第四章　事物的測(cè)定

大自然和大自然的法則藏匿于黑夜之中；上帝說，讓牛頓出世吧！于是世界一片光明——亞歷山大·蒲珀

要是讓你挑出有史以來最不愉快的實(shí)地科學(xué)考察，你肯定很難挑得出比1735年法國(guó)皇家科學(xué)院的秘魯遠(yuǎn)征更加倒霉的。在一位名叫皮埃爾·布格的水文工作者和一位名叫查理·瑪麗·孔達(dá)米納的軍人數(shù)學(xué)家的率領(lǐng)下，一個(gè)由科學(xué)家和冒險(xiǎn)家組成的小組前往秘魯，旨在用三角測(cè)量法測(cè)定穿越安第斯山脈的距離。

那個(gè)時(shí)候，人們感染上了一種了解地球的強(qiáng)烈欲望 ——想要確定地球有多大年齡，多少體積，懸在宇宙的哪個(gè)部分，是怎樣形成的。法國(guó)小組的任務(wù)是要沿著一條直線，從基多附近的雅羅基開始，到如今位于厄瓜多爾的昆卡過去一點(diǎn)，測(cè)量1度經(jīng)線（即地球圓周的三百六十分之一）的長(zhǎng)度，全長(zhǎng)約為320公里，從而幫助解決這顆行星的周長(zhǎng)問題。

事情幾乎從一開始就出了問題，有時(shí)候還是令人瞠目的大問題。在基多，訪客們不知怎的激怒了當(dāng)?shù)厝耍皇帜檬^的暴民攆出了城。過不多久，由于跟某個(gè)女人產(chǎn)生誤解，測(cè)量小組的一名醫(yī)生被謀殺。組里的植物學(xué)家精神錯(cuò)亂。其他人或發(fā)熱死去，或墜落 喪命。考察隊(duì)的第三號(hào)人物——一個(gè)名叫讓·戈丁的男人——跟一位13歲的姑娘私奔，怎么也勸不回來。

測(cè)量小組有一次不得不停止工作8個(gè)月；同時(shí)，孔達(dá)米納騎馬去利馬，解決一個(gè)許可證問題。他最后和布格互不說話，拒絕合作。這個(gè)人數(shù)越來越少的測(cè)量小組每到一處都讓當(dāng)?shù)毓賳T們心存狐疑。他們很難相信，這批法國(guó)科學(xué)家為了測(cè)量世界而會(huì)繞過半個(gè)地球。這根本說不通。兩個(gè)半世紀(jì)以后，這似乎仍是個(gè)很有道理的問題。法國(guó)人犯不著吃那么多苦頭跑到安第斯山脈，干嗎不就在法國(guó)搞測(cè)量？

一方面，這是因?yàn)?8世紀(jì)的科學(xué)家，尤其是法國(guó)科學(xué)家，辦事很少用簡(jiǎn)單的辦法。另一方面，這與一個(gè)實(shí)際問題有關(guān)。這個(gè)問題起源于多年以前——早在布格和孔達(dá)米納夢(mèng)想去南美洲之前，更不用說有理由這么做之前——英國(guó)天文學(xué)家埃德蒙·哈雷。

哈雷是個(gè)不同凡響的人物。在漫長(zhǎng)而又多產(chǎn)的生涯中，他當(dāng)過船長(zhǎng)、地圖繪制員、牛津大學(xué)幾何學(xué)教授、皇家制幣廠副廠長(zhǎng)、皇家天文學(xué)家，是深海潛水鐘的發(fā)明人。他寫過有關(guān)磁力、潮汐和行星運(yùn)動(dòng)方面的權(quán)威文章，還天真地寫過關(guān)于鴉片的效果的文章。他發(fā)明了氣象圖和運(yùn)算表，提出了測(cè)算地球的年齡和地球到太陽的距離的方法，甚至發(fā)明了一種把魚類保鮮到淡季的實(shí)用方法。他惟一沒有干過的就是發(fā)現(xiàn)那顆冠以他名字的彗星。他只是承認(rèn)，他在1682年見到的那顆彗星，就是別人分別在1456年、1531年和1607年見到的同一顆彗星。

這顆彗星直到1758年才被命名為哈雷彗星，那是在他去世大約16年之后。

然而，盡管他取得了這么多的成就，但他對(duì)人類知識(shí)的最大貢獻(xiàn)也許只在于他參加了一次科學(xué)上的打賭。賭注不大，對(duì)方是那個(gè)時(shí)代的另外兩位杰出人物。一位是羅伯特·胡 克，人們現(xiàn)在記得最清楚的興許是他描述了細(xì)胞；另一位是偉大而又威嚴(yán)的克里斯托弗·雷恩爵士，他起先其實(shí)是一位天文學(xué)家，后來還當(dāng)過建筑師，雖然這一點(diǎn)人們現(xiàn)在往往不大記得。

1683年，哈雷、胡 克和雷恩在倫敦吃飯，突然間談話內(nèi)容轉(zhuǎn)向天體運(yùn)動(dòng)。據(jù)認(rèn)為，行星往往傾向于以一種特殊的卵行線即以橢圓形在軌道上運(yùn)行——用理查德·費(fèi)曼的話來說，"一條特殊而精確的曲線"——但不知道什么原因。雷恩慷慨地提出，要是他們中間誰能找到個(gè)答案，他愿意發(fā)給他價(jià)值40先令（相當(dāng)于兩個(gè)星期的工資）的獎(jiǎng)品。

胡 克以好大喜功聞名，盡管有的見解不一定是他自己的。他聲稱他已經(jīng)解決這個(gè)問題，但現(xiàn)在不愿意告訴大家，他的理由有趣而巧妙，說是這么做會(huì)使別人失去自己找出答案的機(jī)會(huì)。因此，他要"把答案保密一段時(shí)間，別人因此會(huì)知道怎么珍視它"。沒有跡象表明，他后來有沒有再想過這件事。可是，哈雷著了迷，一定要找到這個(gè)答案，還于次年前往劍橋大學(xué)，冒昧拜訪該大學(xué)的數(shù)學(xué)教授艾薩克·牛頓，希望得到他的幫助。

牛頓絕對(duì)是個(gè)怪人——他聰明過人，而又離群索居，沉悶無趣，敏感多疑，注意力很不集中（據(jù)說，早晨他把腳伸出被窩以后，有時(shí)候突然之間思潮洶涌，會(huì)一動(dòng)不動(dòng)地坐上幾個(gè)小時(shí)），干得出非常有趣的怪事。他建立了自己的實(shí)驗(yàn)室，也是劍橋大學(xué)的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，但接著就從事異乎尋常的實(shí)驗(yàn)。有一次，他把一根大針眼縫針——一種用來縫皮革的長(zhǎng)針——插進(jìn)眼窩，然后在"眼睛和盡可能接近眼睛后部的骨頭之間"揉來揉去，目的只是為了看看會(huì)有什么事發(fā)生。結(jié)果，說來也奇怪，什么事兒也沒有——至少?zèng)]有產(chǎn)生持久的后果。另一次，他瞪大眼睛望著太陽，能望多久就望多久，以便發(fā)現(xiàn)對(duì)他的視力有什么影響。他又一次沒有受到嚴(yán)重的傷害，雖然他不得不在暗室里待了幾天，等著眼睛恢復(fù)過來。

與他的非凡天才相比，這些奇異的信念和古怪的特點(diǎn)算不了什么——即使在以常規(guī)方法工作的時(shí)候，他也往往顯得很特別。在學(xué)生時(shí)代，他覺得普通數(shù)學(xué)局限性很大，十分失望，便發(fā)明了一種嶄新的形式——微積分，但有27年時(shí)間對(duì)誰也沒有說起過這件事。他以同樣的方式在光學(xué)領(lǐng)域工作，改變了我們對(duì)光的理解，為光譜學(xué)奠定了基礎(chǔ)，但還是過了30年才把成果與別人分享。

盡管他那么聰明，真正的科學(xué)只占他興趣的一部分。他至少有一半工作年齡花在煉金術(shù)和反復(fù)無常的宗教活動(dòng)方面。這些活動(dòng)不是涉獵，而是全身心地?fù)淞诉M(jìn)去。他偷偷信仰一種很危險(xiǎn)的名叫阿里烏斯教的異教。該教的主要教義是認(rèn)為根本沒有三位一體（這有點(diǎn)兒諷刺意味，因?yàn)榕ｎD的工作單位就是劍橋大學(xué)的三一學(xué)院）。他花了無數(shù)個(gè)小時(shí)來研究耶路撒冷不復(fù)存在的所羅門王神殿的平面圖（在此過程中自學(xué)了希伯來語，以便閱讀原文作品），認(rèn)為自己掌握著數(shù)學(xué)方面的線索，知道基督第二次降臨和世界末日的日期。他對(duì)煉金術(shù)同樣無比熱心。1936年，經(jīng)濟(jì)學(xué)家約翰·梅納德在拍賣會(huì)上購得一箱子牛頓的文件，吃驚地發(fā)現(xiàn)那些材料絕大部分與光學(xué)或行星運(yùn)動(dòng)沒有任何關(guān)系，而是些有關(guān)他潛心探索把低賤金屬變成貴重金屬的資料。20世紀(jì)70年代，人們通過分析牛頓的一綹頭發(fā)發(fā)現(xiàn)，里面含有汞——這種元素，除了煉金術(shù)士、制帽商和溫 度計(jì)制造商以外，別人幾乎不會(huì)感興趣——其濃度大約是常人的40倍。他早晨有想不到起床 的毛病，這也許是不足為怪的。

1684年8月，哈雷不請(qǐng)自來，登門拜訪牛頓。他指望從牛頓那里得到什么幫助，我們只能猜測(cè)。但是，多虧一位牛頓的密友——亞伯拉罕·棣莫佛后來寫的一篇敘述，我們才有了一篇有關(guān)科學(xué)界一次最有歷史意義的會(huì)見的記錄：

1684年，哈雷博士來劍橋拜訪。他們?cè)谝黄鸫艘粫?huì)兒以后，博士問他，要是太陽的引力與行星離太陽距離的平方成反比，他認(rèn)為行星運(yùn)行的曲線會(huì)是什么樣的。

這里提到的是一個(gè)數(shù)學(xué)問題，名叫平方反比律。哈雷堅(jiān)信，這是解釋問題的關(guān)鍵，雖然他對(duì)其中的奧妙沒有把握。

艾薩克·牛頓馬上回答說，會(huì)是一個(gè)橢圓。博士又高興又驚訝，問他是怎么知道的。"哎呀，"他說，"我已經(jīng)計(jì)算過。"接著，哈雷博士馬上要他的計(jì)算材料。艾薩克爵士在材料堆里翻了一會(huì)兒，但是找不著。

這是很令人吃驚的——猶如有人說他已經(jīng)找到了治愈癌癥的方法，但又記不清處方放在哪里了。在哈雷的敦促之下，牛頓答應(yīng)再算一遍，便拿出了一張紙。他按諾言做了，但做得要多得多。有兩年時(shí)間，他閉門不出，精心思考，涂涂畫畫，最后拿出了他的杰作：《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，更經(jīng)常被稱之為《原理》。

極其偶然，歷史也只有過幾次吧，有人作出如此敏銳而又出人意料的觀察，人們無法確定究竟哪個(gè)更加驚人——是那個(gè)事實(shí)還是他的思想?！对怼返膯柺谰褪沁@樣的一個(gè)時(shí)刻。

它頓時(shí)使牛頓聞名遐邇。在他的余生里，他將生活在贊揚(yáng)聲和榮譽(yù)堆里，尤其成了英國(guó)因科學(xué)成就而被封為爵士的第一人。連偉大的德國(guó)數(shù)學(xué)家戈特弗里德·萊布尼茲也認(rèn)為，他對(duì)數(shù)學(xué)的貢獻(xiàn)比得上在他之前的所有成就的總和，盡管在誰先發(fā)明微積分的問題上，牛頓曾跟他進(jìn)行過長(zhǎng)期而又激烈的斗爭(zhēng)。"沒有任何凡人比牛頓本人更接近神。"哈雷深有感觸地寫道。他的同時(shí)代人以及此后的許多別人對(duì)此一直懷有同感。

《原理》一直被稱為"最難看懂的書之一"（牛頓故意把書寫得很難，那樣就不會(huì)被他所謂的數(shù)學(xué)"門外漢"糾纏不休），但對(duì)看得懂的人來說，它是一盞明燈。它不僅從數(shù)學(xué)的角度解釋了天體的軌道，而且指出了使天體運(yùn)行的引力——萬有引力。突然之間，宇宙里的每種運(yùn)動(dòng)都說得通了。

《原理》的核心是牛頓的三大運(yùn)動(dòng)定律（定律非常明確地指出，物體朝著推力的方向運(yùn)動(dòng)；它始終做直線運(yùn)動(dòng)，直到某種別的力起了作用，使它慢下來或改變它的方向；每個(gè)作用都有相等的反作用）以及他的萬有引力定律。這說明，宇宙里的每個(gè)物體都吸引每個(gè)別的物體。這似乎不大可能，但當(dāng)你在這里坐著的時(shí)候，你在用你自己小小的（的確很小）引力場(chǎng)吸引你周圍的一切事物——墻壁、天花板、燈、寵物貓。而這些東西也在吸引你。是牛頓認(rèn)識(shí)到，任何兩個(gè)物體的引力，再用費(fèi)曼的話來說，"與每個(gè)物體的質(zhì)量成正比，以兩者之間距離的平方反比來變化"。換一種說法，要是你將兩個(gè)物體之間的距離翻一番，兩者之間的引力就弱4倍。這可以用下面的公式來表示：f=g

這個(gè)公式對(duì)我們大多數(shù)人來說當(dāng)然是根本沒有實(shí)際用途的，但至少我們欣賞它的優(yōu)美，它的簡(jiǎn)潔。無論你走到哪里，只要做兩個(gè)快速的乘法，一個(gè)簡(jiǎn)單的除法，嘿，你就知道你的引力狀況。這是人類提出的第一個(gè)真正有普遍意義的自然定律，也是牛頓到處深受人們尊敬的原因。

《原理》的產(chǎn)生不是不帶戲劇性的。令哈雷感到震驚的是，當(dāng)這項(xiàng)工作快要完成的時(shí)候，牛頓和胡 克為誰先發(fā)明了平方反比定律吵了起來，牛頓拒絕公開關(guān)鍵的第三卷，而沒有這一卷，前面兩卷就意義不大。只是在進(jìn)行了緊張的穿梭外交 ，說了許多好話以后，哈雷才最后設(shè)法從那位脾氣怪僻的教授那里索得了最后一卷。

哈雷的煩惱并沒有完全結(jié)束。英國(guó)皇家學(xué)會(huì)本來答應(yīng)出版這部作品，但現(xiàn)在打了退堂鼓，說是財(cái)政有困難。前一年，該學(xué)會(huì)曾經(jīng)為《魚類史》下了賭注，該書成本很高，結(jié)果賠了老本；他們擔(dān)心一本關(guān)于數(shù)學(xué)原理的書不會(huì)有多大銷路。哈雷盡管不很富裕，還是自己掏錢支付了這本書的出版費(fèi)用。和以往一樣，牛頓分文不出。更糟糕的是，哈雷這時(shí)候剛剛接受學(xué)會(huì)的書記員的職位，他被告知，學(xué)會(huì)已經(jīng)無力給他答應(yīng)過的50英鎊年薪，只能用幾本《魚類史》來支付。

牛頓定律解釋了許許多多事情——海洋里潮水的飛濺和翻騰；行星的運(yùn)動(dòng)；為什么炮彈著地前沿著一條特定的彈道飛行；雖然我們腳下的行星在以每小時(shí)幾百公里的速度旋轉(zhuǎn)，為什么我們沒有被甩進(jìn)太空——這些定律的全部意義要費(fèi)好大工夫才能領(lǐng)會(huì)。但是，它們揭示的事實(shí)幾乎馬上引發(fā)了爭(zhēng)議。

這意味著，地球不是滴溜滾圓的。根據(jù)牛頓的學(xué)說，地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，造成兩極有點(diǎn)扁平，赤道有點(diǎn)鼓起。因此，這顆行星稍稍呈扁圓形。這意味著，1度經(jīng)線的長(zhǎng)度，在意大利和蘇格蘭是不相等的。說得確切一點(diǎn)，離兩極越遠(yuǎn)，長(zhǎng)度越短。這對(duì)那些認(rèn)為地球是個(gè)滴溜滾圓的球體，并以此來測(cè)量這顆行星的人來說不是個(gè)好消息。那些人就是大家。

在半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，人們想要測(cè)算出地球的大小，大多使用很嚴(yán)格的測(cè)量方法。最先做這種嘗試的人當(dāng)中有一位英國(guó)數(shù)學(xué)家，名叫理查德·諾伍德。諾伍德在年輕時(shí)代曾帶著個(gè)按照哈雷的式樣制作的潛水鐘去過百慕大，想要從海底撈點(diǎn)珍珠發(fā)大財(cái)。這個(gè)計(jì)劃沒有成功，因?yàn)槟抢餂]有珍珠，而且諾伍德的潛水鐘也不靈，但浪費(fèi)一次經(jīng)歷的也不止諾伍德一個(gè)人。17世紀(jì)初，百慕大在船長(zhǎng)中間以難以確定位置著稱。問題是海洋太大，百慕大太小，用來解決這個(gè)差異的航海儀器嚴(yán)重不足。連1海里的長(zhǎng)度還都說法不一。關(guān)于海洋的寬度，最細(xì)小的計(jì)算錯(cuò)誤也會(huì)變得很大，因此船只往往以極大的誤差找不到百慕大這樣大小的目標(biāo)。諾伍德愛好三角學(xué)，因此也愛好三角形，他想在航海方面用上一點(diǎn)數(shù)學(xué)，于是決定計(jì)算1度經(jīng)線的長(zhǎng)度。

諾伍德背靠著倫敦塔踏上了征途，歷時(shí)兩年向北走了450公里來到約克，一邊走一邊不停地拉直和測(cè)量一根鏈子。在此過程中，他考慮到土地的起伏、道路的彎曲，始終一絲不茍地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。最后一道工序，是在一年的同一天，一天的同一時(shí)間，在約克測(cè)量太陽的角度。他已經(jīng)在倫敦做完第一次測(cè)量。根據(jù)這次測(cè)量，他推斷，他可以得出地球1度經(jīng)線的長(zhǎng)度，從而計(jì)算出地球的整個(gè)周長(zhǎng)。這幾乎是一項(xiàng)雄心勃勃的工作——1度的長(zhǎng)度只要算錯(cuò)一點(diǎn)兒，整個(gè)長(zhǎng)度就會(huì)相差許多公里——但實(shí)際上，就像諾伍德自豪地竭力聲稱的那樣，他的計(jì)算非常精確，相差"微乎其微"——說得更確切一點(diǎn)，相差不到550米。以米制來表達(dá)，他得出的數(shù)字是每度經(jīng)線的長(zhǎng)度為110.72公里。

1637年，諾伍德一部在航海方面的杰作《水手的實(shí)踐》出版，立即贏得一批讀者。它再版了17次，他去世25年以后仍在印刷。諾伍德攜家人回到了百慕大，成為一名成功的種植園主，空閑時(shí)間便以他心愛的三角學(xué)來消遣。他在那里活了38年。要是對(duì)大家說，他這38年過得很幸福，受到了人們的敬仰，大家一定會(huì)很高興。但是，實(shí)際上并非如此。在離開英格蘭以后的航行途中，他兩個(gè)年幼的兒子跟納撒尼爾·懷特牧師同住一個(gè)船艙，不知怎的讓這位年輕的牧師深受精神創(chuàng)傷，在他余生的許多時(shí)間里會(huì)想方設(shè)法來找諾伍德的麻煩。

諾伍德的兩個(gè)女兒的婚姻都不盡如人意，給她們的父親帶來了額外的痛苦。有個(gè)女婿可能受那位牧師的唆使，不斷為了小事去法院控告諾伍德，惹得他非常氣憤，還不得不經(jīng)常去百慕大的那一頭為自己辯護(hù)。最后，在17世紀(jì)50年代，百慕大開始流行審訊巫師，諾伍德提心吊膽地度過了最后的歲月，擔(dān)心自己那些帶有神秘符號(hào)的三角學(xué)論文會(huì)被看做在跟魔鬼交 流，自己會(huì)被可怕地判處死刑。我們對(duì)諾伍德的情況知之甚少，反正他在不愉快環(huán)境中度過了晚年，實(shí)際上也許是活該?？隙]錯(cuò)的是，他的晚年確實(shí)是這樣度過的。

與此同時(shí)，測(cè)定地球周長(zhǎng)的勢(shì)頭已經(jīng)到達(dá)法國(guó)。在那里，天文學(xué)家讓·皮卡爾發(fā)明了一種極其復(fù)雜的三角測(cè)繪法，用上了扇形板、擺鐘、天頂象限儀和天文望遠(yuǎn)鏡（用來觀察土星衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)）。他花了兩年時(shí)間穿越法國(guó)，用三角測(cè)繪法進(jìn)行測(cè)量；之后，他宣布了一個(gè)更加精確的測(cè)量結(jié)果：1度經(jīng)線為110.46公里。法國(guó)人為此感到非常自豪，但這個(gè)結(jié)果是建立在地球是個(gè)圓球這個(gè)假設(shè)上的——而現(xiàn)在牛頓說地球不是這種形狀的。

更為復(fù)雜的是，皮卡爾死后，喬瓦尼和雅克·卡西尼父子在更大的區(qū)域內(nèi)重復(fù)了皮卡爾的實(shí)驗(yàn)。他們得出的結(jié)果顯示，地球鼓起的地方不是在赤道，而是在兩極——換句話說，牛頓完全錯(cuò)了。正因?yàn)槿绱耍茖W(xué)院才派遣布格和孔達(dá)米納去南美洲重新測(cè)量。

他們選擇了安第斯山脈，因?yàn)樗麄冃枰獪y(cè)量靠近赤道的地方，以確定那里的圓度是否真有差異，還因?yàn)樗麄冋J(rèn)為山區(qū)的視野比較開闊。實(shí)際上，秘魯?shù)拇笊浇?jīng)常云霧籠罩，這個(gè)小組常常不得不等上幾個(gè)星期，才等得上一個(gè)小時(shí)的晴天來進(jìn)行測(cè)量。不僅如此，他們選了個(gè)地球上幾乎最難對(duì)付的地形。秘魯人稱這種地形是"非常少見"的——這話絕對(duì)沒錯(cuò)兒。兩個(gè)法國(guó)人不僅不得不翻越幾座世界上最具挑戰(zhàn)性的大山——連他們的騾子也過不去的大山——而且，若要抵達(dá)那些大山，他們不得不涉過幾條湍急的河流，鉆過密密的叢林，穿越幾公里高高的卵石沙漠，這些地方在地圖上幾乎沒有標(biāo)記，遠(yuǎn)離供給來源。但是，布格和孔達(dá)米納是堅(jiān)忍不拔的人。他們不屈不撓，不怕風(fēng)吹日曬，堅(jiān)持執(zhí)行任務(wù)，度過了漫長(zhǎng)的九年半時(shí)間。在這個(gè)項(xiàng)目快要完成的時(shí)候，他們突然得到消息，說另一個(gè)法國(guó)考察隊(duì)在斯堪的納維亞半島北部進(jìn)行測(cè)量（面對(duì)自己的艱難困苦，從寸步難行的沼澤地，到危機(jī)四伏的浮冰），發(fā)現(xiàn)1度經(jīng)線在兩極附近果真要長(zhǎng)，正如牛頓斷言的那樣。地球在赤道地區(qū)的測(cè)量結(jié)果，要比環(huán)繞兩極從上到下測(cè)量的結(jié)果厚出43公里。

因此，布格和孔達(dá)米納花了將近10年時(shí)間，得出了一個(gè)他們不希望得出的結(jié)果，而且發(fā)現(xiàn)這個(gè)結(jié)果還不是他們第一個(gè)得出的。他們沒精打采地結(jié)束了測(cè)量工作，只是證明第一個(gè)法國(guó)小組是正確的。然后，他們依然默不作聲地回到海邊，分別乘船踏上了歸途。

牛頓在《原理》中作的另一個(gè)推測(cè)是：一根掛在大山附近的鉛錘線，會(huì)受到大山和地球引力質(zhì)量的影響，稍稍向著大山傾斜。這個(gè)推測(cè)很有意思。要是你精確測(cè)量那個(gè)偏差，計(jì)算大山的質(zhì)量，你可以算出萬有引力的常數(shù)——即引力的基本值，叫做g——同時(shí)還可以算出地球的質(zhì)量。

布格和孔達(dá)米納在秘魯?shù)臍J博拉索山做過這種試驗(yàn)，但是沒有成功，一方面是因?yàn)榧夹g(shù)難度很大，一方面是因?yàn)樗麄儍?nèi)部吵得不可開交 。因此，這件事被暫時(shí)擱置下來，30年后才在英國(guó)由皇家天文學(xué)家內(nèi)維爾·馬斯基林重新啟動(dòng)。達(dá)娃·索貝爾在她的暢銷書《經(jīng)線》中，把馬斯基林說成是個(gè)傻瓜和壞蛋，不會(huì)欣賞鐘匠約翰·哈里森的卓越才華，這話也許沒錯(cuò)兒。但是，我們要在她書里沒有提到的其他方面感激馬斯基林，尤其要感激他制定了稱地球質(zhì)量的成功方案。

馬斯基林意識(shí)到，問題的關(guān)鍵在于找到一座形狀規(guī)則的山，能夠估測(cè)它的質(zhì)量。在他的敦促之下，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)同意聘請(qǐng)一位可靠的人去考察英倫三島，看看能否找到這樣的一座山。馬斯基林恰好認(rèn)識(shí)這樣的一個(gè)人——天文學(xué)家和測(cè)量學(xué)家查爾斯·梅森。馬斯基林和梅森11年前已經(jīng)成為朋友，他們?cè)粔K兒承擔(dān)一個(gè)測(cè)量一起重大天文事件的項(xiàng)目：金星凌日現(xiàn)象。不知疲倦的埃德蒙·哈雷幾年前已經(jīng)建議，要是在地球上選定幾個(gè)位置測(cè)量一次這種現(xiàn)象，你就可用三角測(cè)繪法的定律來計(jì)算地球到太陽的距離，并由此計(jì)算出到太陽系所有其他天體的距離。

不幸的是，所謂的金星凌日是一件不規(guī)則的事。這一現(xiàn)象結(jié)對(duì)而來，相隔8年，然后一個(gè)世紀(jì)甚至更長(zhǎng)時(shí)間都不發(fā)生一次。在哈雷的生命期里不會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。1但是，這個(gè)想法一直存在。1761年，在哈雷去世將近20年以后，當(dāng)下一次凌日準(zhǔn)時(shí)來到的時(shí)候，科學(xué)界已經(jīng)作好準(zhǔn)備工作——準(zhǔn)備得比觀測(cè)以往任何一次天文現(xiàn)象都要充分。

憑著吃苦的本能——這是那個(gè)時(shí)代的特點(diǎn)——科學(xué)家們奔赴全球100多個(gè)地點(diǎn)——其中有俄羅斯西伯利亞、中國(guó)、南非、印度尼西亞以及美國(guó)威斯康星州的叢林。法國(guó)派出了32名觀測(cè)人員，英國(guó)18名，還有來自瑞典、俄羅斯、意大利、德國(guó)、冰島等國(guó)的觀測(cè)人員。

這是歷史上第一次國(guó)際合作的科學(xué)活動(dòng)，但它幾乎到處困難重重。許多觀測(cè)人員遇上了戰(zhàn)爭(zhēng)、疾病或海難。有的抵達(dá)了目的地，但打開箱子一看，只見儀器已經(jīng)破碎或被熱帶的灼人的陽光烤彎。法國(guó)人似乎命中注定要再一次遭遇倒霉的厄運(yùn)。讓·沙佩乘馬車呀，乘船呀，乘雪橇呀，花了幾個(gè)月才到達(dá)西伯利亞，每一顛簸都得小心護(hù)著容易損壞的儀器。最后只剩下關(guān)鍵的一段行程，卻被一條漲水的河流擋住了去路。原來，就在他到達(dá)前不久，當(dāng)?shù)叵铝艘粓?chǎng)罕見的春雨。當(dāng)?shù)厝笋R上歸罪于他，因?yàn)樗麄兛吹剿压殴值膬x器對(duì)準(zhǔn)天空。沙佩設(shè)法逃得性命，但沒有進(jìn)行任何有意義的測(cè)量工作。

更倒霉的是紀(jì)曉姆·讓蒂，他的經(jīng)歷蒂姆西·費(fèi)里斯在《在銀河系里成長(zhǎng)》一書里作了精彩而簡(jiǎn)要的描述。讓蒂提前一年從法國(guó)出發(fā)，打算在印度觀測(cè)這次凌日現(xiàn)象，但遇到了種種挫折，發(fā)生凌日的那一天還在海上——這幾乎是最糟糕的地方，因?yàn)闇y(cè)量需要保持平穩(wěn)狀態(tài)，而這在顛簸的船上根本無法做到。

讓蒂并不氣餒，繼續(xù)前往印度，等待1769年的下一次凌日現(xiàn)象。他有8年的準(zhǔn)備時(shí)間，因此建立了一個(gè)一流的觀察站，他一次又一次測(cè)試他的儀器，把準(zhǔn)備工作做得完美無缺。1769年6月4日是發(fā)生第二次凌日現(xiàn)象的日子。早晨醒來，他看到是個(gè)艷陽天；但是，正當(dāng)金星從太陽表面通過的時(shí)候，一朵烏云擋住了太陽，在那里停留了3小時(shí)14分7秒的時(shí)間，等到云開霧散，金星凌日的過程已經(jīng)結(jié)束了。

讓蒂大失所望地收拾儀器，前往最近的港口，途中患了痢疾，有將近一年時(shí)間臥床 不起。他不顧身體依然虛弱，最后登上了一條船。這條船在非洲近海的一次颶風(fēng)中幾乎失事。出門十一年半以后，他終于回到家里。他一無所獲，卻發(fā)現(xiàn)他的親戚已經(jīng)宣布他死亡，爭(zhēng)先恐后地奪走了他的財(cái)產(chǎn)。

比較而言，英國(guó)派到各地的18名觀測(cè)人員所經(jīng)歷的失望就不算一回事。梅森與一位名叫杰里邁亞·狄克遜的年輕測(cè)量員搭檔，相處得顯然不錯(cuò)，兩人還結(jié)成了持久的伙伴關(guān)系。他們奉命去印度后西遷蘇門答臘，在那里繪制凌日?qǐng)D。但他們的船出海的第二天晚上就受到了一條法國(guó)護(hù)衛(wèi)艦的攻擊。（盡管科學(xué)家們處于一種國(guó)際合作的心態(tài)之中，但國(guó)家并非如此。）梅森和狄克遜給皇家學(xué)會(huì)發(fā)了一封短信，說看來公海上非常危險(xiǎn)，不知道整個(gè)計(jì)劃是不是應(yīng)該取消。他們很快收到一封令人寒心的回信，信中先是對(duì)他們一頓臭罵，然后又說他們已經(jīng)拿了錢，國(guó)家和科學(xué)界都對(duì)他們寄予希望，他們不把計(jì)劃進(jìn)行下去就會(huì)令國(guó)人顏面掃地。

他們改變了想法，繼續(xù)往前駛?cè)?，但途中傳來消息說，蘇門答臘已經(jīng)落入法國(guó)人之手。因此，他們最終是在好望角觀測(cè)這次凌日現(xiàn)象的，效果很不好?；貒?guó)途中，他們來到大西洋一個(gè)孤零零的小島——圣赫勒拿島上，作了短暫停留，在那里遇上了馬斯基林。由于烏云覆蓋，馬斯基林的觀測(cè)工作無法進(jìn)行。梅森和馬斯基林建立起了牢固的友誼，一起繪制潮流圖，度過了幾周快活的，甚至是比較有意義的日子。

此后不久，馬斯基林回到英國(guó)，成為皇家天文學(xué)家，而梅森和狄克遜——這時(shí)候顯然更加成熟——啟程前往美洲，度過漫長(zhǎng)而時(shí)常是險(xiǎn)象環(huán)生的4年。他們穿越393公里危險(xiǎn)的荒原，一路上搞測(cè)量工作，以解決威廉·佩恩和巴爾的摩勛爵兩人地產(chǎn)之間的以及他們各自殖民地——賓夕法尼亞和馬里蘭——之間的邊界糾紛。結(jié)果就是那條著名的梅森-狄克遜線。后來，這條線象征性地被看做是美國(guó)奴隸州和自由 州之間的分界線。（這條線是他們的主要任務(wù)，但他們還進(jìn)行了幾次天文觀測(cè)。其中有一次，他們對(duì)1度經(jīng)線的長(zhǎng)度作了當(dāng)時(shí)那個(gè)世紀(jì)最精確的測(cè)量。由于這項(xiàng)成就，他們?cè)谟?guó)贏得了比解決兩位被寵 壞了的貴族之間的邊界糾紛高得多的贊揚(yáng)。）回到歐洲以后，馬斯基林與他的德國(guó)和法國(guó)同行不得不下結(jié)論，1761年的凌日觀測(cè)工作基本失敗。具有諷刺意味的是，問題之一在于觀測(cè)的次數(shù)太多。把觀測(cè)結(jié)果放在一起，往往證明互相矛盾，無法統(tǒng)一。成功繪制金星凌日?qǐng)D的卻是一位不知名的約克郡出生的船長(zhǎng)，名叫詹姆斯·庫克。他在塔希提島一個(gè)陽光普照的山頂上觀看了1769年的凌日現(xiàn)象，接著又繪制了澳大利亞的地圖，宣布它為英國(guó)皇家殖民地。他一回到國(guó)內(nèi)，就聽說法國(guó)天文學(xué)家約瑟夫·拉朗德已經(jīng)計(jì)算出，地球到太陽的平均距離略略超過1.5億公里。（19世紀(jì)又發(fā)生兩次凌日現(xiàn)象，天文學(xué)由此得出的距離是1.4959億公里，這個(gè)數(shù)字一直保持到現(xiàn)在。我們現(xiàn)在知道，確切的距離應(yīng)該是1.49597870691億公里。）地球在太空中終于有了個(gè)方位。

梅森和狄克遜回到英國(guó)，成了科學(xué)上的英雄；但是，不知什么原因，他們的伙伴關(guān)系卻無可挽回地破裂了?？紤]到他們經(jīng)常出現(xiàn)在18世紀(jì)的重大科學(xué)活動(dòng)中，對(duì)這兩個(gè)人的情況知道得如此之少，這是很引人注目的。沒有照片，極少文字資料。關(guān)于狄克遜，《英國(guó)人名詞典》巧妙地提到，他"據(jù)說生在煤礦里"，然后讓讀者去發(fā)揮自己的想像力，提供合理的解釋?！对~典》接著說，他1777年死于達(dá)勒姆。除了他的名字和他與梅森的長(zhǎng)期伙伴關(guān)系以外，別的一無所知。

關(guān)于梅森的情況，資料稍多一點(diǎn)。我們知道，1772年，他應(yīng)馬斯基林的請(qǐng)求，奉命尋找一座山，供測(cè)量引力偏差之用；最后，他發(fā)回報(bào)告，他們需要的山位于蘇格蘭高地中部，就在泰湖那里，名叫斯希哈林山。然而，他怎么也不肯花一個(gè)夏天來對(duì)它進(jìn)行測(cè)量。他再也沒有回到現(xiàn)場(chǎng)。人們知道，他的下一個(gè)活動(dòng)是在1786年。他突然神秘地帶著他的妻子和8個(gè)孩子出現(xiàn)在費(fèi)城，顯然窮困潦倒，令人慘不忍睹。他18年前完成測(cè)量工作以后沒有回過美洲，這次回來沒有明顯的理由，也沒有朋友或資助人迎接他。幾個(gè)星期以后，他死了。

由于梅森不愿意測(cè)量那座山，這個(gè)工作落在了馬斯基林身上。1774年夏天，有4個(gè)月時(shí)間，馬斯基林在一個(gè)遙遠(yuǎn)的蘇格蘭峽谷的帳篷里指揮一組測(cè)量員。他們從每個(gè)可能的位置作了數(shù)百次測(cè)量。要從這么一大堆的數(shù)據(jù)中得出那座大山的質(zhì)量，需要進(jìn)行大量而又枯燥的計(jì)算。承擔(dān)這項(xiàng)工作的是一位名叫查爾斯·赫頓的數(shù)學(xué)家。測(cè)量員們?cè)诘貓D上寫滿了幾十個(gè)數(shù)據(jù)，每一個(gè)都表示山上或山邊某個(gè)位置的高度。這些數(shù)字真是又多又亂。但是，赫頓注意到，只要用鉛筆把高度相等的點(diǎn)連起來，一切就顯得很有次序了。實(shí)際上，你馬上可以知道這座山的整體形狀和坡度。于是，他發(fā)明了等高線。

根據(jù)斯希哈林山的測(cè)量結(jié)果，赫頓計(jì)算出地球的質(zhì)量為5000萬億噸。在此基礎(chǔ)上，可以推算出太陽系里包括太陽在內(nèi)的所有主要天體的質(zhì)量。因此，我們從這一次實(shí)驗(yàn)知道了地球、太陽、月球和其他行星及其衛(wèi)星的質(zhì)量，另外還發(fā)明了等高線——這一個(gè)夏天的收獲真是不小。

然而，不是人人都對(duì)結(jié)果感到很滿意。斯希哈林山實(shí)驗(yàn)的不足之處在于，你不知道該山的真正密度，因此不可能得出一個(gè)真正確切的數(shù)字。為了方便起見，赫頓假設(shè)這座山的密度與普通石頭相等，即大約是水的密度的2.5倍，但這不過是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所作的估計(jì)。

有一個(gè)人把注意力轉(zhuǎn)向這個(gè)問題。他是個(gè)鄉(xiāng)下人，名叫約翰·米歇爾，家住約克郡人跡稀少的桑希爾村。盡管環(huán)境偏僻而簡(jiǎn)陋，米歇爾卻是18世紀(jì)一位偉大的科學(xué)思想家，深受人們的尊敬。

尤其是，他認(rèn)識(shí)到地震的波動(dòng)性質(zhì)，對(duì)磁場(chǎng)和引力進(jìn)行了大量創(chuàng)造性的研究，比任何人都早200年設(shè)想過黑洞的存在，這是相當(dāng)了不起的——連牛頓都跨不出這么一大步。當(dāng)?shù)聡?guó)出生的音樂家威廉·赫歇爾認(rèn)為自己生活中的真正興趣是天文學(xué)的時(shí)候，他就是向米歇爾討教了天文望遠(yuǎn)鏡的制作方法。自那以來，行星科學(xué)界一直對(duì)他懷有感激之情。1然而，在米歇爾的成就當(dāng)中，最精巧或最有影響的莫過于他自己設(shè)計(jì)、自己制作的一臺(tái)用于測(cè)量地球質(zhì)量的儀器。不幸的是，他生前沒能完成這項(xiàng)試驗(yàn)。這項(xiàng)試驗(yàn)以及必要的設(shè)備都傳給了一位杰出而又離群索居的倫敦科學(xué)家，他的名字叫亨利·卡文迪許。

卡文迪許本身就是一部書。他生于一個(gè)生活奢華的權(quán)貴家庭——祖父和外祖父分別是德文郡公爵和肯特公爵——是那個(gè)年代最有才華而又極其古怪的英國(guó)科學(xué)家。幾位作家為他寫過傳記。用其中一位的話來說，他特別靦腆，"幾乎到了病態(tài)的程度"。他跟任何人接觸都會(huì)感到局促不安，連他的管家都要以書信的方式跟他交 流。

有一回，他打開房門，只見前門臺(tái)階上立著一位剛從維也納來的奧地利仰慕者。那奧地利人非常激動(dòng)，對(duì)他贊不絕口。一時(shí)之間，卡文迪許聽著那個(gè)贊揚(yáng)，仿佛挨了一記悶棍；接著，他再也無法忍受，順著小路飛奔而去，出了大門，連前門也顧不得關(guān)上。幾個(gè)小時(shí)以后，他才被勸說回家。

有時(shí)候，他也大膽涉足社交 界——尤其熱心于每周一次的由偉大的博物學(xué)家約瑟夫·班克斯舉辦的科學(xué)界聚會(huì)——但班克斯總是對(duì)別的客人講清楚，大家決不能靠近卡文迪許，甚至不能看他一眼。那些想要聽取他的意見的人被建議晃悠到他的附近，仿佛不是有意的，然后"只當(dāng)那里沒有人那樣說話"。如果他們的話算得上是在談?wù)摽茖W(xué)，他們也許會(huì)得到一個(gè)含糊的回答，但更經(jīng)常的情形是聽到一聲怒氣沖沖的尖叫（他好像一直是尖聲尖氣的），轉(zhuǎn)過身來發(fā)現(xiàn)真的沒有人，只見卡文迪許飛也似的逃向一個(gè)比較安靜的角落。

卡文迪許錢又多，性格又孤僻，正好有條件把他在克拉彭的房子變成個(gè)大實(shí)驗(yàn)室，以便不受干擾地探索物理學(xué)的每個(gè)角落——電、熱、引力、氣體以及任何跟物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)的問題。18世紀(jì)末葉，是愛好科學(xué)的人們對(duì)基本物質(zhì)——尤其是氣體和電——的性質(zhì)發(fā)生濃厚興趣的時(shí)代，又是開始知道怎么對(duì)付它們的時(shí)代，但往往是熱情有余，理智不足。在美國(guó)，本杰明·富蘭克林不顧生命危險(xiǎn)在大雷雨里放風(fēng)箏，這是很有名的。在法國(guó)，一位名叫皮拉特爾·羅齊耶的化學(xué)家含了一口氫噴在明火上，以測(cè)試氫的可燃性，其結(jié)果是證明了氫確實(shí)是易爆物質(zhì)，眉毛也不一定是人的臉上一個(gè)永久的特征。卡文迪許也做了許多實(shí)驗(yàn)，他曾經(jīng)逐步加大在自己身上的電擊強(qiáng)度，仔細(xì)體會(huì)逐漸厲害的痛苦，直到只拿得住手里的羽毛管，但有時(shí)候再也留不住自己的知覺。

在卡文迪許漫長(zhǎng)的一生中，他取得了一系列重大發(fā)現(xiàn)——其中，他是分離氫的第一人，把氫和氧化合成水的第一人——但是，他所做的一切都脫離不了"古怪"兩個(gè)字。他經(jīng)常在出版的作品中提到從沒有告訴過任何人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這使他的科學(xué)家同行們老是很氣惱。但是，盡管遮遮掩掩，他不光模仿牛頓，而且想要努力超過他。他對(duì)導(dǎo)電性能的實(shí)驗(yàn)超前了時(shí)代一個(gè)世紀(jì)，但不幸的是，直到那個(gè)世紀(jì)過去才被人發(fā)現(xiàn)。實(shí)際上，他的大部分成就直到19世紀(jì)末才為人所知。那個(gè)時(shí)候，劍橋大學(xué)物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋承擔(dān)了編輯卡文迪許文獻(xiàn)的任務(wù)。在此之前，發(fā)現(xiàn)雖然是他的，但功勞幾乎總是別人的。

卡文迪許發(fā)現(xiàn)或預(yù)見到了能量守恒定律、歐姆定律、道爾頓的分壓定律、里克特的反比定律、查理的氣體定律以及電傳導(dǎo)定律，但都沒有告訴別人。這只是其中的一部分。據(jù)科學(xué)史家j.g.克勞瑟說，他還預(yù)見了"開爾文和g.h.達(dá)爾文關(guān)于潮汐摩擦對(duì)減慢地球自轉(zhuǎn)速度的作用的成果、拉摩爾關(guān)于局部大氣變冷的作用的發(fā)現(xiàn)（發(fā)表于1915年）皮克林關(guān)于冷凍混合物的成就以及羅斯布姆關(guān)于異質(zhì)平衡的某些成果"。最后，他還留下線索，直接導(dǎo)致一組名叫惰性氣體的元素的發(fā)現(xiàn)。其中有幾種是極難獲得的，最后一種直到1962年才被發(fā)現(xiàn)。不過，我們現(xiàn)在的興趣是卡文迪許所做的最后一次著名的試驗(yàn)。1797年夏末，67歲高齡的他把注意力轉(zhuǎn)向約翰·米歇爾顯然只是出于科學(xué)上的敬意留給他的幾箱子設(shè)備。

裝配完畢以后，米歇爾的儀器看上去很像是一臺(tái)18世紀(jì)的鸚鵡螺牌舉重練習(xí) 機(jī)。它由重物、砝碼、擺錘、軸和扭轉(zhuǎn)鋼絲組成。儀器的核心是兩個(gè)635千克重的鉛球，懸在兩個(gè)較小球體的兩側(cè)。裝配這臺(tái)設(shè)備的目的是要測(cè)量?jī)蓚€(gè)大球給小球造成的引力偏差。這將使首次測(cè)量一種難以捉摸的力——所謂的引力常數(shù)——成為可能，并由此推測(cè)地球的重量（嚴(yán)格來說是質(zhì)量）1。

引力使行星保持在軌道上，使物體砰然墜落 ，因此很容易被認(rèn)為是一種強(qiáng)大的力，其實(shí)不然。它只是在整體意義上強(qiáng)大：一個(gè)巨大的物體，比如太陽，牽住另一個(gè)巨大的物體，比如地球。在基礎(chǔ)的層面上，引力極小。每次你從桌子上拿起一本書，或從地板上拾起一枚硬幣，你毫不費(fèi)勁就克服了整個(gè)行星施加的引力?？ㄎ牡显S想要做的，就是在極輕的層面上測(cè)量引力。

精密是個(gè)關(guān)鍵詞。設(shè)備所在的屋子里，容不得半點(diǎn)兒干擾。因此，卡文迪許就待在旁邊的一間屋里，用望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)一個(gè)窺孔來進(jìn)行觀察。這項(xiàng)工作是極其費(fèi)勁的，要做17次精密而又互不關(guān)聯(lián)的測(cè)量，他總共花了將近一年時(shí)間才完成?？ㄎ牡显S終于計(jì)算完畢，宣布地球的重量略略超過1300000000000000000000000磅，用現(xiàn)代的計(jì)量單位來說就是6000000000000000000000噸（1噸約等于2205磅）。

今天科學(xué)家手里的儀器，其精確度之高，可以測(cè)定一個(gè)細(xì)菌的重量；其靈敏度之高，有人在25米以外打個(gè)呵欠都會(huì)干擾讀數(shù)。但是，他們對(duì)卡文迪許1797年的測(cè)量結(jié)果沒有重大改動(dòng)。目前對(duì)地球重量的最準(zhǔn)確估計(jì)數(shù)是59725億億噸，與卡文迪許的結(jié)果只相差1％左右。

有意思的是，這一切都只是證實(shí)了在卡文迪許110年之前牛頓的估計(jì)，而且沒有跡象表明牛頓做過任何試驗(yàn)。

無論如何，到18世紀(jì)末，科學(xué)家們已經(jīng)知道地球的確切形狀和大小，以及地球到太陽和各個(gè)行星的距離。連足不出戶的卡文迪許都已算出了它們的重量。于是，你或許會(huì)認(rèn)為，確定地球的年齡會(huì)是一件相對(duì)容易的事。畢竟，他們實(shí)際上已經(jīng)掌握一切必要的資料。然而，實(shí)際情形并非如此。人類要等到能夠分裂原子、發(fā)明電視、尼龍和速溶咖啡以后，才算得出我們自己這顆行星的年齡。

若要知道其中的原因，我們必須北上去一趟蘇格蘭，先去拜訪一位杰出而又可親的人。

這個(gè)人很少有人聽說過，他剛剛發(fā)明了一門新學(xué)科：地質(zhì)學(xué)。