太阳系大小：惊人的扩大20倍

1768年，英国皇家海军军官詹姆斯·库克（James Cook）率领80余人从英格兰起航，开始了他们的天文发现之旅。他们此行环绕了半个地球，在海上航行10个月后，库克一行人终于乘坐着“HMS奋进号”考察船抵达目的地塔希提岛，塔希提岛是位于太平洋中心的一个偏远的小岛。他们千里迢迢到此，只为奉命在岛上执行一个约6小时的天文观察任务，以求计算出太阳系的真正大小。

库克奉命前往此处是为了观测一种叫作金星凌日的罕见天象——在某些特殊时刻，金星会像一个黑点从太阳面前经过（图2-1）。天文学家为此次将于1769年6月3日发生的金星凌日准备了周密的计划，届时它将会在世界多个地点被同时观测，所有观测者都被要求记录下金星凌日的持续时间。天文学家希望通过观测结果计算出日地距离，即一个天文单位的确切数值，从而推算出太阳系的大小。金星凌日是一种十分罕见的天象，只有当太阳、金星和地球位于一条直线上时才会发生，下一次要到100多年后了。天气是一切的关键，如果赶上了阴天，库克这一趟可就白来了。还好天公作美，6月3日当天，塔希提岛的天气奇佳。库克在日记中这样写道：“天遂人意，今天的天气非常理想，万里无云，空气十分清新。”

早在库克航行的那个时代，天文学家就已经知道如何通过追踪太阳、行星以及卫星在天空中的移动轨迹来计算它们的相对距离，但他们对绝对距离却毫无把握。他们为此感到焦躁不安，如果连太阳系实际上有多大都不知道，那么怎么入手研究太阳系呢？于是，确定天文单位的具体数值成了当务之急。科学家对它的重视程度极高，还为此发起了一次在当时来说规模最大的国际联合观测活动。库克史诗般的三次探险航行便是这一壮举的一部分，此次正是他的首航。

图2-1　2012年6月5—6日，太阳动力学观测台（SDO）从地球轨道观看到的金星凌日的路径，照片拍摄于紫外线下（图片来源：NASA/SDO）(www.xing528.com)

事实上，人类史上第一次以测量太阳系大小为目的的严格意义上的科学实践是在1672年，比库克的第一次航行早了近一个世纪。1672年，时任巴黎天文台台长的天文学家让-多米尼克·卡西尼（Jean-Dominique Cassini）为了测量火星与地球的准确距离，指派他的同事让·里歇尔（Jean Richer）前往南美洲的法属圭亚那地区观测火星的位置，而他自己则留守巴黎。从这两个观测点来看，火星相对天空中更为遥远的恒星来说位置有微小的差异。只要测得了火星这两个不同位置的差异，以及两个观测点之间的距离，就可以计算出火星与地球的准确距离。只要知道这一距离，也就可以计算出地球与太阳系各行星的距离，但都是相对于地球半径的距离。两年前，法国天文学家让-菲利克斯·皮卡尔（Jean-Felix Picard）测得地球的半径约等于6300千米。卡西尼和里歇尔利用它推算出日地距离相当于地球半径的2.17万倍，即138000000千米。

1679年，埃德蒙·哈雷（Edmond Halley，哈雷彗星就是以他的名字命名的）意识到，可以利用金星凌日准确测定日地距离。哈雷参考苏格兰数学家詹姆斯·格雷戈里（James Gregory）几年前提出的思路，设计出了一个计算日地距离的方法，即记录金星凌日的持续时间。它看似简单，但困难之处是需要在地球上相隔遥远的不同地点同时进行观测。哈雷在1716年公布了这一计划，但自知无法在有生之年亲眼见证它的完成，因为金星凌日一般是成对出现的，两次时间相隔8年，每对之间相隔100多年。当时哈雷已经60岁了，而下一对金星凌日的时间是1761年和1769年。

随着金星凌日预测日期的临近，天文学家们纷纷摩拳擦掌。全世界共有几十名天文学家参与了1761年和1769年的金星凌日观测，库克的航行就是其中一部分。为了观测金星凌日，一些探险队员不惜背井离乡，栉风沐雨，有些甚至还为科学事业献出了宝贵的生命。观测结束后，这些得来不易的观测结果被汇总起来并加以分析，最后得出天文单位的数值为1.53亿千米，只稍大于今天公认的1.495978707亿千米。

这样算来，太阳系比我们想象中的还要大得多。公元2世纪，在亚历山大（埃及北部港市）任职的希腊天文学家克劳狄·托勒密（Claudius Ptolemy），提出了日地距离是地球半径的1210倍（换算成现代度量单位为800万千米）的猜想，这一数值保持了近1500年。到了17和18世纪，天文学家眼中的太阳系已经扩大至原来的20倍。在此期间，新型科学仪器、新技术和强大数学工具的发明大大地推动了科学的发展，这促使天文学家开始思索太阳系真正的规模，他们对太阳系乃至整个宇宙的认识也发生了翻天覆地的变化。人们心中1000多年来关于太阳系根深蒂固的信仰已摇摇欲坠，或者说正在瓦解。