1639年金星凌日

英國天文學家傑雷米亞・霍羅克斯及其友人威廉・克拉布特里對於 **1639 年金星凌日**的觀測是已知的首次留有記錄的金星凌日觀測。他們在那年的 12 月 4 日（按照英格蘭當時通行的儒略曆是 11 月 24 日）各自獨立地進行了觀察：霍羅克斯是在蘭開夏郡的卡爾公寓以及馬馳胡爾村觀測的，克拉布特里則是在曼徹斯特附近布勞頓的家中觀測的。

約翰內斯・克卜勒的友人及其創造的新天文學的追隨者一直通過觀測來修正改進克卜勒的魯道夫星曆表。霍羅克斯是唯一一個意識到 1639 年金星凌日將要到來的天文學家，其他的天文學家是在霍羅克斯的報告廣為傳播後才意識到的。儘管二人在完成此次觀測後五年內雙雙離世，但他們突破性的工作對於太陽系體積的研究具有深遠影響。由於此次觀測以及其他的一系列成就，霍羅克斯、克拉布特里以及他們的筆友威廉・加斯科因被尊為英國天文學研究之父。

## 背景

到了 17 世紀，兩項重要成就使得行星凌日的觀測成為可能：望遠鏡以及克卜勒所創立的新天文學。依照克卜勒的理論，行星公轉軌道不是圓而是橢圓。

1627 年，克卜勒發表了他的魯道夫星表。兩年後，克卜勒在他的小冊子《難再盛年，1631》（_De raris mirisque Anni 1631_）中刊發了星表的摘錄。這份小冊子中還有「對於天文學者的提醒」（_admonitio ad astronomos_）。克卜勒在其中提到了 1631 年的水星凌日以及 1631 年與 1761 年的金星凌日。因斯布魯克的約翰・巴普蒂斯特・塞薩特、魯法克的約翰內斯・雷穆斯・奎埃塔努斯、以及巴黎的皮埃爾・伽桑狄都觀測到了克卜勒預測的水星凌日。這證實了克卜勒的方法。不過，他們的觀測結果與之前的太陽系理論有衝突之處，水星要比原本預測的小許多。

儘管克卜勒的計算結果顯示 1631 年金星凌日最佳觀測地會是美洲大陸，但他對於自己的預測沒有充分的自信，所以他建議歐洲的天文學家應該為觀測這一現象做好準備。伽桑狄以及歐洲其他的觀察者都為它做了準備，但與預測結果一致，在凌日過程中，太陽在地平線之下。依據現代計算結果，義大利大部以及東地中海的觀測者可以看到凌日的最後階段，但人們目前還沒有發現來自這些地區的觀測結果。克卜勒還預測了 1639 年的金星只會與太陽擦身而過。由於下一次完整的金星凌日就是 121 年後的事了，伽桑狄以及其他天文學家只得在其他地方集中精力。

### 傑雷米亞・霍羅克斯

傑雷米亞・霍羅克斯（1618 年－1641 年 1 月 3 日）生於托克斯泰斯鹿園的下洛奇（現屬利物浦）。父親詹姆斯是製表匠，母親瑪麗（娘家姓阿斯平沃爾）出身當地望族。阿斯平沃爾家族的一些成員也涉足製表業。據說就是同是製表匠的一個叔叔將傑雷米亞引入天文學的大門。1632 年 5 月 11 日，傑雷米亞進入劍橋大學伊曼紐爾學院學習，並於 1632 年 7 月 5 日作為公費生被劍橋大學錄取，也就是說不能自費完成學業的他需要完成給定的任務來獲得學費減免。在劍橋期間，他學習了藝術、古典語言、幾何學以及傳統天文學。他還利用業餘時間自學伽利略、第谷・布拉赫以及克卜勒等人提出的更需要數學知識的新天文學。霍羅克斯通讀了當時的天文學專著，找到了其中的紕漏，並在 17 歲時提出了一些新的研究成果。1635 年，由於拖欠畢業所需費用，他從劍橋肄業。

在離開劍橋後，霍羅克斯回到了他在蘭開夏的家，並開始為天文學研究收集書籍以及儀器。1639 年的夏天，他離開家，前往 18 英里外海岸邊的馬馳胡爾村，擔任斯通思家族孩子的家教。斯通思家是富庶的男子服飾經銷商，住在布雷瑟頓的卡爾公寓。

霍羅克斯首次提出了月亮公轉軌道是橢圓形的。他也寫過一部有關克卜勒天文學的專著，並且曾經利用數學方法探索過後世所說的引力的比例關係。艾薩克・牛頓曾在《自然哲學的數學原理》中提到過他的月球理論與霍羅克斯的工作的關係。

### 威廉・克拉布特里

威廉・克拉布特里（1610－1644）是位來自曼徹斯特附近小鎮布勞頓（現屬索爾福德市）的布商。他的父親約翰是個蘭開夏的富裕的農民。他是在曼徹斯特的一所文法學校（可能是曼徹斯特文法學校的前身，當時位於曼徹斯特座堂，現為切塔姆音樂學校）中接受的教育。他在曼徹斯特城內工作，併入贅一個富裕的家族。在業餘時間他會研究數學和天文學。他仔細地觀測過行星的運行，做過精細的計算並提升過魯道夫星表的精度。他與霍羅克斯、威廉・加斯科因、克里斯多福・湯內力以及格雷舍姆學院的天文學教授與伊曼紐爾學院校友薩繆爾・福斯特是長期的筆友，不過他們之間來往的信箋大多數都已遺失。現在已經無從得知霍羅克斯與克拉布特里見沒見過面，但他們自 1636 年以來會定期通信。他們都著迷於約翰內斯・克卜勒的工作。他們與威廉・加斯科因常自稱「我們這些克卜勒主義者」（_nos Keplari_）。

克拉布特斯從自己的觀測結果出發認定儘管存在誤差，克卜勒的魯道夫星表還是優於當時通用的蘭斯貝爾熱星表的。他也是克卜勒的新天文學的第一批傳播者。到了 1637 年，他已經讓霍羅克斯認識到克卜勒系統的優越性。他們利用自己的觀測結果對克卜勒星表做了許多訂正。克拉布特里還將其中的數據轉化為小數形式。

### 水星凌日

1638 年 9 月 29 日，霍羅克斯致信克拉布特里，告訴他金星凌日即將於 1638 年 10 月 21 日（儒略曆）到來。這是克卜勒沒有預測到的。他還說他要將他的望遠鏡架在一個橢圓面上，在上面放一張紙。他在紙上會繪製一個帶數字標記的圓，將太陽投影在上面。這種望遠鏡後來叫做太陽目視鏡。凌日實際上並沒有發生，水星在太陽外經過。不過這對於後來的金星凌日觀測是次非常重要的歷練。

1639 年 10 月，霍羅克斯通過計算得出金星凌日在一個周期內不會單次出現，而是會相隔 8 年成對出現，並意識到第二次金星凌日會在四周內到來。他預測行星的視直徑小於 1 秒，也就是說它會像是太陽上的小黑點。當它作為啟明星出現時，視直徑約為 1 分。他給弟弟以及身處布勞頓的克拉布特里寫信，建議他們觀測 11 月 24 日（格里高利曆為 12 月 4 日）的現象。霍羅克斯在信中是這樣說的：「對於魯道夫星曆的進一步精確計算證實了我的預測。我非常高興能夠看到金星。」

## 觀測過程

由於相信這種罕見的天象會導致極端氣候，霍羅克斯對於觀測的氣象條件非常擔憂：

> （當天）可能是陰天這件事令我非常焦急，因為木星和水星幾乎會和金星同時與太陽相合。這一奇絕的行星走位 —— 就像它們想要與我們一起去注視上天的奇蹟，並為這一盛事添一份壯麗一樣 —— 非常可能是極端天氣的預兆。合日時總會帶來風暴的水星特別令我害怕。天文學家們都與我有相同的擔憂，因為它能夠得到經驗驗證，不過從另外的角度來說，我不禁要去鄙視他們那副端著架子的樣子。
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到了 11 月 23 日中午前後，霍羅克斯讓他的屋子暗下來，並使透過窗戶進來的陽光聚焦到紙上，以觀測圖像。根據他的計算結果，在他所處的馬馳胡爾（他測定的經度為 53° 35'），金星凌日大約會在 24 日下午 3 時前後開始，但他還是在前一天就開始了觀測，以防計算誤差導致錯過這一天象。他在當天日出時即開始了觀測，儘管當天天氣多雲，他還是在下午 3 時 15 分左右看到金星小小的黑影開始穿過太陽，並觀察了 30 分鐘左右，直到 3 時 53 分日落。

> 當觀測時刻臨近時，我回到了公寓，關上向光的窗戶，將之前對好焦的望遠鏡通過光孔，並讓光線直射到紙上…… 從日出到 9 點，從剛過 10 點到中午，以及下午一點，我都緊緊地盯著 24 號位。在其中的間歇時間裡，我需要去辦些最為重要的事情。我不能為了這些不實際的追求而對它稍作怠慢…… 下午 3 點 15 分，當我又有時間繼續辦我的事情的時候，雲，就像由祂的手分開一樣，完全消散了…… 接著，我看到了最為理想的景象，我衷心祈盼的東西，那個大小非比尋常又呈完美圓形的黑點已經從左側進入日輪…… 毫無疑問，那是行星的影子，我當即盡全力去觀察它…… 儘管金星會在太陽里繼續停留幾個小時。但對於我來說，考慮到（太陽）下沉得這麼快，我半個小時後也就看不到她了…… 軌道傾角是我唯一一個不能得到較高精度的觀測數據；由於太陽的快速運動，即使將它確定至 1 度也是相當困難的…… 但其他數據的精確度都如同預期。
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克拉布特里使用類似的器械進行了觀測，不過由於布勞頓當天陰沉的天氣，他沒有充足的時間進行觀測，只是看到了金星凌日。霍羅克斯是這麼描述當天的情形的：「他站在那裡全神貫注地思考了一段時間，幾乎不相信自己的感官，大喜過望…… 不久後，雲又開始遮擋住太陽的臉，他只能看到金星當時確實在日輪之中。」之後，他在金星經過太陽後對其進行了速寫，並估算出其角直徑為 1' 3"，與實際值的誤差在 1 秒之內。霍羅克斯估計的 1' 12" 就不那麼精確了。

## 觀測結果

克卜勒當時已經發現行星間距會隨著它們與太陽的距離而成比例增長，這令他相信宇宙是遵循神聖的和諧創造的，而行星的體積也會按照同樣的方式增長。他在 1618 年寫到：「沒有什麼會比（行星的）大小順序會依照它們（與太陽距離遠近）的順序更合乎自然的了。」霍羅克斯測量金星的大小在疊加克卜勒與伽桑狄的測量誤差後看起來證實了這一點，他還試探性地提出了一個定律，即所有行星（除了火星外）從太陽看到的視直徑相同，都為 28 秒。這意味著克卜勒提出的有關行星大小的猜想是正確的，這也讓霍羅克斯得到了這樣一個錯誤的結論，即行星與太陽間的距離會是其半徑的 15,000 倍。因而他由此估算出地球與太陽的距離約為 9700 萬千米。而它還意味著太陽系要比傳統認定的大小大出 10 倍。他的數值要遠小於天文單位的現代公認值 1 億 5 千萬千米，不過儘管是基於錯誤的前提，它還是比當時已經提出的數值要精確得多。

到了 1640 年，加斯科因為他的望遠鏡裝上了分劃板和測微計。這些對於霍羅克斯都具有非比尋常的價值。他向克拉布特里展示了這些改進。克拉布特里將其告訴給了霍羅克斯，並向加斯科因回報導到：「我的朋友霍羅克斯坦誠地表示，我提到的那件事讓他魂不守舍，他現在還在又驚又喜的意外之境中。我懇求您不要放過任何想法，去完善您已開始的神跡。」

霍羅克斯為他基於觀測結果的拉丁文專著《太陽中觀測到的金星》（_Venus in sole Visa_）打了一些底稿，不過在付梓前即於 1641 年 1 月 3 日猝然離世，年僅 22 歲。

## 影響

《太陽中觀測到的金星》的一些手稿由克拉布特里保管。他在霍羅克斯離世 3 年後去世。他們的另一位筆友，威廉・加斯科因，也在同一年於馬斯頓荒原戰役中戰死。霍羅克斯的手稿在他家人保存了一小段時間；其中的一些在英國內戰中損毀，另一些則被他的弟弟，喬納斯，帶到了愛爾蘭並就此不見蹤影，還有一些則成了古董商與天文學家克里斯多福・湯內力的收藏品。曾在 17 世紀中期著有三部天文學專注的傑里米・謝克利曾在他的手中看過這些手稿。其餘的手稿則在 1666 年的倫敦大火中燒毀。儘管一直未能出版，這些手稿還是在 17 世紀 50 年代後期廣為流傳。

英王查理二世於 1661 年 4 月 23 日（格里高利曆 5 月 3 日）加冕。當天發生了水星凌日。荷蘭天文學家克里斯蒂安・惠更斯出席了加冕禮。他在這段時間聽說了約翰・沃辛頓（霍羅克斯同代人，劍橋大學耶穌學院碩士也是伊曼紐爾學院校友）於 1659 年發現了霍羅克斯的手稿以及他與克拉布特里來往信箋的殘片。惠更斯認識傑出的波蘭天文學家約翰・赫維留，並給他了一份手稿複製本。赫維留將其添到了他於 1662 年發表的《但澤水星凌日報告》（_Mercurius in sole visus Gedani_）的附錄中。《太陽中觀測到的金星》的出版使得當時新近成立的英國皇家學會驚慌失措。他們剛剛意識到這樣一份出自英國人之手的簡練重要的手稿竟會在自己的母國被冷落了這麼長時間。霍羅克斯在伊曼紐爾學院時的友人、學會創始成員也是領頭人之一的約翰・沃利斯的意見可以代表當時眾位會士的意見：

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> 這樣一份千金難換的、描述簡潔並準備好出版的珍貴觀測報告竟被放置二十有二年。竟沒有人在奠基人去世後接下後繼者的職責，為對天文學如此重要的專著帶來重見天日的希望，為了我們的國家的聲望以及全人類的進步保存一份作品。這些都讓我不禁感到不悅。
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皇家學會後來將霍羅克斯大部分遺稿結為《傑雷米亞・霍羅克斯遺作》（_Jeremiae Horroccii Opera Posthuma_），於 1672 年至 1673 年出版。

對於此次金星凌日的記錄被後世公認為英國現代天文學的開端。約翰・佛蘭斯蒂德後來將霍羅克斯、克拉布特里以及加斯科因尊為英國天文學研究的奠基人以及伽利略與克卜勒學說的繼承人。他以他們 1638 年至 1643 年間的信箋與觀測報告為其編寫的三卷本《不列顛天文史》（_Historia Coelestis Britannica_，1745）開篇。

## 紀念

霍羅克斯與克拉布特里的事跡在 19 世紀又被人們重新記起。曾翻譯過《太陽中觀測到的金星》的 A・B・沃頓認為霍羅克斯寫到的「在其中的間歇時間裡，我需要去辦些最為重要的事情。我不能為了這些不實際的追求而對它稍作怠慢」應該指的是助理牧師的職責。儘管那件事情可能指的是家教的工作或者是去做禮拜，但是窮困的助理牧師的說法還是廣為流傳。1874 年，在各方遊說下，人們在威斯敏斯特禮拜堂牛頓紀念碑的對面立起了紀念傑雷米亞・霍羅克斯的石碑，銘文如下：

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> In memory of Jeremiah Horrocks, Curate of Hoole in Lancashire who died on 3rd of Jan, 1641 in or near his 22nd year.
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> Having in so short a life detected the long inequality in the mean motion of Jupiter and Saturn discovered the orbit of the moon to be an ellipse determined the motion of the lunar apse suggested the physical cause of its revolution and of Venus which was seen by himself and his friend William Crabtree on Sunday the 24th of November (O.S.) 1639. This tablet facing the monument of Newton was raised after the lapse of more than two centuries. Dec. 9, 1874.
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> 譯文：為紀念蘭開夏胡爾的助理牧師，死於 1641 年 1 月 3 日，得年 22 歲的傑雷米亞・霍羅克斯。
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> 在短短的一生里，他察覺到木星與土星的不均勻運動、發現了月球的橢圓公轉軌道、確定了月球拱點的運動、提出這一變動的物理原因並與他的朋友威廉・克拉布特里在 1639 年 11 月 24 日（舊曆）星期日觀測了金星凌日。這塊石碑是在延宕了近兩個世紀後於 1874 年 12 月 9 日在牛頓紀念碑的對面為其立起。
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自 1848 年至 1881 年擔任胡爾教區聖米迦勒教堂牧師的羅伯特・布里克爾曾向蘭開夏、牛津以及劍橋的公眾籌款為霍羅克斯在教堂里立起了新的高壇與祭壇。兩者先後於 1824 年及 1858 年完工。小禮拜堂於 1998 年至 1999 年進行了擴建，原本於 1874 年安裝的北牆的第一扇窗戶中的玻璃圓窗繪上了紀念 1874 年與 2004 年金星凌日的彩畫。此外教堂里還有紀念霍羅克斯的大理石碑。1859 年，教區居民為紀念霍羅克斯為教堂安裝了時鐘。安裝於 1875 年的日晷上刻有霍羅克斯說的「Sine Sole Sileo」（「沒有太陽，我將沉默不語」）。

1903 年，藝術家福特・馬多克斯・布朗受到委託為曼徹斯特市政廳繪製了壁畫。其中一幅《克拉布特里觀測公元 1639 年的金星凌日》（_Crabtree watching the transit of Venus A.D. 1639_）就是他以浪漫主義手法對於克拉布特里觀測過程的描繪。

2004 年 6 月 9 日，在 21 世紀第一次金星凌日如霍羅克斯的預期發生一天之後，為紀念威廉・克拉布特里而在下布勞頓路與格羅夫修道院交匯點、標記克拉布特里農場北邊立起的路牌揭幕。2005 年 12 月，在克拉布特里與霍羅克斯合作期間居住的常青藤農舍幾碼外的紀念牌匾揭幕。而在另一次金星凌日於 2012 年 6 月 5 日至 6 日到來時，人們在馬馳胡爾的教堂進行了紀念活動，並通過 NASA 官網向全世界直播。克拉布特里位於布勞頓的故居也進行了紀念活動。人們在福特・馬多克斯・布朗繪製的壁畫啟發下於常青藤農舍重演了金星凌日觀測。NASA 向百萬觀眾直播了這一活動，並將夏威夷觀測到的景象投射到農舍的一側。

## 注釋

## 參考文獻