古老的日食预测艺术如何成为一门精确的科学广达杂志

在历史上的大部分时间里，日食都被解释为对君主来说是坏消息——对他们的个人健康或国家的健康来说是一个不祥的征兆。但这些担忧推动了数千年的学术研究。这一进步始于美索不达米亚，寻找历史数据中的周期性模式。它在一个时代达到了顶峰，在这个时代，我们提前几个世纪就知道太阳系天体相互依存的未来运动，将曾经引起宇宙规模焦虑的原因变成了一个冷酷的发条问题。

如果你必须选择一个转折点，那可能是 22 年 1715 月 XNUMX 日早上，当时日食笼罩在伦敦上空。英国博学家埃德蒙·哈雷（Edmond Halley）预言了这一点，他因哈雷彗星的同名而被人们所铭记。他出版了一份大报，其中包括一张月影在英格兰上空绘制的路径图。那一年，英格兰刚刚加冕国王，但反对他的叛乱已经在酝酿之中。哈雷希望通过预测揭开日食的神秘面纱，消除其预兆的力量。

他还想招募数据收集者，他们的观察可能会带来更好的日食预测。 “好奇者希望观察它，尤其是完全黑暗的持续时间，”他宣称，“……这样，阴影的情况和尺寸将被很好地确定；通过它，我们可以比现在更准确地预测未来类似的出现。”

保持节拍的预兆

几十年前，热衷于阅读古代文献的哈雷重新发现并推广了一个有助于思考日食和月亮在天空中位置的天体周期：6,585 天，即 18 年多一点。他将这个周期称为“沙罗”，现代历史学家认为这是对苏美尔符号的误译，该符号最初的意思是“宇宙”或“大数字”。

大约公元前 600 年，在美索不达米亚，亚述和巴比伦的祭司兼数学家已经仔细研究了粘土片上记录的过去日食的日期，希望制定出推断下一次日食何时发生的策略。日食让这些文化中的国王感到担忧，很快，随着黄道十二宫和个人占星术的发明，密切关注太阳、月亮和行星位置的需求将成为每个人都关心的问题。

第一个解决方案是经验法则。例如，月食经常在六个月后相继发生。巴比伦人还意识到，特定的日食和月食通常与类似的事件通过哈雷所谓的“沙罗”分开。

为了用现代术语理解这个周期，想象一下日食时天体的几何形状，此时月球直接位于太阳和地球之间，并且所有三个天体形成一条整齐的线。要实现这一点，月亮必须是新月。它还必须处于一个点，即它自己的绕地球倾斜轨道与地球绕太阳轨道运行的平面相交。

现在想象一下，将时钟向前推进，找到同样的情况再次发生的时间。我们必须协调几个重叠但不平等的月球周期。周期一：从一个新月到下一个新月大约需要 29.5306 天。周期二：月球从一次经过地球轨道平面到下一轮的同一经过大约需要 27.2122 天。周期三：由于月球的椭圆轨道使它离地球越来越近和越来越远，月球也在地球上空振荡其表观大小和速度，一个周期大约需要 27.5546 天。

那么，沙罗只是一个很好的循环间隔，在此期间所有这些循环都会重复整数次：223 次穿过新月几乎完全等于 242 圈进出黄道，而这又几乎完全等于 239 圈进出黄道。月球表观大小的 XNUMX 次振荡。如果你看到日食或月食，只要等一次沙罗，天体的相同粗略几何排列就会重复。

不过，月球轨道实际上比这些参数更复杂。不管怎样，这个方案并没有告诉你在地球上哪里可以看到由此产生的日食。

哈雷及其他

正如数学历史学家克莱门西·蒙特尔 (Clemency Montelle) 在 2011 年出版的书中所描述的那样，当哈雷 (Halley) 读到沙罗指数并重新将其重新为自己所用时，多个世纪以来的多元文化努力已经进一步完善了日食问题。 追逐阴影。巴比伦人最终超越了“等等沙罗”等简单的经验规则，转向了计算月球未来在天空中的坐标的更复杂的数值方案。古希腊人将他们自己关于宇宙的几何思想与巴比伦式的数值计算融为一体。在这种综合的基础上，伊斯兰世界的天文学家，比如九世纪“算法”一词的同名者花剌子米，引入了三角函数和十进制数（来自印度），并将它们写在新的纸张媒介上（来自中国）开发更先进的预测方法，这些方法现在也在欧洲各地引起共鸣。

但哈雷有一些更新的东西可以玩。大约在他从古代捞出沙罗河的同时，他还资助出版了他的朋友艾萨克·牛顿关于引力的思想，牛顿随后将其应用于理解月球的轨道。 1715 年，随着几个世纪以来的第一次日食逼近伦敦，哈雷的预测地图融合了古代和现代的思维方式。

下一个重大步骤出现在 1824 年，当时德国天文学家弗里德里希·贝塞尔 (Friedrich Bessel) 扩展了使用万有引力定律思考日食的牛顿方法。他设想月球的阴影投射到一个穿过地球中心的假想平面上。然后，您可以将阴影投射回地球表面，以准确查看阴影何时何地击中，这个过程最终需要将地球视为不是一个球体，而是一个凹凸不平、旋转的物体。贝塞尔之后，许多国家拥有了全球范围的帝国影响力来追赶这些阴影，他说 黛博拉·肯特圣安德鲁斯大学数学历史学家。通过这样做，他们可以在科学软实力霸权之战中进一步完善自己的计算。

在接下来的一个世纪里，日食探险帮助解决了科学上最大的谜团之一：水星的奇怪轨道是否是由一颗未被发现的拥抱太阳的行星造成的（这颗行星可能会在日食期间变得可见）？或者，事实证明，牛顿对引力的理解是否存在问题？这些利害关系使得日食预测和观测变得更加重要，科学家们被派往地球的各个角落，并接受严格的指示，明确要去哪里以及记录哪些数据。肯特说，然后他们提交了干巴巴的报告，偶尔会“爆发出敬畏之情”。 “几乎每一篇都有两段狂想曲、维多利亚时代的夸张描述。”

进入20世纪，问题再次发生转变。对日食的正确预测总是必须考虑到月球和太阳系中的其他物体不断相互拉扯的事实。这不仅仅是著名的无法解决的“三体问题”；这是一个 N-身体问题。当美国宇航局开始向太阳系天体发射人类和机器人时，了解这些天体在哪里以及它们未来会在哪里的需求变得更加紧迫，并且变得更容易弄清楚。

根据阿波罗宇航员在月球上留下的镜子，我们知道月球相对于地球的位置，误差在几米之内。 瑞安公园，他领导着美国宇航局喷气推进实验室的太阳系动力学小组。随着多个航天器在太阳系周围嗡嗡作响时发回测距数据，我们也可以高精度地知道太阳的位置。帕克的团队将月球和太阳的位置数据——以及行星和数百个小行星的类似参数，以及对太阳风压力等的修正，不仅是牛顿引力定律，还有广义相对论的微妙调整——输入到计算机模型。然后，该模型会列出所有物体（包括月球）的预测位置列表。然后，喷气推进实验室团队定期更新他们的模型并发布新的列表。

这些位置对于预测日食的任务来说太过分了，但对于太空旅行来说却足够好了。当太空任务开发人员询问他们是否需要花时间弄清楚月球的确切位置以及它如何移动时，帕克说：“我有点惊讶。” “我想，不，不，不，不，我们几年前就解决了这个问题。”