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在英仙座礼花下,讲望远镜东来的故事

在汤若望逝世350周年前的一个周日凌晨,北半球三大流星雨之一的英仙座流星雨将到达它今年最绚烂的时刻。若从公元36年的中国史籍记录的超过一百颗流星算起,英仙座流星雨已经被人类观测了将近2000年。到时候,它将以30-60颗/时的流量和59公里/秒的速度点燃东北方向的天空,不需要望远镜辅助就能观测。


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英仙座流星雨


然而在395年前,刚刚进入北京的德国传教士汤若望还是个年轻人。那时的他还不知道,他将其带到世上的《远镜说》和《崇祯历书》,将会怎样改变中国人对光和宇宙的看法,引导他们投向深空的目光。


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望远镜的科普工作

1626年,第一本用中文撰写的全面介绍望远镜的著作——汤若望的《远镜说》出版问世。

这是汤若望在京城居住的第5年。在京期间,他学习汉语,并准确地预报了3次月食。可以想象,当到教堂参观的中国朋友,看到新来的耶稣会士们从欧洲带来的这种望远奇器,是怎样地兴趣盎然、问这问那。汤若望可能就是为此而根据1618年法兰克福出版的罗拉莫·西尔图里所著的《望远镜,新的方法,伽利略观察星际的仪器》一书,与中国学者李祖白合作,撰写了这部书稿。短短5000字并有附图的《远镜说》,分为自序、利用、缘由、造法、用法几个部分。


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伽利略望远镜


在“利用”这一节中,汤若望介绍了望远镜在观测天空时的最新发现。他指出月亮表面并非月宫、玉兔、嫦娥、桂树,而是高低不平的山谷;“用以观金星,则见有消长,有上弦下弦如月焉”,金星存在着相位变化,这就暗示了金星围绕太阳转动;“用以观太阳之出没,则见本体非至圆,乃似鸡鸟卵。盖因尘气腾空,遮蒙恍惚使之然也(即此可知尘气腾空高远几许)”,他也提到了太阳黑子,“但是没有提到太阳黑子是由于太阳的转动引起的”;给出了木星卫星图,“四星随木,有规则有定期,又有蚀时,则非宿天之星明矣”;还指出土星两旁有两颗小星,逐渐靠近土星,最后形成类似有两个耳朵的卵状物,日本自然科学史专家桥本敬造称这“实际上是绕土星异常光环体系的开普勒解释”。

汤若望还在书中说,用望远镜观测星空,比起肉眼观测来,可以清晰地看到多出数十倍的星体。原来相距很近,难以分辨的星体,可以容易地分辨了。“即如昴宿,数不止于七而有三十多。鬼宿中积尸气。觜宿中北星,天河中诸小星,皆难见者,用镜则了然矣。又如尾宿中距星及神宫,北斗中开阳及辅星,皆难分者,用镜则见相去甚远焉。”这段文字中有诸多古代天文学的专业术语,桥本敬造先生曾有注曰:“昴宿,即昴星团。鬼宿中积尸气诸星,即巨蟹座中星云;鬼星团,M44。觜宿,即猎户座。尾宿中距星及神宫,即天蝎座μ1及天蝎座ξ。北斗中开阳及辅星,即大熊座ξ及81。天河,即银河。”对于修改历法而言,使用望远镜观察星空是极其重要的一步。


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重新认识“光”

汤若望在《远镜说》中揭示了望远镜的原理,为此他首先介绍欧洲的光学理论。他说,人的眼睛能够看到的有形之物,就是因为物体反射的光线无阻碍地进入人的眼睛。如果眼睛和物体之间有阻碍,光线就会发生改变,即“易象”。“易象”有两种情况,汤若望称之为“斜透”和“反映”,也就是我们今天所说的“折射”和“反射”。就阻碍光线的物体的质地而言,有“通光之体”和“不通光之体”;而就其形状而言,有“突如球”者、“平如案”者和“洼如釜”者。物象遇到不透明的物体,就会被反映(即反射),而“反映之象自不能如本象之光明也”。光线遭遇“通光之体”就会发生“折射”,折射又有两种情况,“一谓物象遇大光明易通彻者,比发象元处更光明,而形似广而散焉。一谓物象于次光明难通彻者,比发象元处少昏暗,而形似敛而聚焉。”

早在古希腊,几何光学就已经有了令人瞩目的成就。在公元前3世纪和450年后的公元2世纪,欧几里得和托勒密先后撰写了论述几何光学的专著《光学》,对光的反射和折射的基本规律作了数学式的精确描述,也试着寻找光线通过不同介质时不同的折射率。然而在中国史籍中,像《远镜说》这样论述基础的几何光学原理,还是开天辟地第一次。


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《远镜说》


汤若望举出现实生活中的两个例子:“如舟用篙橹,其半在水,视之若曲焉”;“张取鱼,多半在水,视之若短焉。叉鱼者见鱼象浮游水面而投叉刺之,必欲稍下于鱼,乃能得鱼”。不同质地的物体有“广而散”和“敛而聚”两种折射光线的性能。

即使是同一种介质也可产生两种不同的折射光线的情况,其原因是“同体而不同形”:“中高类球镜”“能聚大光于一点,而且照日生火”,即今之凸透镜;“中洼类釜镜”“照日光渐散大光之于无光,而且照日不能生火”,即今之凹透镜。望远镜正是将“二镜合用”,产生“视象明而大”的效果。在书中,汤若望说明了伽利略式望远镜的原理。


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守护历书

1644年,李自成兵临北京城下,崇祯皇帝将7万守军交给了太监曹化淳指挥。汤若望铸造的西式大炮并没有发挥作用。曹化淳下令打开彰义门城门放李自成军进城。皇帝起先打算亲赴南城组织军力,作困兽犹斗之抵抗。汤若望亲眼看见他骑马从南堂前面匆匆驰过。但是皇帝不仅未能组织起有效的抵抗,甚至还遭到城墙上由汤若望制造的大炮的轰击。他终于认识到大势已去,便赶回皇宫赐死了皇后,遣散了皇子,并残忍地要亲手杀死亲生女儿,而最终自缢于紫禁城后的煤山。

曾经善待来华耶稣会士的崇祯皇帝死了,大明王朝的首都落入农民军之手。在京的耶稣会士何去何从?当时的北京教会总会长龙华民和傅泛济都离开了这危险之地,龙华民劝汤若望也离京南下。但是汤若望选择了留在北京,守护南堂。

李自成军在山海关迎击清军和吴三桂的军队而遭败绩后,匆匆撤出北京。他留下3000人,令他们洗劫和焚毁宫殿和城池。受命纵火烧房的农军士兵在城墙上看到教堂尚未焚烧,就向教会院内燃放火球,投掷火把。幸好两间专门储藏印刷历法书籍的木版的房子没有着火,凝聚着徐光启等中国学者和汤若望等耶稣会士多年心血的这部卷帙浩繁的科学巨著才得以保存下来。


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《崇祯历书》


混乱的局势持续了一个多月,直到清军统帅多尔衮率部进入北京。多尔衮勒令原在北京内城居住的汉人必须在3天之内搬到外城,内城地区统统让给进城的满人居住。

耶稣会士的南堂,处于内城最南边的宣武门东侧,也是属于勒令迁出之列的。著名汉学家、现代耶稣会士、美国乔治敦大学历史教授魏若望神父分析道:“对于汤若望而言,这意味着耶稣会的住所及其他财产将有丧失的可能。他必须马上行动,否则天主教在首都北京的继续存在将面临危险。作为一个外国人,他已经建了一座教堂、一间礼拜堂和一处颇具规模的、收集了大量宗教书籍、图画和包括了数学、天文学的多卷本丛书的图书馆。如果他以后继续为改进中国历书而工作的话,他是绝对需要这些文献书籍的。”

于是汤若望立即写了一份请愿书:臣自大西洋八万里,航海东来,不婚不宦,以昭事上主,阐扬天主圣教为本。劝人忠君孝亲,贞廉守法为务。臣自构天主堂一所,朝夕虔修,祈求普佑。作宾于京,已有年所。曾奉前朝故帝令修历法,著有历书多帙,付工镌版,尚未完竣,而板片已堆积累累。并堂中供象礼器,传教所用经典,修历应用书籍,并测量天象各种仪器,件数甚夥。若欲一并迁于外城,不但三日限内不能悉数搬尽,且必难免损坏。其测量仪器由西洋带来者居多。倘一损伤,修整既非容易,购办又非可随时寄来。特为沥情具折,恳请皇上恩赐,臣与同伴诸远臣龙华民等,仍居原寓,照旧虔修。


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汤若望


请愿书写好后,汤若望身着中国平民服装,径自来到皇宫门前。那里还有很多类似的请愿民众,汤若望和他们一起跪下。他得到了一位高官的接见,这位官员叫做范文程。范文程是当时清王朝统治核心中少有的能够高瞻远瞩、海纳百川的有远见的政治家和开明学者。只有他能够敏锐地认识到汤若望的才华,以及新法历书和远道而来的西洋仪器,对刚刚创建的王朝所具有的宝贵价值。正如当年利玛窦与徐光启的会面开创了明末中西文化交流的新局面一样,汤若望与范文程的会面则开创了清初中西文化交流的新局面。

范文程询问了有关教堂和观天治历等工作,然后就让汤神父暂且回家,第二天再来听候批复。汤若望还没到家,就已经有两位官员来到教堂,核查请愿书中所谈到的情况是否属实。第二天汤若望便领到了一份谕旨:“恩准西士汤若望等安居天主堂,各旗兵弁等人,毋许阑入滋扰。”教堂中近3000卷欧洲书籍以及印刷中文有关天文历算的书籍的木版,全部完好,未受丝毫损毁。仅有一些天文仪器受到损伤。


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制作仪器

汤若望向清廷呈献了6幅地图和3件天文仪器——浑天仪、望远镜和地平日晷。据顾宁先生考证,此地平日晷现由中国故宫博物院收藏。“‘新法地平日晷’呈长方形,长23.2厘米,宽15厘米,高7.8厘米,由银制成,镀以金面,置放在一个红木制成的架子上。以其表面有一个三角形表,可以竖起并放下。在表的底部有一个指南针,可以确定日晷放置的方向。日晷的表面有经纬刻度以及节气线,上端刻有‘新法地平日晷’字样。日晷的背面刻有龙纹和花卉,以及‘顺治元年七月吉日恭进修改历法远臣臣汤若望制’的字样。”


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浑天仪


汤若望在奏疏中写道:“臣殚力精工,悉心料理,今已捐赀制就浑天星球一座、地平日晷并窥远镜一具。”窥远镜还附有“置镜铜架并螺丝转架各一、木立架一、看日食绢纸壳二”。摄政王批答道:“所进测天仪器准留览。应用诸历一依新法推算,其颁行式样作速催竣进呈。”再次肯定了西洋新法,同时望远镜也首次进入了大清王朝的宫廷。


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如今,伽利略式的光学望远镜已满足不了天文学者们巡天的要求。在地面上的电磁波观测主要基于光学望远镜和射电望远镜。而紫外光波段、X射线、γ射线被大气中的臭氧层和氧分子氧原子、氮分子氮原子屏蔽,需要到太空去观测。

中国正在贵州省建设全球最大的射电望远镜。这是中国2007年批准立项的500米口径球面射电望远镜(FAST)项目。中科院院士、原国际天文学联合会副主席叶叔华表示,FAST最大的技术成就是解决了球面镜随时变抛面镜这一难点,中国是世界上首个掌握该技术的国家。

大射电望远镜FAST探测基地落户在贵州省平塘县一片名为大窝凼的喀斯特洼地。“大窝凼不仅具有一个天然的洼地可以架设望远镜,而且喀斯特地质条件可以保障雨水向地下渗透,而不在表面淤积,腐蚀和损坏望远镜”,FAST工程办公室副主任张海燕说。大窝凼就像一个天然的“巨碗”,刚好盛起望远镜如30个足球场面积大的巨型反射面,望远镜建成后,将会填满这个山谷。


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FAST


目前已有不少空间望远镜在太空中运行。NASA“大天文台”项目已将哈勃太空望远镜(HST,1990年)、康普顿(Compton)伽马射线观测台(1991年)、钱德拉X射线太空望远镜(1999年)、斯皮策太空红外望远镜(SIRTF,2003年)送上太空。


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哈勃


目前,我国即将投入建设的12米大型红外光学望远镜的设计方案正引发诸多讨论。在去往深空的路途上,巡天者们一步一个脚印。






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望远镜与西风东渐

余三乐 著

2013年6月


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