地球像橘子还是像西瓜

　　早在柏拉图和亚里士多德时代，人类便认识到脚下的大地是一个圆球。直到1522年葡萄牙航海家麦哲伦的船队完成了环球航行，才最终验证了地球的形状。但我们居住的这颗行星真是滴溜溜的正圆球吗？
　　1671年，法国天文学家里歇尔到圭亚那首府卡宴观测火星大冲，发现所带的钟每天慢了2分28秒。他将钟摆调短了2.8毫米，才重新校准了时间。但1673年回到巴黎后，他必须把摆长再度复原。牛顿在1687年出版的开山巨著《自然哲学的数学原理》中以此为据，判定地球自转的离心力引起赤道膨胀两极扁平，因此成为一个“椭球”。赤道附近的圭亚那比北半球的法国距离地心更远，所以钟摆受到重力减小的影響而频率变慢。巴黎天文台台长卡西尼的认识恰恰相反，他根据笛卡尔学派的信条和自己的测量，宣称地球形状是赤道收缩两极伸长。伏尔泰大为感慨：“巴黎说像西瓜，伦敦说像橘子。”

深入圣诞老人的故乡

　　地球的形状究竟如何，成为事关重力理论和航海实践的大问题。法国国王路易十五决定派出两个科考队，远赴北极圈内的拉普兰和赤道附近的秘鲁进行测量，通过大地曲率的对照，彻底了断这桩举世瞩目的科学公案。
　　科考队的成员均为一时之选。前往拉普兰的领军人物是法国最早的“牛顿主义”数学家莫佩尔蒂，他后来创建了著名的“最小作用原理”；另一位台柱是瑞典乌普萨拉大学的数学家和天文学家摄尔西斯，他日后发明了摄氏温标。天文学家克莱罗、莫尼尔等也先后加盟。他们于1736年4月离开巴黎，分别沿陆路和水路北上，经过两个月舟车劳顿到达圣诞老人的故乡，开始了丈量北纬65度50分和66度50分之间的经线长度。
　　近代三角测量法是荷兰天文学家和数学家斯涅耳1615年首创的。知道一条边和两个角，便能推算出三角形的另外两条边。而通过相依相生的连环三角，就可以丈量出广袤大地，绘制出精确地图乃至推算出地球的圆周。莫佩尔蒂以托尼奥河口半岛上的教堂钟楼为起点向北推进。虽然河流方向正好和经线一致，但没有理想的标记物可供参照，科考队只能钻进人迹罕至的吉蒂斯瓦拉山脉。他们伐倒古松剥掉树皮，在遥遥相望的峰顶搭起醒目的圆锥状窝棚作为观测点。露营生活幕天席地，蚊虫、吸血蝇轮番叮咬，狼群和熊频繁出没，甚至山火烧掉了建起的观测目标。当严冬来临时，他们在托尼奥河封冻的冰面上开出一条14千米的基线，夜间凭借微弱的极光继续工作。零下45℃的严寒，只有白兰地保持液态，但喝上一口就会把嘴唇和舌头冻在金属杯子上而扯破皮肉。莫佩尔蒂和同伴靠滑雪板和驯鹿雪橇在银色世界穿行，窝棚经常被大雪封埋。漫长的极夜中，他们仍用天顶仪和望远镜观测星座锁定纬度，并发现时钟每天比巴黎快59秒。1737年6月，科考队完成经线长度测量，取道丹麦返回巴黎，归途乘坐的商船在波罗的海风暴中遇险漏水，科学家们奋不顾身抢救观测资料和仪器设备。一年多的北极之旅让莫尼尔身患重病，莫佩尔蒂也留下了终身的健康损害。

　　在法国科学院1737年8月28日召开的专题会议上，莫佩尔蒂报告了测量结果：在拉普兰地区测得1度经线长为111950米。比皮卡德1668年和卡西尼1701年、1718年在法国测量的1度经线要长出约700米。由此足以证明牛顿的断言，地球的形状是北极回缩。消息传出，举世轰动，伏尔泰喝彩道“莫佩尔蒂压扁了地球和卡西尼”。但科学界并没有立刻接受莫佩尔蒂的结论。卡西尼不仅攻击北极测量的薄弱环节，还抓住莫佩尔蒂带回两个土著姑娘大做文章，将拉普兰考察嘲讽为一桩桃色事件。伯努利也对测量结果表示怀疑，声称“先入之见和预设结果很容易找到支持的数据”。苏格兰数学家斯特灵代表了多数人的态度：“秘鲁科考队马上回来，一切都将真相大白。”

科考史上首次国际合作

　　公众对远征秘鲁的科考队显然过于乐观了，他们比拉普兰科考队早一年出发，原计划3年完成任务，却不料一去就是悠悠10年。事情还要从1734年4月6日路易十五写信给他的叔叔—西班牙国王费利佩五世说起。根据这两位波旁家族要员的协议，法国和西班牙共同派人和出资组成科考队，前往赤道附近的西班牙殖民地秘鲁测量子午线。法国的阵容是科学院院士戈丁、拉康达明和布格，外加4位科学家和3个助手。他们于1735年5月16日乘坐“泼特菲克斯”号商船从罗切尔港出发，经过半年搏风击浪，于11月15日到达加勒比海的卡萨根那。西班牙海军军官胡安和乌略亚已在那里恭候多时。双方人员会师后，再穿过巴拿马地峡沿太平洋南下，1736年5月29日抵达秘鲁的基多省，即后来以赤道为名的厄瓜多尔。这是科考史上首次正式的国际合作。
　　秘鲁科考队兵分两路互相策应，向“美洲的脊梁”安第斯山发起挑战。背负着沉重的仪器和测杆，攀援在插云戴雪的群峰之间，他们创造了人类“最高”的科考纪录。严重的缺氧让这些欧洲科学家不断昏倒、呕吐、牙龈出血。登上海拔4791米的皮钦查山克拉松峰时，每人的衣帽和须眉都挂满了冰凌，而50年后才有人登上相同高度的“欧洲之巅”勃朗峰。活火山的喷发如雷霆万钧，崩岩巨石从山上滚落，狂风、骤雨、冰雹则常常突发陡起。有时大雾笼罩，目标迷失，连驮运仪器的骡子都会丢掉。遍布丛林的蚊虫、蝎子、毒蛇更防不胜防。加上经费拮据，供应阻滞，使科考队不断陷入困境。1736年9月19日，年仅18岁的库普莱患疟疾一病不起，长眠在秘鲁的卡亚穆比教堂。
　　当巴黎传来了拉普兰科考队已经抢先完成了测量，并证实了牛顿理论，秘鲁科考队受到巨大的心理挫折。有人提议打道回府，有人主张各奔前程，多亏拉康达明以科学的荣誉稳住军心。当地土著曾热烈欢迎持有西班牙国王护照的科考队，但逐渐开始疑窦丛生：这些欧洲人舍命跑到安第斯山，难道就为了弄清地球的形状？“他们是来探矿寻宝，拿走秘鲁财富的。”“他们绘制地图是为献给英国人。”诸如此类的流言使科学家遭受敌意。当科考队的外科医生桑尼尔古斯介入当地冲突后，在一次公众集会中被暴民刺伤，4天后不治身亡。布格在混乱中被石头击中，躲进教堂里才得以逃生。胸怀远大目标跨越半个地球的科学精英，也会“偶因细故”而贻误大局和死于非命。

　　科考队每个成员返回法国的旅途可谓八仙过海和九死一生。与10年前相比，大西洋不仅风高浪急，而且成为英法的战场。1744年5月28日，布格首先搭乘贩运奴隶的“特雷顿”号双桅帆船从法属圣多明戈归航法国；拉康达明坐着独木舟沿亚马孙河漂流而下，从圭亚那登上中立国荷兰的咖啡货船，于1744年11月30日抵达阿姆斯特丹；乌略亚为避开英国海军绕道好望角，不想在失陷的法属殖民地路易斯堡当了俘虏，经历牢狱之灾后于1746年7月25日重返马德里；戈丁直到1751年7月才从羁旅秘鲁的利马大学回到欧洲；而画师莫雷维拉和仪表师雨果特分别于1764年和1781年客死在南美大陆。
　　秘鲁科考队付出10年心血和沉重代价，以南纬1度31分为中点，总共丈量了3度07分经线，测出每度长为110655米，证明赤道千真万确是“鼓起”的。通过将秘鲁和拉普兰的测量结果进行综合比较，当时的科学界一致认定地球扁率为1∶310，校正了牛顿计算的1∶229，地球形状的百年争论最终尘埃落定。
　　拉康达明作为第一个探索亚马孙盆地的欧洲人，带回了橡胶和金鸡纳树标本，布格则测出了钦博拉索山体的引力，能造成铅垂线8角秒的偏移。尽管早期领队戈丁的贪腐行为遭人诟病，尽管各成员间摩擦不断，但秘鲁科学考察已经作为人类认识自然的空前壮举载入史册。彭加勒在名著《科学与方法》中，就以法国的大地测量为例证，赞美科学的崇高目标和牺牲精神。此后德国科学家洪堡的南美洲探险和达尔文乘坐“贝格尔”号军舰的南太平洋远征，米制在全世界的确立和风行，无不受到秘鲁科考队的直接启示和深刻影响。

金星凌日的馈赠

　　如果说人类的祖先很早就开始测绘大地，那么真正意义上的丈量天空却是发明望远镜和掌握开普勒定律以后的事。1677年11月7日，英国天文学家哈雷在圣海伦娜岛观察水星凌日后若有所悟，1716年在皇家学院《哲学学报》发表著名论文，提出了通过观察金星凌日来确定地球到太阳的距离，并向后辈大声疾呼，务必抓住1761年和1769年金星凌日的天赐良机。1742年哈雷撒手尘寰，全世界天文学家遵照他的遗训，如期开展了波澜壮阔、可歌可泣的金星凌日观测总动员。

一战成名的梅森和迪克逊

　　金星作为地球的“孪生姐妹”，是苍穹中仅次于太阳和月亮的第三明亮天体。当它运转在日地之间并处于一条直线时便会遮蔽太阳的部分光线。金星凌日本质上也算一种“小日食”或者“日环食”。但金星直径虽然比月亮大3.5倍，凌日时和地球的距离却比月亮远百倍，视直径只有月亮的三十分之一，因此看上去就像日轮上的一个小黑点缓缓掠过。由于金星的轨道平面和地球黄道有3.4度的倾斜，因此凌日便成为十分稀有的天象。发生间隔为105.5年，8年，121.5年，8年……可谓“八载成双来，百岁一徘徊”。正是靠着在地球上不同方位看到金星凌日过程的视差，便能用三角测量法计算出日地距离，进而以这个“天文单位”作为基线，测量出整个太阳系的宏伟版图。
　　捕捉1761年和1769年这一对金星凌日，是科学界首次有备而来。来自英国、法国、俄国、德国、荷兰、瑞士、丹麦、葡萄牙、意大利等国的天文学家百余人，在全球设立了几十个观测点。俄国女皇叶卡捷琳娜曾通宵不眠以图先睹为快，英国国王乔治三世也早早到裘园天文台翘首以待，北美费城天文学家里腾豪斯在金星即将接触日轮的瞬间竟然激动得当场晕厥，足见金星凌日如何牵动着人们的神经。那些派往四表八荒观测这一天象的远征队更是责任重大和使命庄严了。
　　“七年战争”的炮火硝烟并不理会科学家的国际合作。1761年1月8日，英国天文学家梅森和迪克逊乘坐护卫舰“海马”号从朴茨茅斯出发，远赴22000千米之遥的苏门答腊岛明古连观测金星凌日，启航不到24小时，便和重型法国军舰“拉格兰德”号相遇。经过1小时激战，“海马”号受到重创，船员死11人伤37人，被迫退回朴茨茅斯港。鉴于旅途凶险和仪器损毁，梅森和迪克逊给皇家学会写信，请求变更目的地，改往地中海之滨土耳其的伊斯肯德伦进行观察。皇家学会接到报告毫不通融，指令必须不惜代价按原计划赶到苏门答腊，否则追究法律责任。關键时刻，科学家也需要军队的纪律和士兵的服从。“海马”号紧急修缮后于2月5日再度扬帆南下，但却因延宕过久无法准时到达，况且明古连已经落入法国人手中。梅森和迪克逊当机立断，4月11日登陆南非好望角，幸而受到中立国荷兰殖民当局的同情和支持。6月6日晴空万里，梅森和迪克逊在开普敦饱览了金星凌日的整个过程，取得了南太平洋唯一有价值的观测数据。而前往圣海伦娜岛的英国天文学家马斯基林却遇到大阴天，结果徒劳往返。梅森和迪克逊一战成名，1763年担负起测量北美马里兰州和宾夕法尼亚州边界的重任。此后梅森-迪克逊线长期成为美国北方自由州和南方蓄奴州的政治文化分界。

库克船长和他的“奋进”号

　　金星凌日造就的最伟大的航海家和探险家，要数英国的库克船长了。由于1761年观察金星凌日的数据不尽如人意，1769年便成了一代科学家有生之年的最后机会。新发现的塔基提岛很快被锁定为最佳观测点。汲取1698年哈雷率领“帕拉摩尔”号到南大西洋科学考察却因没有军衔而指挥不动水兵的教训，皇家学会和海军部兼权熟计，认为库克是领衔挂帅的不二人选—他不但有魁北克测绘劳伦斯河口、纽芬兰观察1766年日环食的科学背景，还有现役海军中尉的头衔。

沙普：用生命换来完美数据

　　披读金星凌日浩瀚的典籍，处处都会看到法国天文学家沙普的名字。他曾勘测洛林地区的经线，确定2颗彗星轨道，并和卡西尼、让蒂尔一起在巴黎观察过1753年5月6日的水星凌日。受法国科学院派遣和俄国伊丽莎白女皇邀请，沙普的4人小队于1760年11月动身前往西伯利亚首府托博尔斯克—那里是1761年金星凌日过程最短的“哈雷极点”，因此格外特殊和重要。携带着半吨重的设备，从巴黎到维也纳，从华沙到圣彼得堡，马车先后在路上散了架，那些温度计、气压计等科学仪器也几乎全都碰破颠碎。乘坐马拉雪橇跨过封冻的伏尔加河和乌拉尔山，进入无边的西伯利亚干草原和浑莽的大沼泽，屈指行程5000千米，终于在1761年4月10日到达托博尔斯克。

　　滴水成冰的严寒，眈眈在侧的狼群，沙普到镇外小山丘上建起天文观测站，并抓住5月18日的月食，再次测定托博尔斯克的精确经度。这年春汛来得早而凶猛，淹没了两岸多处村庄，当地百姓怪罪这些外国人的神秘活动冒犯了太阳，招致了老天震怒和降灾。所幸当局派来哥萨克士兵担任警戒，确保了考察队的人身设备安全。
　　1761年6月6日，天如人愿，百事顺遂，沙普精确记录了金星凌日5小时48分50秒的全过程，并在他的天文台外帐篷里架设望远镜请当地政要一饱眼福。途经圣彼得堡停留期间，沙普会见了罗蒙诺索夫并发表了观测数据，还把珍稀的猛犸牙齿带回巴黎，此后写下了三大卷《西伯利亚纪行》。他的两个侄子都是受到这本书的鼓舞走上了科学道路。
　　1769年，沙普再次投身于全球天文学家对金星凌日的“围猎”大行动。原计划去所罗门群岛进行观察，但宗主国西班牙只批准他们到拉美地区的下加州半岛，比起英国科学家完全被拒绝，这已经非常幸运了。1768年9月18日，沙普和王室工程师泡利、钟表师杜波伊斯、青年画家诺埃尔一行离开巴黎。在卡迪斯按照法院命令吸收了西班牙官员多兹和麦迪纳。共28人乘坐一条仅有12名水手的小船，驶往万里迢遥的拉丁美洲。1769年5月19日到达下加州尽头的圣何塞-德尔卡波。这里便是沙普远征的终点和梦想的归宿。
　　他们迅速搭建起“天文台”，把带来的象限仪、摆钟和3个多隆德消色差望远镜安顿停当。简陋的泥棚，房顶开3个孔洞，平时用布遮蔽，观察时才露出天空。6月3日艳阳高照，纤云扫迹，一丸金星缓缓掠过日轮。仆人在旁边大声读秒。沙普和多兹、麦迪纳各自守着一台望远镜，凝神屏气捕捉天上的一脉一息，准确记下每个重要的时间节点和金星轨迹弦线与太阳赤道的夾角，整个观察可谓尽善尽美。5个半小时下来，沙普全身已经被汗水湿透。他们彼此热烈祝贺，并和金星凌日做最后的世纪告别，深深庆幸没有辜负这次旷世机缘。
　　然而沙普未曾料到，蓝天丽日和旖旎风光下，死神正向他们张开黑色斗篷。登岸伊始便听说这里已有三分之一人口在瘟疫中病逝，当时完全来得及更换地点到西南18英里（约29千米）的圣卢卡斯。但沙普认为宁可让生命冒险，不能让观测闪失。金星凌日2天后，多兹、麦迪纳和11位随员开始发病。沙普靠从巴黎带来的一本医书和少量药品紧急应对，不久自己也受到传染。用泻剂治疗稍有好转，沙普又带病坚持观察6月19日的月食，以便更好确定当地的经度。此后病势渐沉，8月1日不幸去世，年仅42岁。一代“天文探路者”被草草埋葬在下加州的无名地。此时村内人口已死去四分之三，金星凌日科考队残存的队员仍然抱病坚持观察木星的伽利略卫星掩食，来校准当地经度。直到生命最后一刻，他们的心灵都和天上的星辰相伴相依。沙普临终前在病床上说：“生命即将结束，但我因完成了使命而感到幸福。”
　　泡利害怕自己难以康复和生还，曾把沙普的观察报告和日志收进一只书箱寄放在西班牙总督府并谆托运回法国。直到9月，幸存的9名科考队员才取道墨西哥城返回欧洲。最终踏上故国土地的，只剩下泡利、诺埃尔和多兹3人。巴黎天文台台长卡西尼从泡利手中接过沙普的遗稿并亲自进行整理编纂，1772年正式出版。沙普和众多同伴埋骨地球的另一端，却向他的时代交上了最完美的答卷。
　　18世纪两次金星凌日的观测大行动，是气贯长虹的人类史诗。遍布世界的天文学家用生命和忠诚换来的数据汇集起来，我们这颗行星便产生了新的智慧。曾经为世界选定金星凌日观测点的法国著名数学家拉朗德和诸多同辈争先恐后，用哈雷和德利勒创建的方法，对1761年的130处观察数据和1769年的154处观察数据进行系统归纳和精密计算，终于得出空前伟大的结论：太阳的视差为8.5弧秒，太阳到地球的平均距离为1.53亿千米。和目前公认的1.496亿千米十分接近。
　　世界上从此有了“天文单位”这把得心应手、通用共享的“量天尺”。人类不仅将整个太阳系各行星的边邻四至尽收眼底，还向着辽阔的宇宙空间张望，并从此开始了国际合作的大科学时代。