被暂时搁置下来，30年后才在英国由皇家天文学家内维尔·马斯基林重新启动。达娃·索贝尔在她的畅销书《经线》中，把马斯基林说成是个傻瓜和坏蛋，不会欣赏钟匠约翰·哈里森的卓越才华，这话也许没错儿。但是，我们要在她书里没有提到的其他方面感激马斯基林，尤其要感激他制定了称地球质量的成功方案。　　马斯基林意识到，问题的关键在于找到一座形状规则的山，能够估测它的质量。在他的敦促之下，英国皇家学会同意聘请一位可靠的人去考察英伦三岛，看看能否找到这样的一座山。马斯基林恰好认识这样的一个人……天文学家和测量学家查尔斯·梅森。马斯基林和梅森11年前已经成为朋友，他们曾一块儿承担一个测量一起重大天文事件的项目：金星凌日现象。不知疲倦的埃德蒙·哈雷几年前已经建议，要是在地球上选定几个位置测量一次这种现象，你就可用三角测绘法的定律来计算地球到太阳的距离，并由此计算出到太阳系所有其他天体的距离。　　不幸的是，所谓的金星凌日是一件不规则的事。这一现象结对而来，相隔8年，然后一个世纪甚至更长时间都不发生一次。在哈雷的生命期里不会发生这种现象。1但是，这个想法一直存在。1761年，在哈雷去世将近20年以后，当下一次凌日准时来到的时候，科学界已经作好准备工作……准备得比观测以往任何一次天文现象都要充分。　　凭着吃苦的本能……这是那个时代的特点……科学家们奔赴全球100多个地点……其中有俄罗斯西伯利亚、中国、南非、印度尼西亚以及美国威斯康星州的丛林。法国派出了32名观测人员，英国18名，还有来自瑞典、俄罗斯、意大利、德国、冰岛等国的观测人员。　　这是历史上第一次国际合作的科学活动，但它几乎到处困难重重。许多观测人员遇上了战争、疾病或海难。有的抵达了目的地，但打开箱子一看，只见仪器已经破碎或被热带的灼人的阳光烤弯。法国人似乎命中注定要再一次遭遇倒霉的厄运。让·沙佩乘马车呀，乘船呀，乘雪橇呀，花了几个月才到达西伯利亚，每一颠簸都得小心护着容易损坏的仪器。最后只剩下关键的一段行程，却被一条涨水的河流挡住了去路。原来，就在他到达前不久，当地下了一场罕见的春雨。当地人马上归罪于他，因为他们看到他把古怪的仪器对准天空。沙佩设法逃得性命，但没有进行任何有意义的测量工作。　　更倒霉的是纪晓姆·让蒂，他的经历蒂姆西·费里斯在《在银河系里成长》一书里作了精彩而简要的描述。让蒂提前一年从法国出发，打算在印度观测这次凌日现象，但遇到了种种挫折，发生凌日的那一天还在海上……这几乎是最糟糕的地方，因为测量需要保持平稳状态，而这在颠簸的船上根本无法做到。　　让蒂并不气馁，继续前往印度，等待1769年的下一次凌日现象。他有8年的准备时间，因此建立了一个一流的观察站，他一次又一次测试他的仪器，把准备工作做得完美无缺。1769年6月4日是发生第二次凌日现象的日子。早晨醒来，他看到是个艳阳天；但是，正当金星从太阳表面通过的时候，一朵乌云挡住了太阳，在那里停留了3小时14分7秒的时间，等到云开雾散，金星凌日的过程已经结束了。　　让蒂大失所望地收拾仪器，前往最近的港口，途中患了痢疾，有将近一年时间卧床不起。他不顾身体依然虚弱，最后登上了一条船。这条船在非洲近海的一次飓风中几乎失事。出门十一年半以后，他终于回到家里。他一无所获，却发现他的亲戚已经宣布他死亡，争先恐后地夺走了他的财产。　　比较而言，英国派到各地的18名观测人员所经历的失望就不算一回事。梅森与一位名叫杰里迈亚·狄克逊的年轻测量员搭档，相处得显然不错，两人还结成了持久的伙伴关系。他们奉命去印度后西迁苏门答腊，在那里绘制凌日图。但他们的船出海的第二天晚上就受到了一条法国护卫舰的攻击。（尽管科学家们处于一种国际合作的心态之中，但国家并非如此。　　）梅森和狄克逊给皇家学会发了一封短信，说看来公海上非常危险，不知道整个计划是不是应该取消。他们很快收到一封令人寒心的回信，信中先是对他们一顿臭骂，然后又说他们已经拿了钱，国家和科学界都对他们寄予希望，他们不把计划进行下去就会令国人颜面扫地。　　他们改变了想法，继续往前驶去，但途中传来消息说，苏门答腊已经落入法国人之手。因此，他们最终是在好望角观测这次凌日现象的，效果很不好。回国途中，他们来到大西洋一个孤零零的小岛……圣赫勒拿岛上，作了短暂停留，在那里遇上了马斯基林。由于乌云覆盖，马斯基林的观测工作无法进行。梅森和马斯基林建立起了牢固的友谊，一起绘制潮流图，度过了几周快活的，甚至是比较有意义的日子。
第四章　事物的测定（5）
此后不久，马斯基林回到英国，成为皇家天文学家，而梅森和狄克逊……这时候显然更加成熟……启程前往美洲，度过漫长而时常是险象环生的4年。他们穿越393公里危险的荒原，一路上搞测量工作，以解决威廉·佩恩和巴尔的摩勋爵两人地产之间的以及他们各自殖民地……宾夕法尼亚和马里兰……之间的边界纠纷。结果就是那条著名的梅森…狄克逊线。后来，这条线象征性地被看做是美国奴隶州和自由州之间的分界线。（这条线是他们的主要任务，但他们还进行了几次天文观测。其中有一次，他们对1度经线的长度作了当时那个世纪最精确的测量。由于这项成就，他们在英国赢得了比解决两位被宠坏了的贵族之间的边界纠纷高得多的赞扬。）　　回到欧洲以后，马斯基林与他的德国和法国同行不得不下结论，1761年的凌日观测工作基本失败。具有讽刺意味的是，问题之一在于观测的次数太多。把观测结果放在一起，往往证明互相矛盾，无法统一。成功绘制金星凌日图的却是一位不知名的约克郡出生的船长，名叫詹姆斯·库克。他在塔希提岛一个阳光普照的山顶上观看了1769年的凌日现象，接着又绘制了澳大利亚的地图，宣布它为英国皇家殖民地。他一回到国内，就听说法国天文学家约瑟夫·拉朗德已经计算出，地球到太阳的平均距离略略超过亿公里。（19世纪又发生两次凌日现象，天文学由此得出的距离是亿公里，这个数字一直保持到现在。我们现在知道，确切的距离应该是78　706　91亿公里。）地球在太空中终于有了个方位。　　　　梅森和狄克逊回到英国，成了科学上的英雄；但是，不知什么原因，他们的伙伴关系却无可挽回地破裂了。考虑到他们经常出现在18世纪的重大科学活动中，对这两个人的情况知道得如此之少，这是很引人注目的。没有照片，极少文字资料。关于狄克逊，《英国人名词典》巧妙地提到，他〃据说生在煤矿里〃，然后让读者去发挥自己的想像力，提供合理的解释。《词典》接着说，他1777年死于达勒姆。除了他的名字和他与梅森的长期伙伴关系以外，别的一无所知。　　关于梅森的情况，资料稍多一点。我们知道，1772年，他应马斯基林的请求，奉命寻找一座山，供测量引力偏差之用；最后，他发回报告，他们需要的山位于苏格兰高地中部，就在泰湖那里，名叫斯希哈林山。然而，他怎么也不肯花一个夏天来对它进行测量。他再也没有回到现场。人们知道，他的下一个活动是在1786年。他突然神秘地带着他的妻子和8个孩子出现在费城，显然穷困潦倒，令人惨不忍睹。他18年前完成测量工作以后没有回过美洲，这次回来没有明显的理由，也没有朋友或资助人迎接他。几个星期以后，他死了。　　由于梅森不愿意测量那座山，这个工作落在了马斯基林身上。1774年夏天，有4个月时间，马斯基林在一个遥远的苏格兰峡谷的帐篷里指挥一组测量员。他们从每个可能的位置作了数百次测量。要从这么一大堆的数据中得出那座大山的质量，需要进行大量而又枯燥的计算。承担这项工作的是一位名叫查尔斯·赫顿的数学家。测量员们在地图上写满了几十个数据，每一个都表示山上或山边某个位置的高度。这些数字真是又多又乱。但是，赫顿注意到，只要用铅笔把高度相等的点连起来，一切就显得很有次序了。实际上，你马上可以知道这座山的整体形状和坡度。于是，他发明了等高线。　　根据斯希哈林山的测量结果，赫顿计算出地球的质量为5　000万亿吨。在此基础上，可以推算出太阳系里包括太阳在内的所有主要天体的质量。因此，我们从这一次实验知道了地球、太阳、月球和其他行星及其卫星的质量，另外还发明了等高线……这一个夏天的收获真是不小。　　然而，不是人人都对结果感到很满意。斯希哈林山实验的不足之处在于，你不知道该山的真正密度，因此不可能得出一个真正确切的数字。为了方便起见，赫顿假设这座山的密度与普通石头相等，即大约是水的密度的倍，但这不过是根据经验所作的估计。　　有一个人把注意力转向这个问题。他是个乡下人，名叫约翰·米歇尔，家住约克郡人迹稀少的桑希尔村。尽管环境偏僻而简陋，米歇尔却是18世纪一位伟大的科学思想家，深受人们的尊敬。　　尤其是，他认识到地震的波动性质，对磁场和引力进行了大量创造性的研究，比任何人都早200年设想过黑洞的存在，这是相当了不起的……连牛顿都跨不出这么一大步。当德国出生的音乐家威廉·赫歇尔认为自己生活中的真正兴趣是天文学的时候，他就是向米歇尔讨教了天文望远镜的制作方法。自那以来，行星科学界一直对他怀有感激之情。1　　然而，在米歇尔的成就当中，最精巧或最有影响的莫过于他自己设计、自己制作的一台用于测量地球质量的仪器。不幸的是，他生前没能完成这项试验。这项试验以及必要的设备都传给了一位杰出而又离群索居的伦敦科学家，他的名字叫亨利·卡文迪许。　　卡文迪许本身就是一部书。他生于一个生活奢华的权贵家庭……祖父和外祖父分别是德文郡公爵和肯特公爵……是那个年代最有才华而又极其古怪的英国科学家。几位作家为他写过传记。用其中一位的话来说，他特别腼腆，〃几乎到了病态的程度〃。他跟任何人接触都会感到局促不安，连他的管家都要以书信的方式跟他交流。
第四章　事物的测定（6）
有一回，他打开房门，只见前门台阶上立着一位刚从维也纳来的奥地利仰慕者。那奥地利人非常激动，对他赞不绝口。一时之间，卡文迪许听着那个赞扬，仿佛挨了一记闷棍；接着，他再也无法忍受，顺着小路飞奔而去，出了大门，连前门也顾不得关上。几个小时以后，他才被劝说回家。　　有时候，他也大胆涉足社交界……尤其热心于每周一次的由伟大的博物学家约瑟夫·班克斯举办的科学界聚会……但班克斯总是对别的客人讲清楚，大家决不能靠近卡文迪许，甚至不能看他一眼。那些想要听取他的意见的人被建议晃悠到他的附近，仿佛不是有意的，然后〃只当那里没有人那样说话〃。如果他们的话算得上是在谈论科学，他们也许会得到一个含糊的回答，但更经常的情形是听到一声怒气冲冲的尖叫（他好像一直是尖声尖气的），转过身来发现真的没有人，只见卡文迪许飞也似的逃向一个比较安静的角落。　　卡文迪许钱又多，性格又孤僻，正好有条件把他在克拉彭的房子变成个大实验室，以便不受干扰地探索物理学的每个角落……电、热、引力、气体以及任何跟物质的性质有关的问题。18世纪末叶，是爱好科学的人们对基本物质……尤其是气体和电……的性质发生浓厚兴趣的时代，又是开始知道怎么对付它们的时代，但往往是热情有余，理智不足。在美国，本杰明·富兰克林不顾生命危险在大雷雨里放风筝，这是很有名的。在法国，一位名叫皮拉特尔·罗齐耶的化学家含了一口氢喷在明火上，以测试氢的可燃性，其结果是证明了氢确实是易爆物质，眉毛也不一定是人的脸上一个永久的特征。卡文迪许也做了许多实验，他曾经逐步加大在自己身上的电击强度，仔细体会逐渐厉害的痛苦，直到只拿得住手里的羽毛管，但有时候再也留不住自己的知觉。　　在卡文迪许漫长的一生中，他取得了一系列重大发现……其中，他是分离氢的第一人，把氢和氧化合成水的第一人……但是，他所做的一切都脱离不了〃古怪〃两个字。他经常在出版的作品中提到从没有告诉过任何人的实验结果，这使他的科学家同行们老是很气恼。但是，尽管遮遮掩掩，他不光模仿牛顿，而且想要努力超过他。他对导电性能的实验超前了时代一个世纪，但不幸的是，直到那个世纪过去才被人发现。实际上，他的大部分成就直到19世纪末才为人所知。那个时候，剑桥大学物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦承担了编辑卡文迪许文献的任务。在此之前，发现虽然是他的，但功劳几乎总是别人的。　　卡文迪许发现或预见到了能量守恒定律、欧姆定律、道尔顿的分压定律、里克特的反比定律、查理的气体定律以及电传导定律，但都没有告诉别人。这只是其中的一部分。据科学史家克劳瑟说，他还预见了〃开尔文和达尔文关于潮汐摩擦对减慢地球自转速度的作用的成果、拉摩尔关于局部大气变冷的作用的发现（发表于1915年）。。。。。。皮克林关于冷冻混合物的成就以及罗斯布姆关于异质平衡的某些成果〃。最后，他还留下线索，直接导致一组名叫惰性气体的元素的发现。其中有几种是极难获得的，最后一种直到1962年才被发现。不过，我们现在的兴趣是卡文迪许所做的最后一次著名的试验。1797年夏末，67岁高龄的他把注意力转向约翰·米歇尔显然只是出于科学上的敬意留给他的几箱子设备。　　装配完毕以后，米歇尔的仪器看上去很像是一台18世纪的鹦鹉螺牌举重练习机。它由重物、砝码、摆锤、轴和扭转钢丝组成。仪器的核心是两个635千克重的铅球，悬在两个较小球体的两侧。装配这台设备的目的是要测量两个大球给小球造成的引力偏差。这将使首次测量一种难以捉摸的力……所谓的引力常数……成为可能，并由此推测地球的重量（严格来说是质量）1。　　引力使行星保持在轨道上，使物体砰然坠落，因此很容易被认为是一种强大的力，其实不然。它只是在整体意义上强大：一个巨大的物体，比如太阳，牵住另一个巨大的物体，比如地球。在基础的层面上，引力极小。每次你从桌子上拿起一本书，或从地板上拾起一枚硬币，你毫不费劲就克服了整个行星施加的引力。卡文迪许想要做的，就是在极轻的层面上测量引力。　　精密是个关键词。设备所在的屋子里，容不得半点儿干扰。因此，卡文迪许就待在旁边的一间屋里，用望远镜瞄准一个窥孔来进行观察。这项工作是极其费劲的，要做17次精密而又互不关联的测量，他总共花了将近一年时间才完成。卡文迪许终于计算完毕，宣布地球的重量略略超过1　300　000　000　000　000　000　000　000磅，用现代的计量单位来说就是6　000　000　000　000　000　0