曾被牛津拒絕的青年，最終成為橫跨十余學(xué)科的科學(xué)全才

哈雷（Edmond Halley，1656-1742）因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)“哈雷彗星”的運(yùn)行規(guī)律以及幫助牛頓出版《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》而被后人銘記。然而，他一生的成就遠(yuǎn)不止于彗星的研究，其身份也遠(yuǎn)不止于“牛頓好友”以及《原理》的助產(chǎn)士。事實(shí)上，哈雷是一個(gè)偉大的全才科學(xué)家。除了在天文學(xué)方面有眾多偉大成就，他還是地球物理學(xué)的奠基人之一，同時(shí)也是一位優(yōu)秀的數(shù)學(xué)家，在地質(zhì)學(xué)、工程學(xué)、氣象學(xué)、大氣學(xué)、測(cè)地學(xué)、動(dòng)物學(xué)、植物學(xué)、人口學(xué)、精算學(xué)、考古學(xué)等多個(gè)學(xué)科也都取得了成果。有人認(rèn)為：“他似乎不是一個(gè)人，而是全人類的縮影。”

撰文 | 王善欽、鄒莎莎

少年哈雷

1656年11月8日（儒略歷10月29日），哈雷出生在米德爾塞克斯（Middlesex）的哈格斯頓（Haggerston）。他的父親老埃德蒙·哈雷（Edmond Halley Sr. 約1630-1684）是一個(gè)非常富裕的商人，從事地產(chǎn)、肥皂制造和食鹽買賣。他的母親是安妮·羅賓遜（Anne Robinson，1634-1672）。

1666年的倫敦大火燒掉了老哈雷的部分房產(chǎn)，但其他生意依然蒸蒸日上，因此依然很富有。哈雷小時(shí)候，老哈雷安排家庭教師到家里為他授課。后來(lái)，老哈雷把他送進(jìn)圣保羅學(xué)校（St Paul's School）讀書，這是當(dāng)時(shí)英國(guó)最好的學(xué)校之一。

哈雷從小就對(duì)數(shù)學(xué)很感興趣。中學(xué)時(shí)，他對(duì)天文學(xué)的興趣與日俱增，老哈雷為哈雷買了一架24英尺（7.3米）長(zhǎng)的望遠(yuǎn)鏡。1673年7月，哈雷帶上這架望遠(yuǎn)鏡和其他儀器，進(jìn)入牛津大學(xué)女王學(xué)院（Queen’s College），繼續(xù)在課余時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)。

1675年，18歲的哈雷寫信給首任皇家天文學(xué)家弗蘭斯蒂德（John Flamsteed，1646-1719），指出后者關(guān)于木星和土星位置的表格存在錯(cuò)誤。他還指出，第谷（Tycho Brahe，1546-1601）的觀測(cè)也有錯(cuò)。

這封信讓他得到弗蘭斯蒂德的欣賞，并因此成為后者的助手。1676年，哈雷完成了他的第一篇關(guān)于行星軌道的論文。在弗蘭斯蒂德的幫助下，此文發(fā)表在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的《哲學(xué)匯刊》（Philosophical Transactions）。這是當(dāng)時(shí)歐洲頂尖的科學(xué)期刊。

Richard Phillips繪制的哈雷畫像，繪制于1722年之前。圖源：Richard Phillips

“南天第谷”的豐富研究

當(dāng)時(shí)，弗蘭斯蒂德正在努力編制北半球星表。而歐洲還沒有南半球上空恒星的星表，哈雷認(rèn)為有必要為此付諸行動(dòng)，隨即申請(qǐng)休學(xué)。

他選擇了英國(guó)在南大西洋的殖民地圣赫勒拿（Saint Helena）島，這里位于南緯16 度，可以觀測(cè)到所有南天恒星，而且還可以觀察到一部分北方的恒星，方便與北天星表相互參照、校正。該島后來(lái)因成為拿破侖（Napoleon Bonaparte，1769-1821）流放之地而名聲大噪。

在國(guó)王查理二世（Charles II，1630-1685）的特許下，哈雷被批準(zhǔn)前往圣赫勒拿島。老哈雷出手闊綽，給予每年300英鎊經(jīng)費(fèi)贊助這次遠(yuǎn)行。作為對(duì)比，當(dāng)時(shí)弗蘭斯蒂德的年薪為100英鎊。

1676年底，哈雷登陸圣赫勒拿島，在島上海拔680米的最高峰建立了簡(jiǎn)易天文臺(tái)，并放置了一個(gè)配備望遠(yuǎn)鏡的大型六分儀。他發(fā)現(xiàn)，那里的觀測(cè)條件遠(yuǎn)不如傳言的那么好，大多數(shù)時(shí)間不是陰天就是雨天。此后一年多的時(shí)間里，哈雷只能在難得的晴空的晚上觀測(cè)。

哈雷建在圣赫勒拿島的天文臺(tái)舊址。圖源：Kevstan

幸運(yùn)的是，哈雷還觀測(cè)到各種奇異天象。比如1677年11月7日，哈雷觀測(cè)了水星凌日現(xiàn)象，這次凌日持續(xù)了大約5小時(shí)。當(dāng)時(shí)觀測(cè)這次水星凌日的還有在英國(guó)西北部的蘭開夏郡（Lancashire）的博學(xué)家湯利（Richard Towneley，1629-1707）。

2006年11月8日被觀測(cè)到的水星凌日。圖源：NASA

哈雷結(jié)合了他與湯利的觀測(cè)，計(jì)算出太陽(yáng)視差為45角秒，據(jù)此得到日地距離僅有3000萬(wàn)千米。這個(gè)距離遠(yuǎn)小于真實(shí)值（約為1.5億千米），主要在于兩個(gè)地方的觀測(cè)精確度不足。

此后多年，哈雷發(fā)表數(shù)篇論文改進(jìn)了計(jì)算，并建議后代觀測(cè)金星凌日以計(jì)算日地距離。這些論文為1761年與1769年的金星凌日全球聯(lián)合觀測(cè)提供了基礎(chǔ)。利用這兩次金星凌日數(shù)據(jù)，并使用哈雷的計(jì)算方法，天文學(xué)家于1770年得到太陽(yáng)距離的值約為1.517億千米。

在圣赫勒拿島期間，哈雷發(fā)現(xiàn)，從英國(guó)帶過去的擺鐘無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，而鐘表是當(dāng)時(shí)天文觀測(cè)最重要的工具之一。后來(lái)人們知道，這是因?yàn)椴煌暥忍幍牡厍虬霃揭约半x心力效應(yīng)都不同，導(dǎo)致各地重力加速度有差異，因此擺動(dòng)周期略有不同。哈雷還研究了信風(fēng)和季風(fēng)的規(guī)律。他指出，太陽(yáng)加熱是風(fēng)產(chǎn)生的原因。

1678年5月，哈雷回到英國(guó)，用他的觀測(cè)數(shù)據(jù)，制作了第一份南天恒星的星表——《南天星表》（catalogue us Stellarum Australium），將它交給皇家學(xué)會(huì)的胡克（Robert Hooke，1635-1703）。這份星表描述了341顆恒星的位置，其中大部分無(wú)法在歐洲被觀測(cè)到。這份星表還包括了哈雷發(fā)現(xiàn)的一個(gè)星團(tuán)——半人馬座ω星團(tuán)（ω Centauri）。

歐洲南方天文臺(tái)（ESO）2.2米MPG/ESO望遠(yuǎn)鏡拍攝的半人馬座ω星團(tuán)。圖源：ESO

哈雷還繪制了一個(gè)平面天體投影圖，并將其副本獻(xiàn)給查理二世。

哈雷申請(qǐng)復(fù)學(xué)時(shí)，牛津大學(xué)拒絕了他，因?yàn)樗麤]有滿足學(xué)校規(guī)定的住校年限要求。哈雷向查理二世上訴。查理二世簽署了一封信，發(fā)給牛津大學(xué)副校長(zhǎng)，要求牛津大學(xué)無(wú)條件授予哈雷碩士學(xué)位。哈雷因此于1678年12月3日被牛津大學(xué)授予碩士學(xué)位。

在獲得碩士學(xué)位幾天前，22歲的哈雷因?yàn)椤赌咸煨潜怼放c平面天體投影圖而當(dāng)選皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。

1678年底，《南天星表》出版，第二年法文版出版。這份星表讓哈雷年少成名，被譽(yù)為“南天第谷”（the southern Tycho）。

但澤之行與彗星觀測(cè)

1679年5月，哈雷代表皇家學(xué)會(huì)來(lái)到但澤（Danzig），驗(yàn)證天文學(xué)家赫維留（Johannes Hevelius，1611-1687）的觀測(cè)結(jié)果是否精確。赫維留當(dāng)時(shí)在使用六分儀等儀器測(cè)定恒星位置時(shí)，依舊使用目視法；弗蘭斯蒂德和胡克則在六分儀上配備望遠(yuǎn)鏡，他們質(zhì)疑赫維留的觀測(cè)不夠精確。

哈雷來(lái)到但澤后，和赫維留一起觀測(cè)。哈雷使用望遠(yuǎn)鏡作為瞄準(zhǔn)具，赫維留使用目視法瞄準(zhǔn)，二者的觀測(cè)精度不相上下。他向弗蘭斯蒂德和胡克匯報(bào)，聲稱赫維留的觀測(cè)是精確的。不過后來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)表明，配備望遠(yuǎn)鏡的儀器的測(cè)量精度遠(yuǎn)超過目測(cè)法。

哈雷的匯報(bào)可能引起弗蘭斯蒂德對(duì)他的不滿。或許在弗蘭斯蒂德看來(lái)，哈雷拿著望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)還是無(wú)法勝過用目視法瞄準(zhǔn)的赫維留，表明他的觀測(cè)能力不足。弗蘭斯蒂德此后對(duì)哈雷越來(lái)越輕視乃至敵視，可能源自于此。而且，哈雷的觀測(cè)技能與對(duì)精度的要求確實(shí)不如弗蘭斯蒂德。

1680年11月14日，德國(guó)天文學(xué)家科奇（Gottfried Kirch，1639-1710）發(fā)現(xiàn)了一顆正在向近日點(diǎn)回歸的彗星——“科奇彗星”（Kirch’s Comet）。這顆彗星后來(lái)變得非常壯觀，甚至可以在白天被看到，從而被歸類為“大彗星”（Great Comet）與“白晝彗星”，也被稱為“1680年大彗星”（Great Comet of 1680）。

此圖繪制了1681年1月在荷蘭阿爾克馬爾（Alkmaar）目睹科奇彗星的情景。圖源：公共版權(quán)

在此期間，哈雷剛好要去歐洲大陸處理公務(wù)。從1680年11月開始，哈雷在倫敦、英吉利海峽的船上、巴黎天文臺(tái)持續(xù)觀測(cè)這顆彗星。巴黎天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)卡西尼（Giovanni Cassini，1625-1712）也在觀測(cè)，并把自己的觀測(cè)記錄交給哈雷，并提出一個(gè)觀點(diǎn)：這顆彗星和1577年及1665年出現(xiàn)的彗星是同一顆彗星，它繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。

事實(shí)上，這三顆彗星并不是同一顆彗星的三次出現(xiàn)。但卡西尼提出的“彗星繞封閉軌道運(yùn)動(dòng)并可能回歸”的觀點(diǎn)，對(duì)于至少一部分彗星而言，是正確的。這個(gè)觀點(diǎn)也影響了此后哈雷研究彗星的思路。

1682年4月，26歲的哈雷與22歲的瑪麗·圖克（Mary Tooke，1660-1736）結(jié)婚，并在伊斯靈頓（Islington）定居，此后他們養(yǎng)育了三個(gè)孩子。在新婚那一年的夏天，哈雷看到了另一顆彗星，它是那一年出現(xiàn)的第二顆彗星。他沒有想到的是，這顆彗星此后會(huì)助他名垂青史。

牛頓《原理》的助產(chǎn)士

除了彗星外，哈雷對(duì)行星的運(yùn)行規(guī)律與物理起因也很感興趣。此前開普勒（Johannes Kepler，1571-1630）已提出著名的行星運(yùn)動(dòng)三大定律，其中的一條指出：行星公轉(zhuǎn)軌道為橢圓，其焦點(diǎn)之一為太陽(yáng)所在位置。但開普勒沒有給出橢圓軌道的物理起因。

此后世界上有多位學(xué)者猜測(cè)太陽(yáng)對(duì)行星的引力與二者距離的平方成反比。1684年1月，哈雷與胡克、雷恩（Christopher Wren，1632-1723）在一家咖啡館討論這個(gè)問題。胡克說(shuō)，他已經(jīng)證明引力與距離平方成反比，并據(jù)此推導(dǎo)出開普勒的行星運(yùn)動(dòng)三大定律。但是，幾個(gè)月時(shí)間過去，胡克依然沒有給出證明。

1684年8月，哈雷去劍橋拜訪牛頓。他問牛頓，如果行星受到的引力與它們到太陽(yáng)的距離的平方成反比，那么行星的運(yùn)行軌跡是什么曲線？牛頓立刻回答說(shuō)：是橢圓。哈雷驚喜交加，問牛頓如何確定是橢圓。牛頓說(shuō)他此前已經(jīng)計(jì)算過了。

牛頓沒有當(dāng)場(chǎng)找到自己的計(jì)算手稿，但他答應(yīng)哈雷，自己會(huì)重新計(jì)算一遍，然后寄給他。大約3個(gè)月后，牛頓將重新計(jì)算的結(jié)果寫為9頁(yè)的短論文交給哈雷。這篇論文從引力的平方反比定律推出開普勒的行星運(yùn)動(dòng)三大定律，哈雷立即被此文在數(shù)學(xué)和物理上的高度原創(chuàng)性所折服，并認(rèn)識(shí)到它被應(yīng)用于天文學(xué)的巨大潛力。哈雷再次訪問牛頓，請(qǐng)求牛頓將自己在這方面的研究全部寫出，由他安排出版。

哈雷的這個(gè)建議激發(fā)了牛頓的積極性。牛頓很快停下自己在其他領(lǐng)域的工作，一邊擴(kuò)展自己在力學(xué)方面的研究，一邊將結(jié)果寫入著作中。經(jīng)過一年半時(shí)間的奮戰(zhàn)，牛頓寫出了不朽的巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（Philosophi? Naturalis Principia Mathematica），簡(jiǎn)稱《原理》（Principia）。

《原理》的前兩卷建立起力學(xué)的龐大體系，第三卷將這個(gè)力學(xué)體系應(yīng)用到天體力學(xué)現(xiàn)象，包括萬(wàn)有引力定律，行星、衛(wèi)星和彗星等天體的運(yùn)動(dòng)，歲差的形成，潮汐現(xiàn)象等。

與此同時(shí)，哈雷于1686年初放棄了皇家學(xué)會(huì)會(huì)員資格，競(jìng)選上皇家學(xué)會(huì)書記員（clerk），年薪50英鎊。這份薪水不高，但哈雷可以管理學(xué)會(huì)的各類信件和會(huì)議，并編輯《哲學(xué)匯刊》，及時(shí)了解歐洲的學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)。他擔(dān)任此職到1698年，然后恢復(fù)了皇家學(xué)會(huì)會(huì)員身份。

1686年4月，牛頓將《原理》的第一卷提交給皇家學(xué)會(huì)，稍后提交了第二卷。胡克很快知道此事，他認(rèn)為是他先提出“引力與距離平方成反比”與橢圓軌道之間的關(guān)系，牛頓應(yīng)該在著作的前言中強(qiáng)調(diào)他的優(yōu)先權(quán)。

牛頓得知胡克的言論后，一開始還能控制情緒，但在此后半個(gè)月時(shí)間里越想越氣，終于勃然大怒。他在信中告訴哈雷，他要扣留尚未發(fā)出的第三卷。哈雷聞?dòng)嵑蟠篌@失色，立即勸說(shuō)牛頓，讓他不要為胡克的夸大其詞而惱怒。哈雷強(qiáng)調(diào)，這本書如果沒有了第三卷，就只能吸引數(shù)學(xué)家。在哈雷的安撫下，牛頓同意出版全書。

1686年6月30日，皇家學(xué)會(huì)主席批準(zhǔn)了這本書的出版。然而，此前皇家學(xué)會(huì)在《魚類志》（De Historia piscium）的出版上消耗完出版經(jīng)費(fèi)，而且此書銷量不佳，無(wú)法回本。為了能讓牛頓的《原理》盡快出版，哈雷自掏腰包，支付出版費(fèi)，并負(fù)責(zé)編輯與校對(duì)。

經(jīng)過哈雷一年的緊張工作，長(zhǎng)達(dá)550頁(yè)的《原理》第一版于1687年7月面世。物理學(xué)與天文學(xué)的一個(gè)新紀(jì)元誕生了。在序言中，哈雷熱烈贊頌了牛頓的這本巨著。《原理》能夠如此迅速出版，哈雷功不可沒——他是這本書的助產(chǎn)士。有人甚至說(shuō)，沒有哈雷鼓勵(lì)牛頓出版并積極協(xié)助，牛頓的這本書不會(huì)出現(xiàn)。

在哈雷幫牛頓出版了這本巨著后，皇家學(xué)會(huì)通知他，以滯銷的50本《魚類志》來(lái)抵他的年薪，另外贈(zèng)送20本。哈雷領(lǐng)了70本《魚類志》回家了。

落選薩維里天文學(xué)教授

1691年，牛津大學(xué)第五任薩維里天文學(xué)教授（Savilian Professor of Astronomy）伯納德（Edward Bernard，1638-1697）辭去教職，去當(dāng)牧師。這個(gè)教席與薩維里幾何學(xué)教授（Savilian Professor of Geometry）席位都由牛津大學(xué)莫頓學(xué)院（Merton College）曾經(jīng)的院長(zhǎng)薩維里（Henry Savile，1549-1622）于1619年設(shè)立。兩個(gè)席位分別只給一人，在當(dāng)時(shí)的英國(guó)具有崇高的聲譽(yù)。

哈雷開始競(jìng)爭(zhēng)薩維里天文學(xué)教授的席位。此時(shí)，弗蘭斯蒂德對(duì)哈雷的敵視已經(jīng)公開，他直接反對(duì)哈雷擔(dān)任此職，并寫信給牛頓。牛頓回信建議和解。

對(duì)哈雷來(lái)說(shuō)，真正的障礙來(lái)自教會(huì)勢(shì)力。英國(guó)圣公會(huì)認(rèn)為，哈雷此前關(guān)于《圣經(jīng)》中的大洪水發(fā)生時(shí)間的研究，是在質(zhì)疑《圣經(jīng)》中給出的地球年齡，因此他不能擔(dān)任這個(gè)教授。實(shí)際上，哈雷只是指出：當(dāng)時(shí)的理論得到的結(jié)果與《圣經(jīng)》中給出的地球年齡不符合。他認(rèn)定《圣經(jīng)》中地球年齡正確，并假定有彗星撞擊地球，引起大水，以解決這個(gè)“矛盾”。

最終宗教勢(shì)力的阻撓導(dǎo)致哈雷落選。他的朋友格里高利（David Gregory，1659-1708）獲得這個(gè)席位。格里高利也是牛頓陣營(yíng)的人，得到了牛頓的大力支持。

哈雷并未因?yàn)檫@次挫敗停止水與地球年齡的關(guān)系的研究。他假設(shè)海洋剛形成時(shí)不含鹽，注入海洋的河水為海洋帶來(lái)鹽。通過海水鹽度的變化，哈雷計(jì)算出地球的年齡最少為1億年。這個(gè)數(shù)字遠(yuǎn)超過《圣經(jīng)》所暗示的六千年，進(jìn)一步激怒了他的宗教敵人。

Thomas Murray繪制的哈雷畫像，大約繪制于1690年，此時(shí)哈雷約33歲。圖源：Thomas Murray

哈雷對(duì)水的研究不止于此。1691年，他設(shè)計(jì)了一種潛水鐘與潛水頭盔。在一次演示中，他和五名同伴潛入18米深的河水下，并在那里停留了一個(gè)半小時(shí)。經(jīng)過他的改進(jìn)，下潛時(shí)間被延長(zhǎng)到4個(gè)多小時(shí)。這些潛水裝置是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的。哈雷很快成立了一家上市公司，從事打撈業(yè)務(wù)。

他對(duì)潛水的興趣還促進(jìn)了光學(xué)的發(fā)展。他多次潛水，在不同的深度觀察陽(yáng)光的顏色，并將結(jié)果報(bào)告給牛頓。這些結(jié)果被牛頓寫入他的著作《光學(xué)》中。

人口學(xué)與精算學(xué)

哈雷對(duì)人口學(xué)與精算學(xué)也有濃厚的興趣。在前往巴黎（1680）前，哈雷就研究了倫敦的人口密度、出生率、結(jié)婚率與死亡率。到巴黎后，他通過步行，丈量了巴黎城大小，計(jì)算出巴黎的人口密度、出生率、結(jié)婚率與死亡率。

通過計(jì)算，哈雷得到一個(gè)結(jié)論：“假定這種情況一直不變，那么人類中有一半的人將未婚而死，每對(duì)已婚夫婦平均必須生育四個(gè)孩子，才能使人類數(shù)量保持穩(wěn)定。”哈雷的這項(xiàng)研究是人口學(xué)重要的早期研究。

1689年，德國(guó)學(xué)者諾伊曼（Caspar Neumann，1648-1715）研究了布雷斯勞【Breslau，當(dāng)時(shí)屬于德國(guó)，現(xiàn)為波蘭的弗羅茨瓦夫（Wroc?aw）】的出生率與死亡率，并將相關(guān)論文提交給英國(guó)皇家學(xué)會(huì)。哈雷以諾伊曼的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了死亡年齡，于1693年發(fā)表了一篇關(guān)于終身年金的論文。這篇論文使英國(guó)政府可以根據(jù)購(gòu)買者的年齡適當(dāng)制定終身年金的價(jià)格，有力推動(dòng)了精算學(xué)的發(fā)展。

彗星領(lǐng)域的繼續(xù)研究

1695年，哈雷第二次進(jìn)入彗星研究領(lǐng)域。他整理了1337 年至1698 年之間被觀測(cè)到的24顆彗星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并計(jì)算出它們的軌道面與地球軌道面的夾角、近日點(diǎn)與太陽(yáng)的距離、到達(dá)近日點(diǎn)時(shí)在天空中出現(xiàn)的位置等軌道參數(shù)。

由于1531年、1607年與1682 年都出現(xiàn)了彗星，且分別間隔76與75年。哈雷初步推測(cè)這三顆彗星是同一顆彗星的重復(fù)回歸。

經(jīng)過計(jì)算，哈雷發(fā)現(xiàn)，這三顆彗星的軌道特征幾乎相同。因此，哈雷正式得出結(jié)論，這三顆彗星是同一顆彗星，它繞著橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，大約每75-76年返回近日點(diǎn)，回歸之間的時(shí)間間隔并不嚴(yán)格相等。是的，這就是那顆著名的“哈雷彗星”。

實(shí)際上，三次回歸軌道略有差異，哈雷提出，可能的原因是這顆彗星每次回歸時(shí)都受到木星和土星的干擾，粗略計(jì)算后，基本上可以解釋不同時(shí)間回歸時(shí)的軌道差異。

1696年，哈雷發(fā)表了他的這些研究，但因?yàn)槠渌芯颗c任命而在此后中斷了彗星研究。

1705年，處理完各類事務(wù)的哈雷第三次深入研究彗星，并出版了《彗星天文學(xué)概論》（Astronomiae cometicae synopsis），系統(tǒng)總結(jié)了自己過去對(duì)彗星的研究成果。牛頓的《原理》的第三版（1726年出版）在討論彗星時(shí)，大量引用了哈雷在彗星領(lǐng)域的成果。

哈雷的《彗星天文學(xué)概論》預(yù)測(cè)“哈雷彗星”將在1758年底回歸，并計(jì)算出它到達(dá)近日點(diǎn)時(shí)的位置等軌道特征。那時(shí)他將102歲，他知道自己活不到那一年，但希望后人在看到這顆彗星回歸時(shí)，會(huì)承認(rèn)他是第一個(gè)預(yù)測(cè)出這顆彗星回歸時(shí)間的人。

探索地磁場(chǎng)

導(dǎo)致哈雷在1696年中斷彗星研究的第一件事是造幣廠的職務(wù)。這一年，牛頓被任命為皇家造幣廠的廠長(zhǎng)。為了報(bào)答哈雷此前出錢出力幫自己出版《原理》，牛頓提名哈雷為切斯特造幣廠的副審計(jì)長(zhǎng)。此后兩年，身為副審計(jì)長(zhǎng)的哈雷調(diào)查出廠內(nèi)人員貪污的事實(shí)，因此受到排擠，深受這個(gè)工作的折磨。直到這個(gè)造幣廠被關(guān)閉，他才得以解脫。

緊接著，哈雷于1698年8月被國(guó)王威廉三世（William Henry，1650-1702）任命為“帕拉莫爾”（Paramour）號(hào)的船長(zhǎng)。這是一艘平底三桅小帆船，長(zhǎng)度不足20米。

隨后，哈雷指揮這艘船前往南大西洋，完成兩次遠(yuǎn)航，研究沿路的磁場(chǎng)變化規(guī)律。1701年，哈雷再次指揮帕拉莫爾號(hào)進(jìn)行第三次航行，主要目的是研究英吉利海峽的潮汐。據(jù)說(shuō)他同時(shí)勘查了法國(guó)港口防御工事（當(dāng)時(shí)法國(guó)與英國(guó)之間關(guān)系緊張）。

1701年，哈雷將遠(yuǎn)航過程中的地磁場(chǎng)探測(cè)結(jié)果發(fā)表在《羅盤變化通圖》（General Chart of the Variation of the Compass）。這是世界上第一個(gè)地磁場(chǎng)分布研究。哈雷用虛線標(biāo)記出地磁偏角相同的地點(diǎn)，這就是等磁偏線（isogonic lines），也被稱為“哈雷線”（Halleyan lines）。

因?yàn)檫@個(gè)重要貢獻(xiàn)，哈雷也被認(rèn)為是地球物理學(xué)的奠基人之一。1702年到1703年，哈雷被英國(guó)女王安妮（Anne，1665-1714）任命為外交官，負(fù)責(zé)與其他歐洲領(lǐng)導(dǎo)人的外交事務(wù)。

哈雷對(duì)地磁場(chǎng)的研究也延伸到對(duì)極光的研究。1716 年的極光出現(xiàn)后，哈雷根據(jù)自己搜集到的世界各地的觀測(cè)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)無(wú)論在何處觀測(cè)，極光總是出現(xiàn)在北方。他因此猜測(cè)北極光與地磁場(chǎng)有關(guān)，并指出“極光是由粒子產(chǎn)生的，這些粒子受磁場(chǎng)影響，與地球磁場(chǎng)平行”。這個(gè)觀點(diǎn)后來(lái)被證明是正確的。

薩維里幾何學(xué)教授

1703年年底，第三任薩維里幾何學(xué)教授沃利斯（John Wallis，1616-1703）去世。哈雷被牛頓視為最佳繼任者，予以強(qiáng)烈推薦。弗蘭斯蒂德依舊強(qiáng)烈反對(duì)，他寫信給二人的共同好友，說(shuō)哈雷 “現(xiàn)在他說(shuō)話、罵人、喝白蘭地時(shí)，都像一個(gè)海船船長(zhǎng)。”他批評(píng)牛頓：“I. 牛頓爵士偏愛E. 哈雷，這使我們的皇家學(xué)會(huì)陷入混亂。”這個(gè)指控當(dāng)然不正確，但牛頓喜愛哈雷卻是事實(shí)。

弗蘭斯蒂德的反對(duì)意見自然不足以擊倒哈雷。更重要的是，哈雷的宗教敵人此時(shí)已經(jīng)去世，再也沒人能夠繼續(xù)阻撓他。1704年，哈雷被任命為第四任薩維里幾何學(xué)教授。這一職位的年薪是150英鎊，還配備牛津皇后巷的一個(gè)雅致住宅。

為了讓自己稱職，哈雷開始整理古希臘幾何學(xué)著作，特別是古希臘數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家阿波羅尼烏斯（Apollonius，約前240-約前190）的《圓錐曲線論》。當(dāng)時(shí)《圓錐曲線論》的希臘語(yǔ)版本已無(wú)法找到，存世的只有阿拉伯學(xué)者翻譯出的阿拉伯語(yǔ)版本。伯納德在萊頓和牛津大學(xué)的博德利圖書館（Bodleian Library）找到其中的第五到第七卷并進(jìn)行翻譯，但沒有完成。

當(dāng)時(shí)格里高利正在翻譯這本書的前四卷。哈雷自學(xué)了阿拉伯語(yǔ)，然后開始翻譯《圓錐曲線論》第五到第七卷。格里高利于1708年去世后，哈雷接手了前四卷的翻譯工作，并重新整理、翻譯了第八卷。

1710年，哈雷出版了完整的八卷本《圓錐曲線論》的第一個(gè)拉丁文版。同年，他被牛津大學(xué)授予法學(xué)榮譽(yù)博士學(xué)位。此后別人經(jīng)常稱呼他為“哈雷博士”。

從1713 年起，哈雷擔(dān)任皇家學(xué)會(huì)秘書（secretary）一職。

恒星自行與無(wú)限宇宙

1717年至1718年，哈雷將自己的天文觀測(cè)結(jié)果與古希臘天文學(xué)家喜帕恰斯（Hipparchus，約前190 -約前120）的觀測(cè)相比較。二人的觀測(cè)時(shí)間相距1800多年。哈雷發(fā)現(xiàn)，亮星天狼星（大犬座α，Sirius）、大角星（牧夫座α，Arcturus）與畢宿五（金牛座α，Aldebaran）的位置與喜帕恰斯星表中的位置存在明顯的差異。其中，天狼星向南移動(dòng)了30角分（大約是月亮的視直徑）。哈雷得出的數(shù)據(jù)與現(xiàn)代對(duì)畢宿五的測(cè)量不符。不過，他對(duì)天狼星和大角星的運(yùn)動(dòng)的判斷是正確的。

哈雷指出，這是因?yàn)楹阈亲陨碓谟钪嬷羞\(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的，還斷言其他暗星的移動(dòng)不明顯，是因?yàn)樗鼈兙嚯x地球更遠(yuǎn)——這就是恒星的自行（proper motion）。哈雷的這項(xiàng)工作意味著恒星不“恒”，只要經(jīng)過足夠長(zhǎng)時(shí)間，或者擁有足夠精密的觀測(cè)儀器，就可以發(fā)現(xiàn)它們的運(yùn)動(dòng)。后代的觀測(cè)證實(shí)了哈雷的結(jié)論。此后至今，天文學(xué)家制作星表時(shí)不僅要記下恒星的位置，還要記下恒星的自行。

哈雷還注意到，每當(dāng)望遠(yuǎn)鏡的放大倍率提高，就會(huì)觀測(cè)到更多更暗的恒星，它們可能更遠(yuǎn)。因此，哈雷于1720年的一篇論文中提出一個(gè)猜測(cè)：宇宙是無(wú)限的，我們每次看到的恒星都只是其中距離我們最近的那部分，還有無(wú)數(shù)我們看不到的恒星在更遠(yuǎn)處。

哈雷還指出，由于宇宙無(wú)限，因此就不存在“恒星因?yàn)橐Χ鴷?huì)聚”的問題，這是對(duì)宇宙的引力穩(wěn)定性問題的一個(gè)早期探索。

月球觀測(cè)與海上經(jīng)度測(cè)定

1720年，63歲的哈雷被任命為第二任皇家天文學(xué)家，兼任格林尼治天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)。他從英國(guó)海軍申請(qǐng)到500英鎊資金，然后用這筆錢給格林尼治天文臺(tái)購(gòu)買了新的儀器與一個(gè)精確的擺鐘。

哈雷所在的時(shí)代，作為航海大國(guó)的英國(guó)，最關(guān)注的核心問題之一是精確測(cè)定海上經(jīng)度，協(xié)助船只精確導(dǎo)航。“月距法”被認(rèn)為是很有前途的方法之一。該方法需要提前計(jì)算出月球在未來(lái)某個(gè)時(shí)期內(nèi)的每隔一段時(shí)間（如相隔幾小時(shí)）的精確位置，從而得到其與一些明亮恒星的精確距離，據(jù)此提前制作出航海天文歷，為月距法測(cè)定海上經(jīng)度提供基礎(chǔ)。

月球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律存在18年零11天的周期（223個(gè)朔望月，即“沙羅周期”， 這也是日食重復(fù)發(fā)生的周期）。如果可以完整觀測(cè)一個(gè)沙羅周期，就可以得到月球運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律、精確確定月球運(yùn)行軌道，為編制航海天文歷提供基礎(chǔ)。

因此，哈雷制定了一個(gè)長(zhǎng)達(dá)18年的月球觀測(cè)計(jì)劃。為了專心工作，他于1721 年辭去皇家學(xué)會(huì)秘書一職。1731年，哈雷發(fā)表了一種利用月距法測(cè)海上經(jīng)度的方法，該方法在赤道處的誤差不超過20里格（約100千米，取決于里格的定義），顯著降低了誤差。

不過，由于月球受到地球與太陽(yáng)的引力作用，其運(yùn)動(dòng)涉及復(fù)雜的三體運(yùn)動(dòng)問題，精確預(yù)測(cè)其未來(lái)軌道的難度很高。哈雷在世時(shí)還沒有人可以解決這個(gè)問題。月球軌道的精確預(yù)測(cè)問題直到1755年才被德國(guó)天文學(xué)家邁耶（Tobias Mayer，1723-1762）解決；月距法也因此在那之后迅速走向?qū)嵱谩?/p>

測(cè)定海上經(jīng)度的另一個(gè)方案是制造出可以在海上使用的鐘表。1730年，鐘表匠哈里森（John Harrison，1693-1776）帶著自己改進(jìn)后的航海鐘方案拜訪哈雷。聽完哈里森的講解后，哈雷非常贊賞，將他介紹給著名的儀器制造商格雷厄姆（George Graham，1675-1751）。后者也非常欣賞哈里森，并為他提供了無(wú)息貸款，使其有了制造出精確航海鐘的啟動(dòng)資金。

月距法與航海鐘都提高了海上經(jīng)度測(cè)定的精確度與海上航行的安全性。哈雷不僅推動(dòng)了月距法的研究，也因?yàn)橥扑]哈里森而造就了一個(gè)科學(xué)史佳話。

人生的最后一杯酒

1736年，陪伴哈雷54年的妻子瑪麗去世，此時(shí)哈雷已經(jīng)80歲。不久后，哈雷中風(fēng)了。1741年，哈雷的兒子埃德蒙三世（Edmond Halley, III）去世，年僅42歲。哈雷忍著喪妻喪子的悲痛，持續(xù)觀測(cè)和研究到1741年底。

1742年1月25日（儒略歷1月14日），哈雷走到了人生的盡頭。他的最后要求是喝一杯葡萄酒。喝完這杯酒后，哈雷溘然長(zhǎng)逝，享年85歲。

死前，哈雷希望和妻子瑪麗合葬。他被安葬在圣瑪格麗特老教堂的墓地。后來(lái)，這個(gè)教堂被拆除、重建，他的墓碑被英國(guó)海軍部轉(zhuǎn)移，最后被嵌到格林尼治天文臺(tái)的南墻。

1758 年底，人們果然看到了哈雷在世時(shí)預(yù)言的彗星回歸，因此它很快被命名為“哈雷彗星”。這是一顆被確認(rèn)的周期彗星。此后，這顆彗星多次回歸。1986年，哈雷彗星回歸時(shí)，一座紀(jì)念哈雷的紀(jì)念碑在威斯敏斯特教堂的南回廊揭幕。

1986 年哈雷彗星回歸時(shí)，W. Liller拍攝的圖像（1986年3月8日）。圖源：NASA/W. Liller - NSSDC's Photo Gallery (NASA)

“全人類的縮影”

哈雷興趣廣泛，勤于研究。17世紀(jì)的自然科學(xué)尚未被充分細(xì)分，許多學(xué)者同時(shí)研究多個(gè)自然科學(xué)學(xué)科并都取得成就，成為全才科學(xué)家；有些科學(xué)家甚至同時(shí)研究工程學(xué)科與文科，成為全才學(xué)者。

哈雷處于那樣的時(shí)代，也成為涉獵廣泛的全才科學(xué)家。他一生的研究涉及天文學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、地磁學(xué)、地質(zhì)學(xué)、工程學(xué)、氣象學(xué)、大氣學(xué)、測(cè)地學(xué)、動(dòng)物學(xué)、植物學(xué)、人口學(xué)、精算學(xué)、考古學(xué)等多個(gè)學(xué)科。

在具體的研究課題上，哈雷除了在天文學(xué)（彗星研究、恒星觀測(cè)、金星凌日的計(jì)算、月球運(yùn)動(dòng)觀測(cè)）、地磁學(xué)、幾何學(xué)領(lǐng)域獲得很高成就外，還研究了信風(fēng)與季風(fēng)規(guī)律、海水蒸發(fā)、新星、星云、太陽(yáng)黑子、土衛(wèi)六軌道、極光成因、經(jīng)度與緯度測(cè)定、原子的引力大小、溫度測(cè)定、聲速、厚透鏡的焦距、光的本質(zhì)、磁力、三次與四次方程理論、對(duì)數(shù)、數(shù)值求根法（“哈雷方法”）、擺線面積、無(wú)窮量，等等。作為一個(gè)出色的編輯，他還推動(dòng)了牛頓《原理》的出版，翻譯整理了眾多著作，編輯了其他學(xué)者的大量論著。

哈雷涉獵之廣、成就之高，即使在那個(gè)盛產(chǎn)全才學(xué)者的時(shí)代，依然是同時(shí)代人物中的佼佼者。著名天文學(xué)家與科普大師薩根（Carl Sagan，1934-1996）與合作者在《彗星》（Comet）一書中評(píng)價(jià)道：“對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，哈雷就像一位憑借一個(gè)非凡賽季甚至只是一次精彩表現(xiàn)而載入史冊(cè)的運(yùn)動(dòng)員。我們查閱（哈雷的）資料時(shí)，期待找到的是一位像無(wú)數(shù)其他人一樣為科學(xué)大廈添上一兩塊磚頭的熟練工匠。然而，呈現(xiàn)在我們面前的卻是一位建筑大師。”

著名科學(xué)史家、科普作家查普曼（Allan Chapman，1946–2026）認(rèn)為：“無(wú)論以何種標(biāo)準(zhǔn)衡量，哈雷都是一位充滿傳奇色彩的人物，他的職業(yè)生涯涵蓋了科學(xué)家、外交官、皇家海軍艦長(zhǎng)和探險(xiǎn)家等多重身份，而且他還是個(gè)很會(huì)交際的人。”

查普曼的最后一個(gè)評(píng)價(jià)還體現(xiàn)在法國(guó)物理學(xué)家與天文學(xué)家麥蘭（Jean-Jacques de Mairan，1678-1771）為哈雷寫的悼文中。他評(píng)價(jià)了哈雷“贏得同輩喜愛的種種品質(zhì)”：天性熱情，為人坦誠(chéng)，做事守時(shí)，判斷公正，舉止如一，性情溫和，態(tài)度親切，樂于交流。

后代許多學(xué)者認(rèn)為，如果不是有牛頓，哈雷將是他那個(gè)時(shí)代最偉大的學(xué)者。不過，輸給牛頓，并不是一件不光彩的事。相反，在牛頓的時(shí)代僅次于牛頓，是一種光榮。這也是哈雷從來(lái)不嫉妒牛頓的根本原因之一。

哈雷留下了眾多著作和檔案。令人遺憾的是，第二次世界大戰(zhàn)期間，德軍的一次空襲嚴(yán)重破壞了倫敦市政廳，哈雷的大部分檔案隨之遺失。

為了紀(jì)念哈雷，人們將他當(dāng)年在圣赫勒拿島進(jìn)行觀測(cè)的那座山命名為“哈雷山”（Halley's Mount），將南極的一個(gè)研究站命名為“哈雷研究站”（Halley Research Station）——人類在這里首次發(fā)現(xiàn)了臭氧洞。人們還將月球上一個(gè)直徑35千米的環(huán)形山與火星上的一個(gè)隕擊坑命名為“哈雷”。

阿波羅16號(hào)拍攝的哈雷環(huán)形山。圖源：James Stuby based on NASA image - Arizona State University, Apollo Image Archive, Apollo Browse Gallery

正如英國(guó)物理學(xué)家與科學(xué)哲學(xué)家丁格爾（Herbert Dingle，1890-1978）在牛津大學(xué)的哈雷講座（Halley Lecture）中總結(jié)的那樣：“他似乎并非個(gè)體，而是全人類的縮影。”（He seems to be not one but all mankind’s epitome.）

參考文獻(xiàn)

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[3] David K. Love (2023), Edmond Halley: The Many Discoveries of the Most Curious Astronomer Royal, Prometheus, ISBN 10: 1633888916

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[9] Michael White (1997). Isaac Newton: The Last Sorcerer. Fourth Estate Limited. ISBN 978-1-85702-416-6

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