阿文最近在電視上看到紐西蘭的毛利女議員為了抗議政府企圖修改與毛利人權益相關的法案，而在國會議場跳起戰舞的新聞，覺得十分有趣，仔細查了一下才發現事情的原委是這樣的: 英國在1840年與紐西蘭眾部落簽訂了《懷唐伊條約》。但該條約有英文與毛利文二版本，英國王室代表簽了英文版，毛利人代表簽了毛利文版。毛利文版承諾保證毛利人對土地和財產的「tino rangatiratanga」，這個詞在毛利文中意為「自決」或「主權」，但是在英文版用的詞彙卻是「possession」（領有、占有），雙方對文意及解讀不同。最近的風波就是來自於紐西蘭政府想要重新解釋180多年前一項紐西蘭人與原住民毛利人地位的《懷唐伊條約》，在2024年的11月14日對新法案進行一讀表決，遭到毛利人議員的抗議，她不但撕毀新法文件，甚至當場跳起毛利戰舞，造成國會議程一度中斷，帶頭唱戰歌的女議員也遭到國會驅離現場。
認真想來，這場騷動，追根究底應該要算到英國探險家，詹姆斯·庫克(James Cook，1728—1779)的頭上，這話怎麼說呢，因為正是庫克船長讓紐西蘭成了大英帝國的殖民地。庫克船長當年搭著奮進號(HMS Endeavour)，在1769年8月離開社會群島向西進發，約兩個月後於10月6日抵達紐西蘭。庫克抵達紐西蘭後隨即作環島航行，還繪製了紐西蘭全域的海岸線。1788年，英國正式把紐西蘭劃入澳大利亞新南威爾斯殖民地中，正式成為英國的殖民地。說起來要是庫克船長當年航道偏一下，閃過紐西蘭，直接上麻六甲海峽回英國去的話，紐西蘭說不定就會變成完全不一樣的國家呢。令人意外的是，庫克船長到紐西蘭的那趟航行，官方公開的理由並不是要去開疆拓土，而是一項國際合作的科學任務呢! 大家很難想像在十八世紀下半葉，整個歐洲的強權，不只在陸地上兵戎相見，在海外也同時展開爭奪殖民地的割喉戰的同時，居然還會進行基於科學目的的國際合作。就讓阿文把這來龍去脈說給各位看官聽一聽。
庫克擔負的任務就是在世界各地與其他組同時觀察「金星凌日」，這項任務的目標是測量地球與太陽的距離，也就是今天通稱一個天文單位(AU)的精確長度。「金星凌日」顧名思義就是指金星像暗斑一樣掠過太陽盤面的天文現象。這類天文現象可能持續數個小時。金星凌日基本上與月球造成日食的原理其實是一樣的。
雖然金星的直徑幾乎是月球的3.5倍，但由於它離地球的距離4,100萬公里，遠大於月地距離(34萬公里)，所以金星遮蔽的太陽面積相比日食要小得多了。發生日全食時，月球的視直徑與太陽的相等，約為30′。凌日過程中，金星視直徑為1′左右，不足太陽視直徑的1/30，所以在凌日過程中，金星會像小黑斑一樣自東向西穿過太陽表面，同時像日食中的月球那樣遮蔽部分太陽輻射。金星凌日雖然用肉眼可以觀測到，但為了安全起見，最好還是採用觀測日食時使用的蒸鍍有鋁、鉻或是銀塗層的減光濾片觀測。
凌日開始前，金星會緩緩接近太陽東側。隨後金星開始從外側接觸太陽。這一時刻叫作「第一接觸」。金星接著開始進入太陽表面。其剛好進入太陽內側的時刻稱作「第二接觸」。第一接觸與第二接觸之間相隔30分鐘左右。在這之後，金星向西穿過太陽表面。其中，金星與太陽表面中心距離最近的時刻叫作「凌甚」。金星開始接觸到太陽表面另一側邊緣的時刻叫作「第三接觸」。第二接觸與第三接觸的間隔時間會隨著金星穿過太陽表面路徑不同而有所變化。2004年與2012年的金星凌日中，第二接觸與第三接觸的間隔時間約為6小時左右。第二接觸之後以及第三接觸之前會有一段時間，地球上的觀測者可能看到金星會像太陽邊緣附近的水滴一樣。這種現象叫作「黑滴現象」。金星剛好完全離開太陽表面的時刻叫作「第四接觸」。第三接觸與第四接觸間隔時間約為30分鐘。由於金星凌日歷時較長，如果過程中剛好遇到日落，那觀測自然要中斷，所以能夠觀測到完整的金星凌日過程的地點有相當多的限制。科學家希望通過觀察金星凌日估算太陽和地球之間的距離。 但是金星凌日發生頻率遠低於日食，算是相對罕見的天文現象。在最近的近兩千年時間裡，它以243年的週期循環往復。一個週期內會出現間隔8年的兩次金星凌日。這個看起來有點奇怪的週期性規律是怎麼來的呢? 這個要稍微說明一下。
照說金星凌日就像日食一樣，只要太陽、金星和地球排成一線就會發生，既然太陽、金星和地球每隔584天就會大致排成一線，那麼為何不是每584天發生一次呢?主要的原因是金星公轉軌道平面與地球公轉軌道平面存在著3.4度的傾角，因此只有當地球太陽連線與金星太陽連線夾角小於0.25°（太陽視直徑的一半）時，金星凌日才會發生。由於地球243個恆星軌道週期（一個週期約365.25636日）約為88,757.3日，與金星395個金星恆星軌道週期（一個週期約224.701日）的總和88,756.9日幾乎相等。因而一次金星凌日後243年一般會再次發生金星凌日。因此可以類比月食和日食的沙羅序列，將相隔243年的金星凌日編為一個序列。由於每次地球與金星相對位置相同的週期與243年之間也存在一定偏差，也就是說相隔243年的兩次金星凌日發生時，地球與金星的相對位置並不完全相同。經過相當長的時間後，地球與金星之間的相對位置可能沒有對齊，無法產生金星凌日，那麼這個序列就結束了。一個序列的存在時間可能會相當長，比如始於公元前1763年、即將結束於公元2854年的金星凌日序列就將持續4,600多年。
那麼金星凌日為什麼通常會成對出現，相隔時間約為8年呢? 那是由於地球公轉8次的時間（約2922.05日）與金星公轉13次的時間（約2921.1日）基本相等，也就是說8年前後地球和金星的相對位置幾乎相同。不過由於金星每次會提早22小時到合的位置，到了第三次時，金星與地球就無法對齊，無法產生第三次的金星凌日。一般在一個金星凌日的序列終結或開始時會出現不成對的金星凌日。上一個不成對的金星凌日出現在公元1396年，而下一個將在公元3089年出現。
第一個認真思考運用金星凌日來估計地日距離的科學家，應該是克卜勒吧? 他在1629年預測了將於1631年發生的水星凌日與金星凌日。儘管依據他的計算結果，那一次金星凌日最佳觀測地會是美洲大陸，但他還是在1629年出版的小冊子《盛年難再》（De raris mirisque Anni）中提醒歐洲的天文學家關注這次金星凌日。沒想到克卜勒在1630年十一月在雷根斯堡一命嗚呼了。幸好法國天文學家皮埃爾·伽桑狄(Pierre Gassendi，1592—1655)依照克卜勒的建議等人觀測到了水星凌日，但由於金星凌日發生時，對於歐洲大部分地區，太陽都在地平線之下，所以這些天文學家沒有辦法觀測到這次金星凌日。克卜勒也預測了1639年金星將從太陽邊緣擦過，並不會凌日。但是年僅二十歲的天才英國天文學家傑雷米亞·霍羅克斯(Jeremiah Horrocks，1618—1641）修正了克卜勒的計算結果，得到1639年也將有金星凌日的結論。他在該年的11月5日致信威廉·克拉布特里(William Crabtree)，告訴他金星凌日即將到來，並建議克拉布特里觀測此次金星凌日。為了安全地觀測金星凌日，霍羅克斯使用一台簡單的望遠鏡將太陽影像投影在紙上。在觀察了大半個白天後，他看到了金星在大約15:15，日落前半小時左右，行經太陽盤面。霍羅克斯利用他的觀測記錄估算了金星的體積。克卜勒曾提出過這樣一個猜想：太陽系行星的大小與它們和太陽的距離成正比。霍羅克斯利用金星大小的估計值以及伽桑狄此前對於水星大小的估計值，基於克卜勒的猜想以及行星間距離的觀測數據，得出了這樣一個結論：從太陽那裡觀測到的行星視直徑都為28″。這個結論等價於：行星與太陽間的距離是其半徑的15,000倍。他基於這個結論估計太陽與地球的平均距離約為9400萬公里。不過霍羅克斯的結論目前已被證明是錯誤的。他的計算結果儘管基於錯誤的前提且不到現代公認值1.496億公里的三分之二。而這些結果直到霍羅克斯去世近20年後才於1661年出版，因為霍羅克斯在1641年年初就過世了，享年只有二十二!關於這位傳奇性人物，阿文將另撰一文，敬請期待。
霍羅克斯的結果出版兩年之後，蘇格蘭數學家詹姆斯·葛列哥里(James Gregory，1638—1675)在1663年，提出可以在地球上幾處相距遙遠的地方觀測水星凌日，然後使用三角測量計算日地平均距離的好點子。(順便一提，詹姆斯·葛列哥里也是在這一年提出反射望遠鏡的構想，五年後牛頓才做出第一架反射望遠鏡。但是牛頓的設計與他的設計不同。葛列哥里的設計發表十年之後，才由實驗科學家羅伯特·虎克製造出第一架葛列哥里望遠鏡。葛列哥里是牛頓的熱情支持者，與牛頓關係相當好。他甚至將牛頓的思想融入到自己的教學中，這些思想在當時是有爭議的，被認為是相當革命性的。)
在1716年的一期《自然科學會報》中，愛德蒙·哈雷對于葛列哥里的理論做了更為詳盡的闡釋，並進一步提出人們可以通過它確定地日距離。愛德蒙·哈雷之所以會對金星凌日產生興趣是因為他曾於1677年在聖赫勒拿島上觀測了一次水星凌日。他由此次觀測經歷得出太陽視差確實可以通過觀測行星凌日精確測算。但對於實際測算來說，水星運行速度太快。因而哈雷認為距離地球更近，視差更明顯的金星可能更適用於日地距離的測算。哈雷在1716年的報告中，考慮到視角（cone of visibility），特地推薦了幾處適合的觀測地點，包括哈德孫灣、挪威以及摩鹿加群島。不過哈雷在1761年金星凌日到來近二十年前，即於1742年就撒手人寰，當時哈雷已經是八十五高齡了。如果要看到金星凌日，哈雷得活到一百零五歲才行。
科學的發展是超越個人與國家的，哈雷發表論文後八年，法國天文學家約瑟夫-尼古拉斯·德利爾(Joseph-Nicolas Delisle，1688—1768）在1724 年在倫敦拜訪愛德蒙·哈雷，並跟他討論了金星凌日等問題。德利爾將哈雷的方法加以改進。哈雷的方法需要完整記錄金星凌日的持續時間，但是德利爾的方法則只需要記錄第二接觸和第三接觸的時間。由於能夠觀測到金星凌日全程的地區非常有限，德利爾的方法也就擴展了觀測地點的選擇範圍。1760年，德利爾提議國際科學界一起來籌畫1761年的金星凌日觀測，以此來確定地球與太陽的絕對距離。 他繪製了一張地圖，顯示了地球上哪些地方可以看到這種凌日現象，從而表明各個觀測站應該位於哪裡。這就是為什麼1761年與1769年的金星凌日吸引了來自英國、法國、俄國和奧地利等國的天文學家前往幾個前人甚少踏足的地方，例如南非、西伯利亞、北美洲、中美洲、印度洋以及太平洋等等，共同觀測。結果到了1761年，全世界有至少120位觀測者在62個觀測站對金星凌日進行了觀測，這其中不僅有歐洲的觀測站，還有位於加爾各答、托博爾斯克、好望角以及紐芬蘭的聖約翰斯的觀測站。考慮到當時的遠洋航行的條件，這些科學家需要數月甚至數年的時間前往目的地，可以想見各國對這次觀測的重視。
麻煩的是1761年正是七年戰爭(1756年－1763年)打得正激烈的時候。特別是英法兩國從歐洲打到全世界，包含美洲與印度! 這為航程增添了巨大的變數! 英國的查爾斯·梅森(Charles Mason 1728 – 1786) 在1761 年被指派前往蘇門答臘島觀測金星凌日，他與來自達勒姆郡科克菲爾德的測量員兼業餘天文學家耶利米·狄克遜(Jeremiah Dixon 1733 –1779)由於遭到法國戰艦的攻擊，未能及時到達目的地，最後被迫在好望角記錄觀測結果。(從好望角回來的路上，他們訪問了聖赫勒拿島，並與天文學家內維爾·馬斯基林進行了一系列觀測。) 另一方面，法國的亞歷山大·居伊·潘格雷(Alexandre Guy Pingré 1711–1796)也在做觀測後續工作時遭到了英國船隻的騷擾。最慘的是紀堯姆·勒讓蒂，不只因為兩國的戰爭錯失了觀測的機會，更讓他的人生從彩色變成黑白的! 1761年勒讓蒂計劃前往印度法國屬地邦狄哲利觀測金星凌日，但因為邦狄哲利被英國佔領未能抵達。在馬達加斯加居住一段時間後，他再次前往已經被法國收回的邦狄哲利，計劃觀測1769年的金星凌日。由於天氣原因，也未能觀測成功。由於長期沒有他的消息，他被宣告死亡從而喪失了法國科學院的職位；他的妻子後來改嫁，他所有親戚都「熱衷於掠奪他的財產」。由於海難和戰時船隻襲擊，他寫給學院或親戚的信都沒有到達目的地。他在法國科學院的席位已被宣佈空缺，並由替代代者接替。他必須經歷漫長的考驗才能重新獲得自己的財產和席位。1774年，他與一位來自熟識家庭的年輕人瑪麗·米歇爾·波捷 (Marie-Michelle Potier) 結婚，並育有一女瑪麗·阿德萊德 (Marie Adélaïde)。 他寫下了他驚人的旅程的故事之後，並在皇家天文台又生活了二十年。
當然不是每一組人都像紀堯姆·勒讓蒂那麼倒楣。俄國的米哈伊爾·瓦西里耶維奇·羅蒙諾索夫基(Mikhail Vasilyevich Lomonosov；1711—1765)在聖彼得堡科學院對1761年金星凌日的觀測結果就很不錯，他宣稱自己發現金星的大氣層。他的觀測器材是兩個消色差透鏡和一個弱太陽濾鏡（煙燻玻璃）。他在金星開始離開太陽盤面時觀測到一道光的突起，即「羅蒙諾索夫的弧」。他還發現金星開始進入太陽盤面時，接觸部分的太陽邊緣會變得模糊。羅蒙諾索夫認為這些現象是太陽光通過金星大氣層時發生折射造成的。這個宣稱後來遭到挑戰，2012年，傑伊·帕薩切夫(Jay Myron Pasachoff 1943 –2022) 和威廉·希恩（William Sheehan）基於帕薩切夫等人2004年金星凌日的觀測結果主張羅蒙諾索夫當年所觀測到的狀況應該不是金星大氣層造成的，而只是「黑滴現象」。有人挑戰，當然就有人回應囉。一組研究人員因此決定使用羅蒙諾索夫當年的老式折射望遠鏡觀測發生於2012年6月5日至6日的金星凌日，以此作為決定性測試。該組天文學家認為羅蒙諾索夫1761年時使用的望遠鏡可以觀測到金星進入和離開太陽盤面時在金星周圍產生的「羅蒙諾索夫弧」和其他光環效應，並認為這些效應確實是由金星大氣層造成的。
除了器材的限制，國際局勢的動盪，金星凌日的任務還受到一個限制，那就是如何準確地決定觀測地的的經緯度。但經度的精準測定在當時仍是非常困難的。儘管存在種種困難，各國天文學家仍是合作完成了此次規模於國際天文學界前所未見的觀測。激情過後，許多人開始檢討這次的觀測活動並且提出改進的意見。其中之一是牛津大學薩維爾天文講座教授，托馬斯·霍恩斯比(Thomas Hornsby 1733-1810)，他在1766年在《自然科學會報》發表一份報告，他與哈雷一樣提出由於視角所限，應擇定更好的觀測地點。他之所以會提醒皇家學會積極準備1769年的觀測，是因為他自己在牛津，由於天候惡劣，並沒有能夠成功觀測到上一次的金星凌日。皇家學也從善如流，承諾英國「不會遜於古今任何一個國家」，並積極準備下一次的嘗試。皇家學會基本遵照了哈雷1716年提出的建議來選定觀測凌日地點，推薦了三個觀測點：挪威的北角，位於加拿大哈德孫灣的邱吉爾堡以及南太平洋的某處適合的島嶼。他們宣布將向三處各派出兩支觀測隊。英王喬治三世批准了這一計劃，還要求海軍要提供船隻呢。他還向學會劃撥了4000英鎊以應對這一計劃的開支。
但是南太平洋當時並不是英國的地盤，該選哪裏好呢，這對皇家學會可是件傷腦筋的事呢。好巧不巧，就在1767年6月，英國航海家塞繆爾·沃利斯(Samuel Wallis 1728–1795)完成了歐洲人對於大溪地的首次勘測。大溪地島是當時為數不多的幾處能夠確定緯度的南太平洋島嶼之一。這為皇家學會提供了一處觀測金星凌日的理想地點。
當然要派大隊人馬去這麼遙遠又陌生的地方，光靠皇家學會是不夠的，皇家海軍才有這種本事。海軍對於應在南太平洋何處觀測金星凌日其實並不太感興趣。幸好他們對尋找未知的南方大陸十分熱心。他們向前往大溪地的天文學家及其他科學家提供了奮進號，並且委任詹姆斯·庫克作為領隊帶領船隊。庫克是當時領隊的不二之選。他不但具備高超的航海技能，並且還是位稱職的天文學家。因為他曾於1766年在紐芬蘭觀測了該年的日食。與1761年那次最大的不同是英國海軍還是保證了法國天文學家亞歷山大·居伊·潘格雷的安全。法國政府也在庫克前往大溪地的途中，命令其所屬軍艦不要去騷擾奮進號，因為她正「為全人類的事業而出海航行」。金星凌日的觀測不但體現了十八世紀科學界的團結，也顯現各國政府對科學進步的認同。十八世紀還真是個有趣的時代，您說是不是呢? 關於庫克船長的大溪地之旅，就等到下回分解囉。
參考資料:
(一) 中文 英文 維基相關條目
封面圖片來源: 由 Nathaniel Dance-Holland - from the National Maritime Museum, United Kingdom, 公有領域, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18059
