第四章 事物的測定
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地科學考察，你肯定很難挑得出比1735年法國皇家科學院的秘魯遠征更加倒霉的。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·孔達米納的軍人數學家的率領下，一個由科學家和冒險家組成的小組前往秘魯，旨在用三角測量法測定穿越安第斯山脈的距離。
那個時候，人們感染上了一種了解地球的強烈欲望 ——想要確定地球有多大年齡，多少體積，懸在宇宙的哪個部分，是怎樣形成的。法國小組的任務是要沿著一條直線，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，測量1度經線（即地球圓周的三百六十分之一）的長度，全長約為320公里，從而幫助解決這顆行星的周長問題。
事情幾乎從一開始就出了問題，有時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地人，被手拿石頭的暴民攆出了城。過不多久，由于跟某個女人產生誤解，測量小組的一名醫(yī)生被謀殺。組里的植物學家精神錯亂。其他人或發(fā)熱死去，或墜落 喪命?？疾礻牭牡谌柸宋铩粋€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。
測量小組有一次不得不停止工作8個月；同時，孔達米納騎馬去利馬，解決一個許可證問題。他最后和布格互不說話，拒絕合作。這個人數越來越少的測量小組每到一處都讓當地官員們心存狐疑。他們很難相信，這批法國科學家為了測量世界而會繞過半個地球。這根本說不通。兩個半世紀以后，這似乎仍是個很有道理的問題。法國人犯不著吃那么多苦頭跑到安第斯山脈，干嗎不就在法國搞測量？
一方面，這是因為18世紀的科學家，尤其是法國科學家，辦事很少用簡單的辦法。另一方面，這與一個實際問題有關。這個問題起源于多年以前——早在布格和孔達米納夢想去南美洲之前，更不用說有理由這么做之前——英國天文學家埃德蒙·哈雷。
哈雷是個不同凡響的人物。在漫長而又多產的生涯中，他當過船長、地圖繪制員、牛津大學幾何學教授、皇家制幣廠副廠長、皇家天文學家，是深海潛水鐘的發(fā)明人。他寫過有關磁力、潮汐和行星運動方面的權威文章，還天真地寫過關于鴉片的效果的文章。他發(fā)明了氣象圖和運算表，提出了測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用方法。他惟一沒有干過的就是發(fā)現那顆冠以他名字的彗星。他只是承認，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，但他對人類知識的最大貢獻也許只在于他參加了一次科學上的打賭。賭注不大，對方是那個時代的另外兩位杰出人物。一位是羅伯特·胡 克，人們現在記得最清楚的興許是他描述了細胞；另一位是偉大而又威嚴的克里斯托弗·雷恩爵士，他起先其實是一位天文學家，后來還當過建筑師，雖然這一點人們現在往往不大記得。
1683年，哈雷、胡 克和雷恩在倫敦吃飯，突然間談話內容轉向天體運動。據認為，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行——用理查德·費曼的話來說，"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答案，他愿意發(fā)給他價值40先令（相當于兩個星期的工資）的獎品。
胡 克以好大喜功聞名，盡管有的見解不一定是他自己的。他聲稱他已經解決這個問題，但現在不愿意告訴大家，他的理由有趣而巧妙，說是這么做會使別人失去自己找出答案的機會。因此，他要"把答案保密一段時間，別人因此會知道怎么珍視它"。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，一定要找到這個答案，還于次年前往劍橋大學，冒昧拜訪該大學的數學教授艾薩克·牛頓，希望得到他的幫助。
牛頓絕對是個怪人——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（據說，早晨他把腳伸出被窩以后，有時候突然之間思潮洶涌，會一動不動地坐上幾個小時），干得出非常有趣的怪事。他建立了自己的實驗室，也是劍橋大學的第一個實驗室，但接著就從事異乎尋常的實驗。有一次，他把一根大針眼縫針——一種用來縫皮革的長針——插進眼窩，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有什么事發(fā)生。結果，說來也奇怪，什么事兒也沒有——至少沒有產生持久的后果。另一次，他瞪大眼睛望著太陽，能望多久就望多久，以便發(fā)現對他的視力有什么影響。他又一次沒有受到嚴重的傷害，雖然他不得不在暗室里待了幾天，等著眼睛恢復過來。
與他的非凡天才相比，這些奇異的信念和古怪的特點算不了什么——即使在以常規(guī)方法工作的時候，他也往往顯得很特別。在學生時代，他覺得普通數學局限性很大，十分失望，便發(fā)明了一種嶄新的形式——微積分，但有27年時間對誰也沒有說起過這件事。他以同樣的方式在光學領域工作，改變了我們對光的理解，為光譜學奠定了基礎，但還是過了30年才把成果與別人分享。
盡管他那么聰明，真正的科學只占他興趣的一部分。他至少有一半工作年齡花在煉金術和反復無常的宗教活動方面。這些活動不是涉獵，而是全身心地撲了進去。他偷偷信仰一種很危險的名叫阿里烏斯教的異教。該教的主要教義是認為根本沒有三位一體（這有點兒諷刺意味，因為牛頓的工作單位就是劍橋大學的三一學院）。他花了無數個小時來研究耶路撒冷不復存在的所羅門王神殿的平面圖（在此過程中自學了希伯來語，以便閱讀原文作品），認為自己掌握著數學方面的線索，知道基督第二次降臨和世界末日的日期。他對煉金術同樣無比熱心。1936年，經濟學家約翰·梅納德在拍賣會上購得一箱子牛頓的文件，吃驚地發(fā)現那些材料絕大部分與光學或行星運動沒有任何關系，而是些有關他潛心探索把低賤金屬變成貴重金屬的資料。20世紀70年代，人們通過分析牛頓的一綹頭發(fā)發(fā)現，里面含有汞——這種元素，除了煉金術士、制帽商和溫 度計制造商以外，別人幾乎不會感興趣——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。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科學界一次最有歷史意義的會見的記錄：
1684年，哈雷博士來劍橋拜訪。他們在一起待了一會兒以后，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，他認為行星運行的曲線會是什么樣的。
這里提到的是一個數學問題，名叫平方反比律。哈雷堅信，這是解釋問題的關鍵，雖然他對其中的奧妙沒有把握。
艾薩克·牛頓馬上回答說，會是一個橢圓。博士又高興又驚訝，問他是怎么知道的。"哎呀，"他說，"我已經計算過。"接著，哈雷博士馬上要他的計算材料。艾薩克爵士在材料堆里翻了一會兒，但是找不著。
這是很令人吃驚的——猶如有人說他已經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：《自然哲學的數學原理》，更經常被稱之為《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更加驚人——是那個事實還是他的思想?！对怼返膯柺谰褪沁@樣的一個時刻。
它頓時使牛頓聞名遐邇。在他的余生里，他將生活在贊揚聲和榮譽堆里，尤其成了英國因科學成就而被封為爵士的第一人。連偉大的德國數學家戈特弗里德·萊布尼茲也認為，他對數學的貢獻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，牛頓曾跟他進行過長期而又激烈的斗爭。"沒有任何凡人比牛頓本人更接近神。"哈雷深有感觸地寫道。他的同時代人以及此后的許多別人對此一直懷有同感。
《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，那樣就不會被他所謂的數學"門外漢"糾纏不休），但對看得懂的人來說，它是一盞明燈。它不僅從數學的角度解釋了天體的軌道，而且指出了使天體運行的引力——萬有引力。突然之間，宇宙里的每種運動都說得通了。
《原理》的核心是牛頓的三大運動定律（定律非常明確地指出，物體朝著推力的方向運動；它始終做直線運動，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，宇宙里的每個物體都吸引每個別的物體。這似乎不大可能，但當你在這里坐著的時候，你在用你自己小小的（的確很?。┮鑫阒車囊磺惺挛铩獕Ρ?、天花板、燈、寵物貓。而這些東西也在吸引你。是牛頓認識到，任何兩個物體的引力，再用費曼的話來說，"與每個物體的質量成正比，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
這個公式對我們大多數人來說當然是根本沒有實際用途的，但至少我們欣賞它的優(yōu)美，它的簡潔。無論你走到哪里，只要做兩個快速的乘法，一個簡單的除法，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》的產生不是不帶戲劇性的。令哈雷感到震驚的是，當這項工作快要完成的時候，牛頓和胡 克為誰先發(fā)明了平方反比定律吵了起來，牛頓拒絕公開關鍵的第三卷，而沒有這一卷，前面兩卷就意義不大。只是在進行了緊張的穿梭外交 ，說了許多好話以后，哈雷才最后設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束。英國皇家學會本來答應出版這部作品，但現在打了退堂鼓，說是財政有困難。前一年，該學會曾經為《魚類史》下了賭注，該書成本很高，結果賠了老本；他們擔心一本關于數學原理的書不會有多大銷路。哈雷盡管不很富裕，還是自己掏錢支付了這本書的出版費用。和以往一樣，牛頓分文不出。更糟糕的是，哈雷這時候剛剛接受學會的書記員的職位，他被告知，學會已經無力給他答應過的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；行星的運動；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幾百公里的速度旋轉，為什么我們沒有被甩進太空——這些定律的全部意義要費好大工夫才能領會。但是，它們揭示的事實幾乎馬上引發(fā)了爭議。
這意味著，地球不是滴溜滾圓的。根據牛頓的學說，地球自轉產生的離心力，造成兩極有點扁平，赤道有點鼓起。因此，這顆行星稍稍呈扁圓形。這意味著，1度經線的長度，在意大利和蘇格蘭是不相等的。說得確切一點，離兩極越遠，長度越短。這對那些認為地球是個滴溜滾圓的球體，并以此來測量這顆行星的人來說不是個好消息。那些人就是大家。
在半個世紀的時間里，人們想要測算出地球的大小，大多使用很嚴格的測量方法。最先做這種嘗試的人當中有一位英國數學家，名叫理查德·諾伍德。諾伍德在年輕時代曾帶著個按照哈雷的式樣制作的潛水鐘去過百慕大，想要從海底撈點珍珠發(fā)大財。這個計劃沒有成功，因為那里沒有珍珠，而且諾伍德的潛水鐘也不靈，但浪費一次經歷的也不止諾伍德一個人。17世紀初，百慕大在船長中間以難以確定位置著稱。問題是海洋太大，百慕大太小，用來解決這個差異的航海儀器嚴重不足。連1海里的長度還都說法不一。關于海洋的寬度，最細小的計算錯誤也會變得很大，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。諾伍德愛好三角學，因此也愛好三角形，他想在航海方面用上一點數學，于是決定計算1度經線的長度。
諾伍德背靠著倫敦塔踏上了征途，歷時兩年向北走了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，始終一絲不茍地對數據進行校正。最后一道工序，是在一年的同一天，一天的同一時間，在約克測量太陽的角度。他已經在倫敦做完第一次測量。根據這次測量，他推斷，他可以得出地球1度經線的長度，從而計算出地球的整個周長。這幾乎是一項雄心勃勃的工作——1度的長度只要算錯一點兒，整個長度就會相差許多公里——但實際上，就像諾伍德自豪地竭力聲稱的那樣，他的計算非常精確，相差"微乎其微"——說得更確切一點，相差不到550米。以米制來表達，他得出的數字是每度經線的長度為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，空閑時間便以他心愛的三角學來消遣。他在那里活了38年。要是對大家說，他這38年過得很幸福，受到了人們的敬仰，大家一定會很高興。但是，實際上并非如此。在離開英格蘭以后的航行途中，他兩個年幼的兒子跟納撒尼爾·懷特牧師同住一個船艙，不知怎的讓這位年輕的牧師深受精神創(chuàng)傷，在他余生的許多時間里會想方設法來找諾伍德的麻煩。
諾伍德的兩個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，還不得不經常去百慕大的那一頭為自己辯護。最后，在17世紀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，擔心自己那些帶有神秘符號的三角學論文會被看做在跟魔鬼交 流，自己會被可怕地判處死刑。我們對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，實際上也許是活該。肯定沒錯的是，他的晚年確實是這樣度過的。
與此同時，測定地球周長的勢頭已經到達法國。在那里，天文學家讓·皮卡爾發(fā)明了一種極其復雜的三角測繪法，用上了扇形板、擺鐘、天頂象限儀和天文望遠鏡（用來觀察土星衛(wèi)星的運動）。他花了兩年時間穿越法國，用三角測繪法進行測量；之后，他宣布了一個更加精確的測量結果：1度經線為110.46公里。法國人為此感到非常自豪，但這個結果是建立在地球是個圓球這個假設上的——而現在牛頓說地球不是這種形狀的。
更為復雜的是，皮卡爾死后，喬瓦尼和雅克·卡西尼父子在更大的區(qū)域內重復了皮卡爾的實驗。他們得出的結果顯示，地球鼓起的地方不是在赤道，而是在兩極——換句話說，牛頓完全錯了。正因為如此，科學院才派遣布格和孔達米納去南美洲重新測量。
他們選擇了安第斯山脈，因為他們需要測量靠近赤道的地方，以確定那里的圓度是否真有差異，還因為他們認為山區(qū)的視野比較開闊。實際上，秘魯的大山經常云霧籠罩，這個小組常常不得不等上幾個星期，才等得上一個小時的晴天來進行測量。不僅如此，他們選了個地球上幾乎最難對付的地形。秘魯人稱這種地形是"非常少見"的——這話絕對沒錯兒。兩個法國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記，遠離供給來源。但是，布格和孔達米納是堅忍不拔的人。他們不屈不撓，不怕風吹日曬，堅持執(zhí)行任務，度過了漫長的九年半時間。在這個項目快要完成的時候，他們突然得到消息，說另一個法國考察隊在斯堪的納維亞半島北部進行測量（面對自己的艱難困苦，從寸步難行的沼澤地，到危機四伏的浮冰），發(fā)現1度經線在兩極附近果真要長，正如牛頓斷言的那樣。地球在赤道地區(qū)的測量結果，要比環(huán)繞兩極從上到下測量的結果厚出43公里。
因此，布格和孔達米納花了將近10年時間，得出了一個他們不希望得出的結果，而且發(fā)現這個結果還不是他們第一個得出的。他們沒精打采地結束了測量工作，只是證明第一個法國小組是正確的。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》中作的另一個推測是：一根掛在大山附近的鉛錘線，會受到大山和地球引力質量的影響，稍稍向著大山傾斜。這個推測很有意思。要是你精確測量那個偏差，計算大山的質量，你可以算出萬有引力的常數——即引力的基本值，叫做g——同時還可以算出地球的質量。
布格和孔達米納在秘魯的欽博拉索山做過這種試驗，但是沒有成功，一方面是因為技術難度很大，一方面是因為他們內部吵得不可開交 。因此，這件事被暫時擱置下來，30年后才在英國由皇家天文學家內維爾·馬斯基林重新啟動。達娃·索貝爾在她的暢銷書《經線》中，把馬斯基林說成是個傻瓜和壞蛋，不會欣賞鐘匠約翰·哈里森的卓越才華，這話也許沒錯兒。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量的成功方案。
馬斯基林意識到，問題的關鍵在于找到一座形狀規(guī)則的山，能夠估測它的質量。在他的敦促之下，英國皇家學會同意聘請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。馬斯基林恰好認識這樣的一個人——天文學家和測量學家查爾斯·梅森。馬斯基林和梅森11年前已經成為朋友，他們曾一塊兒承擔一個測量一起重大天文事件的項目：金星凌日現象。不知疲倦的埃德蒙·哈雷幾年前已經建議，要是在地球上選定幾個位置測量一次這種現象，你就可用三角測繪法的定律來計算地球到太陽的距離，并由此計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。這一現象結對而來，相隔8年，然后一個世紀甚至更長時間都不發(fā)生一次。在哈雷的生命期里不會發(fā)生這種現象。1但是，這個想法一直存在。1761年，在哈雷去世將近20年以后，當下一次凌日準時來到的時候，科學界已經作好準備工作——準備得比觀測以往任何一次天文現象都要充分。
憑著吃苦的本能——這是那個時代的特點——科學家們奔赴全球100多個地點——其中有俄羅斯西伯利亞、中國、南非、印度尼西亞以及美國威斯康星州的叢林。法國派出了32名觀測人員，英國18名，還有來自瑞典、俄羅斯、意大利、德國、冰島等國的觀測人員。
這是歷史上第一次國際合作的科學活動，但它幾乎到處困難重重。許多觀測人員遇上了戰(zhàn)爭、疾病或海難。有的抵達了目的地，但打開箱子一看，只見儀器已經破碎或被熱帶的灼人的陽光烤彎。法國人似乎命中注定要再一次遭遇倒霉的厄運。讓·沙佩乘馬車呀，乘船呀，乘雪橇呀，花了幾個月才到達西伯利亞，每一顛簸都得小心護著容易損壞的儀器。最后只剩下關鍵的一段行程，卻被一條漲水的河流擋住了去路。原來，就在他到達前不久，當地下了一場罕見的春雨。當地人馬上歸罪于他，因為他們看到他把古怪的儀器對準天空。沙佩設法逃得性命，但沒有進行任何有意義的測量工作。
更倒霉的是紀曉姆·讓蒂，他的經歷蒂姆西·費里斯在《在銀河系里成長》一書里作了精彩而簡要的描述。讓蒂提前一年從法國出發(fā)，打算在印度觀測這次凌日現象，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，因為測量需要保持平穩(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年的下一次凌日現象。他有8年的準備時間，因此建立了一個一流的觀察站，他一次又一次測試他的儀器，把準備工作做得完美無缺。1769年6月4日是發(fā)生第二次凌日現象的日子。早晨醒來，他看到是個艷陽天；但是，正當金星從太陽表面通過的時候，一朵烏云擋住了太陽，在那里停留了3小時14分7秒的時間，等到云開霧散，金星凌日的過程已經結束了。
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)現他的親戚已經宣布他死亡，爭先恐后地奪走了他的財產。
比較而言，英國派到各地的18名觀測人員所經歷的失望就不算一回事。梅森與一位名叫杰里邁亞·狄克遜的年輕測量員搭檔，相處得顯然不錯，兩人還結成了持久的伙伴關系。他們奉命去印度后西遷蘇門答臘，在那里繪制凌日圖。但他們的船出海的第二天晚上就受到了一條法國護衛(wèi)艦的攻擊。（盡管科學家們處于一種國際合作的心態(tài)之中，但國家并非如此。）梅森和狄克遜給皇家學會發(fā)了一封短信，說看來公海上非常危險，不知道整個計劃是不是應該取消。他們很快收到一封令人寒心的回信，信中先是對他們一頓臭罵，然后又說他們已經拿了錢，國家和科學界都對他們寄予希望，他們不把計劃進行下去就會令國人顏面掃地。
他們改變了想法，繼續(xù)往前駛去，但途中傳來消息說，蘇門答臘已經落入法國人之手。因此，他們最終是在好望角觀測這次凌日現象的，效果很不好?；貒局?，他們來到大西洋一個孤零零的小島——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，馬斯基林的觀測工作無法進行。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，成為皇家天文學家，而梅森和狄克遜——這時候顯然更加成熟——啟程前往美洲，度過漫長而時常是險象環(huán)生的4年。他們穿越393公里危險的荒原，一路上搞測量工作，以解決威廉·佩恩和巴爾的摩勛爵兩人地產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奴隸州和自由 州之間的分界線。（這條線是他們的主要任務，但他們還進行了幾次天文觀測。其中有一次，他們對1度經線的長度作了當時那個世紀最精確的測量。由于這項成就，他們在英國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。）回到歐洲以后，馬斯基林與他的德國和法國同行不得不下結論，1761年的凌日觀測工作基本失敗。具有諷刺意味的是，問題之一在于觀測的次數太多。把觀測結果放在一起，往往證明互相矛盾，無法統一。成功繪制金星凌日圖的卻是一位不知名的約克郡出生的船長，名叫詹姆斯·庫克。他在塔希提島一個陽光普照的山頂上觀看了1769年的凌日現象，接著又繪制了澳大利亞的地圖，宣布它為英國皇家殖民地。他一回到國內，就聽說法國天文學家約瑟夫·拉朗德已經計算出，地球到太陽的平均距離略略超過1.5億公里。（19世紀又發(fā)生兩次凌日現象，天文學由此得出的距離是1.4959億公里，這個數字一直保持到現在。我們現在知道，確切的距離應該是1.49597870691億公里。）地球在太空中終于有了個方位。
梅森和狄克遜回到英國，成了科學上的英雄；但是，不知什么原因，他們的伙伴關系卻無可挽回地破裂了?？紤]到他們經常出現在18世紀的重大科學活動中，對這兩個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。關于狄克遜，《英國人名詞典》巧妙地提到，他"據說生在煤礦里"，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年死于達勒姆。除了他的名字和他與梅森的長期伙伴關系以外，別的一無所知。
關于梅森的情況，資料稍多一點。我們知道，1772年，他應馬斯基林的請求，奉命尋找一座山，供測量引力偏差之用；最后，他發(fā)回報告，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夏天來對它進行測量。他再也沒有回到現場。人們知道，他的下一個活動是在1786年。他突然神秘地帶著他的妻子和8個孩子出現在費城，顯然窮困潦倒，令人慘不忍睹。他18年前完成測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。幾個星期以后，他死了。
由于梅森不愿意測量那座山，這個工作落在了馬斯基林身上。1774年夏天，有4個月時間，馬斯基林在一個遙遠的蘇格蘭峽谷的帳篷里指揮一組測量員。他們從每個可能的位置作了數百次測量。要從這么一大堆的數據中得出那座大山的質量，需要進行大量而又枯燥的計算。承擔這項工作的是一位名叫查爾斯·赫頓的數學家。測量員們在地圖上寫滿了幾十個數據，每一個都表示山上或山邊某個位置的高度。這些數字真是又多又亂。但是，赫頓注意到，只要用鉛筆把高度相等的點連起來，一切就顯得很有次序了。實際上，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。
根據斯希哈林山的測量結果，赫頓計算出地球的質量為5000萬億噸。在此基礎上，可以推算出太陽系里包括太陽在內的所有主要天體的質量。因此，我們從這一次實驗知道了地球、太陽、月球和其他行星及其衛(wèi)星的質量，另外還發(fā)明了等高線——這一個夏天的收獲真是不小。
然而，不是人人都對結果感到很滿意。斯希哈林山實驗的不足之處在于，你不知道該山的真正密度，因此不可能得出一個真正確切的數字。為了方便起見，赫頓假設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，但這不過是根據經驗所作的估計。
有一個人把注意力轉向這個問題。他是個鄉(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)境偏僻而簡陋，米歇爾卻是18世紀一位偉大的科學思想家，深受人們的尊敬。
尤其是，他認識到地震的波動性質，對磁場和引力進行了大量創(chuàng)造性的研究，比任何人都早200年設想過黑洞的存在，這是相當了不起的——連牛頓都跨不出這么一大步。當德國出生的音樂家威廉·赫歇爾認為自己生活中的真正興趣是天文學的時候，他就是向米歇爾討教了天文望遠鏡的制作方法。自那以來，行星科學界一直對他懷有感激之情。1然而，在米歇爾的成就當中，最精巧或最有影響的莫過于他自己設計、自己制作的一臺用于測量地球質量的儀器。不幸的是，他生前沒能完成這項試驗。這項試驗以及必要的設備都傳給了一位杰出而又離群索居的倫敦科學家，他的名字叫亨利·卡文迪許。
卡文迪許本身就是一部書。他生于一個生活奢華的權貴家庭——祖父和外祖父分別是德文郡公爵和肯特公爵——是那個年代最有才華而又極其古怪的英國科學家。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，對他贊不絕口。一時之間，卡文迪許聽著那個贊揚，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，連前門也顧不得關上。幾個小時以后，他才被勸說回家。
有時候，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家約瑟夫·班克斯舉辦的科學界聚會——但班克斯總是對別的客人講清楚，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"只當那里沒有人那樣說話"。如果他們的話算得上是在談論科學，他們也許會得到一個含糊的回答，但更經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），轉過身來發(fā)現真的沒有人，只見卡文迪許飛也似的逃向一個比較安靜的角落。
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大實驗室，以便不受干擾地探索物理學的每個角落——電、熱、引力、氣體以及任何跟物質的性質有關的問題。18世紀末葉，是愛好科學的人們對基本物質——尤其是氣體和電——的性質發(fā)生濃厚興趣的時代，又是開始知道怎么對付它們的時代，但往往是熱情有余，理智不足。在美國，本杰明·富蘭克林不顧生命危險在大雷雨里放風箏，這是很有名的。在法國，一位名叫皮拉特爾·羅齊耶的化學家含了一口氫噴在明火上，以測試氫的可燃性，其結果是證明了氫確實是易爆物質，眉毛也不一定是人的臉上一個永久的特征。卡文迪許也做了許多實驗，他曾經逐步加大在自己身上的電擊強度，仔細體會逐漸厲害的痛苦，直到只拿得住手里的羽毛管，但有時候再也留不住自己的知覺。
在卡文迪許漫長的一生中，他取得了一系列重大發(fā)現——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"兩個字。他經常在出版的作品中提到從沒有告訴過任何人的實驗結果，這使他的科學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。他對導電性能的實驗超前了時代一個世紀，但不幸的是，直到那個世紀過去才被人發(fā)現。實際上，他的大部分成就直到19世紀末才為人所知。那個時候，劍橋大學物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋承擔了編輯卡文迪許文獻的任務。在此之前，發(fā)現雖然是他的，但功勞幾乎總是別人的。
卡文迪許發(fā)現或預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定律，但都沒有告訴別人。這只是其中的一部分。據科學史家j.g.克勞瑟說，他還預見了"開爾文和g.h.達爾文關于潮汐摩擦對減慢地球自轉速度的作用的成果、拉摩爾關于局部大氣變冷的作用的發(fā)現（發(fā)表于1915年）皮克林關于冷凍混合物的成就以及羅斯布姆關于異質平衡的某些成果"。最后，他還留下線索，直接導致一組名叫惰性氣體的元素的發(fā)現。其中有幾種是極難獲得的，最后一種直到1962年才被發(fā)現。不過，我們現在的興趣是卡文迪許所做的最后一次著名的試驗。1797年夏末，67歲高齡的他把注意力轉向約翰·米歇爾顯然只是出于科學上的敬意留給他的幾箱子設備。
裝配完畢以后，米歇爾的儀器看上去很像是一臺18世紀的鸚鵡螺牌舉重練習 機。它由重物、砝碼、擺錘、軸和扭轉鋼絲組成。儀器的核心是兩個635千克重的鉛球，懸在兩個較小球體的兩側。裝配這臺設備的目的是要測量兩個大球給小球造成的引力偏差。這將使首次測量一種難以捉摸的力——所謂的引力常數——成為可能，并由此推測地球的重量（嚴格來說是質量）1。
引力使行星保持在軌道上，使物體砰然墜落 ，因此很容易被認為是一種強大的力，其實不然。它只是在整體意義上強大：一個巨大的物體，比如太陽，牽住另一個巨大的物體，比如地球。在基礎的層面上，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，你毫不費勁就克服了整個行星施加的引力?？ㄎ牡显S想要做的，就是在極輕的層面上測量引力。
精密是個關鍵詞。設備所在的屋子里，容不得半點兒干擾。因此，卡文迪許就待在旁邊的一間屋里，用望遠鏡瞄準一個窺孔來進行觀察。這項工作是極其費勁的，要做17次精密而又互不關聯的測量，他總共花了將近一年時間才完成?？ㄎ牡显S終于計算完畢，宣布地球的重量略略超過1300000000000000000000000磅，用現代的計量單位來說就是6000000000000000000000噸（1噸約等于2205磅）。
今天科學家手里的儀器，其精確度之高，可以測定一個細菌的重量；其靈敏度之高，有人在25米以外打個呵欠都會干擾讀數。但是，他們對卡文迪許1797年的測量結果沒有重大改動。目前對地球重量的最準確估計數是59725億億噸，與卡文迪許的結果只相差1％左右。
有意思的是，這一切都只是證實了在卡文迪許110年之前牛頓的估計，而且沒有跡象表明牛頓做過任何試驗。
無論如何，到18世紀末，科學家們已經知道地球的確切形狀和大小，以及地球到太陽和各個行星的距離。連足不出戶的卡文迪許都已算出了它們的重量。于是，你或許會認為，確定地球的年齡會是一件相對容易的事。畢竟，他們實際上已經掌握一切必要的資料。然而，實際情形并非如此。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。
這個人很少有人聽說過，他剛剛發(fā)明了一門新學科：地質學。
