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通俗天文学-第12部分
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加桑迪（Ｇａｓｓｅｎｄｉ）在１６３１年１１月７日第一次观测到了水星凌日。可是由于他的工具非常简陋，观测结果已毫无科学价值了。较好的观测是哈雷（Ｈａｌｌｅｙ）１６７７年在圣海伦岛（Ｓｔ．Ｈｅｌｅｎａ）上得到的。从此以后，这种凌日的观测就很有规律地继续了下来。
１９３７年５月１１日，水星擦过太阳南部边缘。在欧洲南部可见，但在美洲却在日出之前。
１９４０年１１月１０日，美国西部可见。
１９５３年１１月１４日，美国全境可见。
１６７７年以来，通过水星凌日的观测，人们发现了一件现在被称为水星轨道进动的有趣事实。令人不可思议的是，这颗行星的轨道居然是慢慢改变的！其主要原因一度被认为是其他已知行星的影响。但精密的理论计算表明，这并不是主要原因，水星近日点的变动比理论计算值更前进了４３角秒之多。这一点误差是１８４５年被勒威耶（Ｌｅｖｅｒｒｉｅｒ）发现的——他以在海王星发现之前，以数学方法计算其位置而闻名。勒威耶试图重现辉煌，预测说在太阳与水星之间还有一个行星，并取名为火神星。他计算出火神星会很罕见地越过太阳盘面（只有这时才有希望由它投在日面上的阴影来探测它）。但在１８７７年，刚巧在他预言的火神星越过日面之前，他去世了，或许这是一种幸运，他没有得知自己的失败。那一天所有的望远镜都对着太阳，但是火神星固执地拒不出现。另外，大约在１８６０年，法国一名乡间医生勒斯加波（Ｌｅｓｃａｒｂａｕｌｔ）用一架小望远镜观测了太阳表面，他宣称观测到期待中的那颗行星从太阳盘面上经过。而另一位较有经验的天文学家在同一天却只看到一颗平常的黑子。大概就是这黑子哄骗了那位医生天文学家。这风波过后的许多年内，有不少天文学家在好几个地点天天观测太阳，为太阳摄影，却一点也没有发现这一类东西的存在。
可是，我们仍然可以认为有些小行星在这区域中运行，只是它们太渺小了，因此经过太阳面时竟逃出了我们的视察。如果真是这样，它们的光亮一定完全被天光遮去，所以平常看不见。可是我们还有机会，就是在日全食的时候，天上一点别的光也没有，应该能看出来的。于是当日全食时就常有观测者来寻找它们，并且用上极有力的摄影仪。终结的答案毕竟在１９０１年日全食时得到了——那时在太阳附近拍摄到约５０颗星，其中有的只是８等星，但都是我们所已知的。因此大致可以肯定在水星轨道圈内决没有比８等星光更亮的行星了。像这样的小行星非有几十万颗是不能造成水星偏离轨道的。这么多的小行星定会把那一块天照明得比任何处天空都亮的。这结果可使我们得出结论来反对那种认为水星近日点移动是由于更内行星的见解了。要假定这颗内行星存在，除上述困难外还有一点，如果有这颗行星，它一定要使水星或金星（或两者兼有）的交点变动的。
水星凌日（2）
这个神秘的迷团，一直困扰着２０世纪初的天文学家，直到１９１６年，爱因斯坦提出了他的广义相对论。在牛顿的经典力学中，引力是两个具有质量的物体之间的互相吸引作用。但是爱因斯坦却凭直觉意识到，引力的作用比我们能想象的更有意思。
在说明水星轨道进动之前，先让我们先来做一个思想实验，来看一看爱因斯坦的“等价性原理”。
我们假定我们现在请了一个勇敢无畏的助手，然后，我们把他关到了一个与外界隔绝的小屋子里——为了消除他的寂寞，我们给了他一个小球。他发现，当他松开手让球自由下落的时候，小球相对地面运动的加速度是９．８米／秒２——根据这一点，他判断他是在地球上，因为这个加速度是地球的引力所引起的正常加速度。
然后，我们在他熟睡后把他送进了一架飞起来没有任何震动的飞船，船舱的布置则和那间小屋子完全一样。在他醒来之前，将飞船发射出去，并且让飞船以９．８米／秒２的加速度往外太空飞去。于是我们可以想象一下那个可怜虫醒来时的情况了——他同样的拿着小球，然后松开，发现小球相对地板还是９．８米／秒２的加速度。这时候，他立刻就得到了一个错误的结论，他以为他仍然在地球上呆着，而不是在遥远的外太空。
我们发现，实际上，从某个角度说，引力和加速度是可以互相替代的。如果我们选择一个合理的参照系，那引力就可以转化成一种局部的加速度——这与被吸引的物质是什么无关，而与空间本身有关——空间的不同部分，可能由于一个大质量的物体的存在，而拥有不同的等效加速度——于是，空间不再是牛顿经典体系中那种平坦的样子，而是被弯曲了。
在太阳附近，空间弯曲的程度比较明显。于是，水星在这个被太阳巨大引力而扭曲的空间中运行，就不再是沿严格的椭圆轨道，从而造成了水星轨道近日点的进动——按照广义相对论提出的公式，精密计算的结果恰好比按牛顿经典力学计算的结果多了４３秒，与实际观测到的情形相符合。这也证明了广义相对论的正确性。
金星
在天上所有的星状物体中，金星是最明亮的。只有太阳和月亮超过了它的光彩。在一个晴朗无月的晚间，它的光辉甚至可以照出影子来。如果观测者知道它的位置，又有一双好眼睛的话，在白昼当它接近子午圈时都能用肉眼看见——只要太阳不在它的附近。当它在太阳东面时，我们可以在西天望见它，日落之前它呈黯淡的光辉，随着日光减弱，它的光就增强起来。它在太阳西面时，就在太阳之前升起，出现在东天。在这两种不同情形下，它被称为昏星和晨星。当它是昏星时古人称它为Ｈｅｓｐｅｒｕｓ（长庚），晨星时则称为Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ（启明）。据说古人并不知道这两者原是一体。
即使用低倍率的望远镜观测金星也可以发现，它跟月亮一样有圆缺的位相变化。伽利略第一次将望远镜对准这颗行星时就看出了这一点，这使他更坚信了哥白尼（Ｃｏｐｅｒｎｉｃｕｓ）日心系统的正确性。他按当时的风俗，把这发现发表成为一个谜语：“爱的母亲正与Ｃｙｎｔｈｉａ争赛面相呢。”
我们说过水星的会合运动，金星的会合与其非常类似，因此不必敷述。图２６表示这颗行星在会合轨道中各部分所现的视在大小。当它由上合到下合时，圆盘逐渐增大，但我们不能见到其全部，它的照明了的表面也同时逐渐减小，渐成半月形，继成新月形，最后直到新月一般的下合期。在下合时，全黑暗面都对着我们，因此无法观测。金星最亮的时候是在它处于下合与大距的正中时。那时如在太阳之东，则比太阳晚两小时而沉没；若在西，则先于太阳两小时而上升。
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金星的自转
金星自转的问题自伽利略以来，就一直吸引了从天文学家到普通人的兴趣，但得到这问题的确切答案却颇费了一番周折。因为这颗行星具有很强的亮光，在望远镜中看来，也很难看到其表面清晰的痕迹。我们所能看见的，只是表面上略有明暗差异的一团亮光！在望远镜下观测金星，正像我们看一个磨得很光但略有点暗淡的金属球一样。虽然如此，还是有些观测者认为他们分出了明暗的斑点。远在１６６７年，卡西尼（Ｃａｓｓｉｎｉ）就根据这些假定的斑点断定，金星约在不到２４小时内绕轴自转一周。１８世纪中期意大利人布朗基尼（Ｂｌａｎｃｈｉｎｉ）发表一篇很长的论文讨论了这问题，文中还附了许多插图。他的结论是，金星要２４日以上才能绕轴自转一周。到了１８９０年，斯克亚巴列里则得到一个更为不同的结论，说金星绕轴自转周期与绕日公转周期相等。换句话说，金星只以一面对着太阳，正如同月亮只以一面对着地球一样。他每天观测若干小时，结果发现，金星南半球上有一些微小的点一直没有移动，而这一现象就推翻了金星一日左右自转一周的论调。罗尼尔在亚利桑那天文台仔细研究后，也赞同他的意见。
这些细心的观察者考查金星表面的特征后，所得关于自转周期的结论竟如此不同，这只有一种解释——这些特征实在都太不明显了。幸好现在我们有了威力强大的望远镜，才发现了事实的真相：金星自转比地球慢得多，一个金星日相当于２４３个地球日，比金星年还要稍长一些。金星两极并不存在像地球那样的扁率，地球的扁率是由于地球高速自转形成的，这也说明金星的自转比地球慢得多。另一个有趣的现象是，与地球相比，金星是倒转的，从金星北极看，它自转的方向为顺时针！此外，金星的自转周期又与它的轨道周期同步，所以当它与地球达到最近点时，总是以固定的一面朝着地球。
金星的大气
现在大家都已承认金星上包围着一层比地球更浓厚的大气。这是当１８８２年金星经过太阳表面时由本书著者在好望角（Ｃａｐｅ ｏｆ Ｇｏｏｄ Ｈｏｐｅ）观测到的一种值得注意而又有趣的情形。当这颗行星有一半多一点经过太阳面时，它的外边缘就变得明亮起来。这种变化却不从弧的中心点开始（那样是正常折光所应有的现象），反而始于靠近弧一头的某一点上。这种奇特的现象由普林斯顿（Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ）的罗素（Ｒｕｓｓｅｌｌ）解释了，他说那大气中蒸汽成分太多，因此我们不能由其中直接的折光而看到太阳光。我们所见到的只是飘在其大气中的一层照明了的云或蒸汽罢了。情形既然如此，地上的天文学家大概也就绝不能透过这些云去看见金星的固体本身了。因此那些假定的斑点也就只是永在变化的暂时的斑点了。
要表明那种甚至很敏锐的观测者都会被欺的幻象，我们不妨提出一件事实来。有些观测者都认为当金星下合时我们可以见其全面，它那时的状貌正如我们在新月初现时看我们的月亮一样，“新月在旧月的怀中”。月亮的那种情形，我们都知道可以看见的那黑暗半球是借助于地球的反光。但金星上却不会有地球或其他东西能反射充分的光上去的。有时有人解释这种现象，认为也许是金星上覆盖着一层磷光。但这还是归之于视觉的幻象为妙。这种现象是常在白昼看见的，那时天空非常明亮，那时磷火之类的微光是全不可见的。不论我们把这种光的来源归之于什么，它总应该在黄昏以后比在白昼更易看见的。事实上那时看不见，这就根本上取消了它的真实性了。
这情形证明了一条有名的心理学规律——如果经常能看见类似的事物时，想象常能生造出实际上不存在的事物。我们很习惯于看月亮上的情形，因此我们看金星时，也因大体现象相似而将那假定的相似情形不自知地加了进去。
约在１９２７年金星在有利的大距时，罗斯用威尔逊山天文台的大望远镜在红光及红外光下拍摄到金星照片。照片中金星的盘面是全白的。但用紫外光拍摄的却现出了清晰的斑纹——这还是第一次在这颗行星上清楚看见的。这是大气中的云纹，它们在日光透射到金星表面以前反射了大部分的紫外光。
在拍摄到的金星圆盘上两极有明亮的斑点，这与火星上的极冠（ｐｏｌａｒ ｃａｐｓ）有些相似，虽然比较短暂一些。经过圆面的黑带使人想到木星上的云带，同样的很快改变形状。
金星凌日
金星凌日是天文学中非常罕见的现象，因为平均起来要６０年一次。在过去及未来数百年中约有一循环周期，约为２４３年间发生４次。两次凌日之间的时间约为：１０５．５年一次，又８年一次，又１２１．５年一次，又８年一次，以后又１０５．５年一次再循环下去。金星凌日发生的日期如下：
１６３１年１２月７日 １６３９年１２月４日 １７６１年６月５日 １７６９年６月３日
１８７４年１２月９日 １８８２年１２月６日 ２００４年６月８日 ２０１２年６月６日
以前对于这种凌日所起的兴趣是因为假定可以借此有最好的方法确定地球太阳之间的距离。由于这种假定以及这种现象的稀罕，过去的几次凌日遂经过大规模的观测。在１７６１年及１７６９年，重要的沿海国家都派一些观测者到世界各地去记录金星进入太阳圆面以及离开的准确时刻。在１８７４年及１８８２年，美、英、德、法都组织了大规模的远征队观测团。在这些机会的第一次中，美国观测团北方分布于中国、日本、东西伯利亚，南方分布于澳大利亚、新西兰岛等地。在１８８２年就用不着到这些地方远征了，因为在美国也可看得见凌日。南半球上就在好望角等处观测。这些次的观测对于确定金星的未来运动是很有价值的，但是后来有了更可靠的方法，因此在这一方面反而没有什么伟大价值了。
火星
近几年来各个国家在火星上集中了无比空前的兴趣。人类航天史开始以来，第一次有两架火星车同时在火星表面行驶。人们对火星的兴趣主要来源于它跟我们地球的巨大相似。它的大气、气候以及其他可注意的特点都使我们关心在那上面可能存在的原始生命。现在我来尽力说一些关于这方面我们实际已有的知识——从这些，我们仅仅能判定火星表面目前没有生命存在。至于其地表和极冠中是否可能有原始的细菌，则需要等待进一步对火星的深入考察——但是可以确定的是，和曾经人们所猜测的不同，火星上是没有智慧生物的。
我们先说一些琐细的特点，这可以帮助我们认识这颗行星。它的公转周期是６８７日或者说两年不到４３日。如果这周期是恰好两年，火星就要在地球公转两次的时间作一次公转，而我们也会十分规律地隔两年见一次火星的冲了。但因为它走得比这快些，地球就需要一两个月的时光去追上它，所以，冲就要隔两年零一两个月一次了。这多出的一两个月在八次冲以后集成一年；因此，过了１５年或１７年以后，火星的冲又回到同一天而在轨道中所占的位置也差不多还原了。在这期间内地球已公转１５次或１７次，而火星只有###次。
这两次冲相隔时间一月左右的差异是因为其轨道的极大的偏心率。在这一方面除了水星外没有一颗大行星能比得上。它的值是０．０９３，或说将近十分之一。因此，当它在近日点时差不多离太阳比平均距离要近十分之一，而在远日点时也差不多要远十分之一。它在冲位时对地球的距离也有很多的不同，因此在近日点和远日点的冲就有更大的不同了。如果冲时火星位置在近日点附近，火星与地球间距离小得只有５ ６００万千米；但在远日点时却比９ ６００万千米还要多。结果便是，在有利观测的冲位时（这只能在###月中）要比在不利的冲位时（在二三月中）更亮３倍以上。
当火星接近冲位时是很易认出的，一则因它的光特强，一则因它的光显红色，这是跟大多数亮星很不同的。在望远镜中看它倒并没有肉眼看它有那么动人的红光，这是很奇怪的。
火星的表面及自转
惠更斯（Ｈｕｙｇｅｎｓ）约在１６５９年第一个从望远镜中认出火星表面的变化的特性，并且为它画了一幅画。他所画出的特点到今日还能认出并且是被认为正确的。仔细观察这些细节可以使人们很容易看出这颗行星绕轴自转一周约需比我们的一天略长一点（２４小时３７分）。
这自转周期比任何其他行星（地球除外）的都算得更为精确。二百多年来火星都恪守这一周期自转，我们也还没有理由假定将来会有可见的变动。这时间跟我们的一日这样相近，其相差又只是多出３７分钟，结果便是在连续的夜里的同一小时内，火星差不多是以同一面对着地球的。可是毕竟因为多出了一点，每天夜间要见它较前落后一点，因此在４０日后我们已见到它全面各部对着地球了。
所有已知的火星表面情形都可在一幅图中表明——其明暗区域以及平常总可看见的包着它两极的白冠。当一极偏向我们因此也偏向太阳时，这白冠就逐渐减小，远离太阳时又加大。加大的情形是地上看不见的，但当它再现时却可看出比原先大了。火星北极冠直径１ ０００千米至２ ０００千米，厚度为４千米至６千米，扩展至北纬７５度附近。各种已经发射的火星探测器发回的图像资料表明：火星上季节性的极冠是由大气中的二氧化碳凝结而成，而长年存在的极冠主要是由水冷凝而成，温度在－７０℃
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