哈雷：不止于彗星
瞿立建 瞿立建约 15 分钟导读：
哈雷彗星每隔76年重返地球视线。
精准预测彗星回归的哈雷，对宇宙的探索不止于此。他是一个纯粹的行动派，受好奇心驱使，用一生丈量地球。
瞿立建｜撰文
2026年11月8日，是哈雷诞辰370周年。今天，人们大多因为一颗彗星而知道他的名字。每隔大约76年，哈雷彗星都会重新回到太阳附近，提醒人们一个三个多世纪前的预言。但那颗以他名字命名的彗星，只是哈雷众多工作中幸运地被公众记住的一项。展开他的一生，人们会发现这个名字背后，远不止一次成功的天文预言。
哈雷少年时代就读于著名的圣保罗学校。他很早便表现出对数学和天文学的兴趣，同时接受了相当广泛的语言教育，掌握拉丁语、希腊语和希伯来语，后来又具备法语、西班牙语和意大利语的实际使用能力。他在学校还接触过航海知识。这些看似彼此无关的训练，后来几乎全部派上了用场。
1673年夏天，16岁的哈雷进入牛津大学女王学院。在这里，他很快坚定了从事天文学研究的想法。他充分展现了天文方面的天赋，发表了多篇有影响的论文，且横跨理论与观测两个方面；不到20岁就写过研究行星轨道计算的论文，同时用父亲资助购买的仪器长期观测天空。
哈雷决定做一件大事。当时，北天恒星已经得到了充分的观测，哈雷决定填补南天恒星的空白。
于是，一个还没有拿到大学学位的年轻人决定离开牛津，到南半球去编一份南天星表。哈雷考察了几个候选地点，最后选择了南大西洋上的圣赫勒拿岛——因一百多年后拿破仑被流放到这里而闻名。
一个在读学生，要带着昂贵的天文仪器远渡大西洋，并不是买张船票那么简单。好在哈雷在牛津已经结识了一批支持科学研究的权势人物，其中有两人把哈雷的计划推荐给国王查理二世。国王随后下令东印度公司提供帮助，让哈雷、同行者和天文仪器免费搭船前往圣赫勒拿。至于考察期间的主要生活和研究经费，则由他富有的父亲提供。
1676年11月，刚过20岁生日不久，哈雷启程。经过大约三个月航行，1677年2月，他终于抵达圣赫勒拿。抵达之后，哈雷发现，这里并不是理想的观测地——云太多了。
不过，他还是坚持了下来，在大约一年时间里，最终准确测定了341颗南天恒星的位置。
为了讨国王欢心，他还把南天的12颗恒星组成一个新星座，命名为“查理橡树座”。这个名字纪念查理二世年轻时的一段传奇经历：1651年被克伦威尔率领的议会军击败逃亡时，他曾躲在一棵橡树中逃过追捕。这种给天体取一个讨统治者喜欢的名字的操作，在当时并不稀奇，这些名字最后基本都没有留下来，“查理橡树座”也一样。
哈雷在圣赫勒拿还做了一次影响深远的重要观测。1677年10月，他看到了水星凌日现象。所谓水星凌日，就是当水星运行到地球和太阳之间，并且三者位置恰好合适时，人们会看到一个黑色小圆点缓缓越过太阳表面。
哈雷很可能已经由此意识到：如果从地球上不同地点精确测量行星从太阳表面通过的时间，就可能利用视差反推出太阳究竟离地球多远。水星可以这样做，但金星更理想，因为金星距离地球更近，在太阳表面的视直径也更大。遗憾的是，金星凌日极其罕见，哈雷一生都没有机会亲眼看到一次。
当水星运行至地球和太阳之间，如果三者能够连成直线，便会产生水星凌日现象。观测时会发现一黑色小圆点横向穿过太阳圆面。图中一串黑点为水星凌日的路径。
1678年3月，哈雷离开圣赫勒拿，5月返回伦敦。查理二世对他的成果非常满意，下令牛津大学破例授予他硕士学位，而不要求他回去完成通常的学习过程。同年11月，22岁的哈雷又当选为英国皇家学会会士。一个二十出头、大学课程都没有按常规读完的年轻人，已经进入了欧洲最重要的科学共同体。
此后几年，哈雷没有立即寻找一份稳定职业。他仍有充足的家庭收入，父亲此前每年给他的300英镑甚至相当于皇家天文学家政府年薪的三倍。这使他可以继续到处跑。
1680年底，哈雷开始了一次持续一年多的欧洲大陆旅行，游历法国和意大利。恰恰就在这次旅行中，一颗异常明亮的彗星突然出现在天空，它就是著名的1680年大彗星。哈雷先在英国看到它，后来前往巴黎途中又看到它，并与巴黎天文台的乔瓦尼·卡西尼（Giovanni Cassini，1625年6月8日—1712年9月14日）等天文学家共同观测。
更重要的是，卡西尼向年轻的哈雷提出了一个当时仍相当大胆的想法：彗星会不会并不是只出现一次？它们会不会也像行星一样绕太阳运行，然后很多年后重新回来？
卡西尼具体判断的几颗彗星后来证明并不是同一颗，但这个思想本身是对的。它在哈雷脑子里留下了一颗种子。二十多年后，这颗种子会变成哈雷一生最著名的科学预言。
1684年1月，哈雷与克里斯托弗·雷恩（Sir Christopher Wren，1632年10月20日—1723年2月25日，英国天文学家、建筑师）、罗伯特·胡克（Robert Hooke，1635年7月18日—1703年3月3日）讨论一个当时天文学最核心的问题：行星为什么沿椭圆轨道绕太阳运行？开普勒已经通过观测数据总结出行星运动三定律，却没有解释这些规律为什么存在。
胡克声称，如果太阳对行星的吸引力与距离的平方成反比，那么全部行星运动规律都能由此推出，而且他说自己已经证明了。雷恩不太相信，于是提出一个挑战：给胡克和哈雷两个月时间，谁能拿出令人信服的数学证明，他就送那个人一本价值40先令的书。
两个月过去了，胡克始终没有拿出证明。哈雷也做了尝试，但没有成功。
哈雷决定不等胡克了，去剑桥向牛顿请教。牛顿当时已经以数学才能闻名于学术界。
哈雷本来打算很快去找牛顿，但1684年春天，他的父亲突然遇害，随后又出现复杂的遗产纠纷。直到1684年8月，他终于来到剑桥。两个人的这次会面，后来成为科学史上最著名的会面之一。
哈雷问牛顿：假如太阳对行星的吸引力与距离平方成反比，那么行星的轨道会是什么形状？
牛顿几乎脱口而出：椭圆。
哈雷吃了一惊，马上追问：你怎么知道？
牛顿说：我算过了。
哈雷立即要求看证明。牛顿翻找一通，没有找到，说以后找出来寄给他。这一次，哈雷没有被放鸽子。1684年11月，他收到牛顿托人送来的一篇只有九页的论文——《论天体的轨道运动》（De motu corporum in gyrum，简称De motu，《论运动》）。牛顿在这篇论文里证明，平方反比的向心力能够产生椭圆轨道，并从统一的数学框架中推导出开普勒的行星运动规律。
哈雷立刻意识到，他手里拿着的不是一篇普通论文，而是一套新力学的胚胎。他再次赶到剑桥，催促牛顿继续写。牛顿也被这个问题重新抓住了。在接下来大约18个月里，他几乎暂停了包括炼金术在内的其他研究，把九页论文不断扩展。
与此同时，1686年1月，哈雷终于有了一份正式领薪水的工作——皇家学会书记员，负责会议记录、文件、书籍和学会出版事务。1686年春，牛顿完成的《自然哲学的数学原理》前两卷提交皇家学会，哈雷负责审读和校对。
然后麻烦来了。
胡克看到书稿后大发雷霆。他认为，平方反比引力这个思路自己早在1679年就已经通过书信告诉过牛顿，现在牛顿的书中却没有充分说明他的贡献。哈雷只好站到两个脾气都不太好的人中间灭火。
他委婉地告诉牛顿，胡克希望得到某种承认。牛顿顿时被激怒，坚称自己早在收到胡克书信以前，就已经知道引力服从平方反比关系。他还说，自己早在1677年就与雷恩讨论过这个问题。真正重要的，在牛顿看来，也根本不是猜出一个平方反比关系，而是用数学证明它如何得出行星轨道。
牛顿越想越生气，甚至表示准备把《原理》最重要的第三卷压下来不发。这一下轮到哈雷头大了。他不断写信安抚牛顿，并进一步核实雷恩对1677年那次讨论的回忆。最终，牛顿接受了雷恩确实记得此事的说法。至于雷恩究竟是真的清楚记得，还是为了帮助哈雷安抚牛顿而如此表示，今天已经无法确定。
但哈雷成功了。牛顿没有撤掉第三卷，《原理》终于成为完整的三卷本。
可问题远没有结束。1686年，皇家学会虽然决定出版这部书，却很快发现了一件尴尬的事情：没钱。
此前，皇家学会刚刚出版了一本制作极为精美的《鱼类史》（Historia Piscium）。书里有大量昂贵的铜版插图，结果销量惨淡，几乎把学会本就不宽裕的资金耗光。穷到什么程度？连哈雷的工资都一度发不出来，皇家学会最后甚至决定拿几十本卖不出去的《鱼类史》抵他的工资。
偏偏就在这个时候，人类科学史上最重要的著作之一准备印刷。
于是哈雷又承担了一个新角色：出版人。皇家学会在1686年6月决定，由哈雷负责《原理》的印刷事务，并由他承担费用。此后一年，哈雷不停校样、协调、催稿、处理出版细节。
1687年7月，《自然哲学的数学原理》终于问世。
《自然哲学的数学原理》拉丁文版封面(1687)
牛顿当然是这本书的作者，但如果没有哈雷，它很可能根本不会以今天我们熟悉的形式出现。后来，英国数学家奥古斯塔斯·德摩根（Augustus De Morgan，1806年6月27日—1871年3月18日）评价哈雷在这件事上的作用，说：
如果没有哈雷，《原理》也许不会被构想出来；即使构想出来，也未必会完成；即使完成，也未必能够出版。
历史最后给了牛顿最耀眼的位置。但在牛顿身后，有一个不断敲门、写信、劝架、校稿，最后甚至自己掏钱的人。
那个人叫哈雷。
17世纪末，他甚至亲自当上船长，两度率船横渡大西洋。他出海不是为了寻找黄金，也不是为了发现殖民地，而是想解决航海中的两个基本问题：船上的人究竟怎样知道自己在哪里？又怎样知道自己真正朝哪个方向前进？
第一个问题是经度。
纬度相对容易测量。在天气允许的情况下，水手通过太阳或北极星在地平线上的高度，就能大致知道自己位于多高的纬度。经度却难得多。要确定经度，本质上需要知道当地时间与某个基准地点时间之间的差异。地球24小时旋转360度，所以一小时的时间差，就对应15度经度。
理论简单，实际几乎做不到。17世纪还没有能够在颠簸、潮湿、温度不断变化的远洋环境中长期保持足够精度的钟。
另一个问题是罗盘。罗盘磁针并不严格指向地理北极。磁针所指的磁北与真正的地理北方之间存在夹角，也就是磁偏角。更麻烦的是，磁偏角并不是一个固定数字，而会随地点和时间变化。如果没有可靠的磁偏角资料，一艘船即使相信自己的罗盘，也可能逐渐偏离真正航向。
对于正在迅速扩张海上力量的英国而言，这绝不是纯粹的学术问题。
哈雷的远洋航行
1698年，哈雷被任命为“帕拉莫尔号”（PARAMORE）船长，带领船员驶向大西洋，系统测量地磁。
第一次航行并不顺利。有些船员不服哈雷，因为他是没有海军履历的船长，内部甚至发生公开冲突，哈雷不得不提前返航。即便如此，他还是完成了大约50次磁偏角测量。
回到英国后仅仅两个月，他便重新组织船员，再次启航。第二次航行持续近一年。哈雷一路驶向南大西洋，甚至进入能够看到冰山的高纬度海域。有一次浓雾中，船几乎被冰包围，险些船毁人亡。
返航途中，他又来到圣赫勒拿。二十多年前，他第一次来到这座岛时，还只是一个靠父亲资助、乘别人船远渡重洋的年轻天文学家。现在，他已经亲自指挥一艘船穿越大西洋。他测星星，也测磁场；研究天空，也研究海洋；既会计算行星轨道，也能处理船员、风暴、补给和航向。
第二次航行中，哈雷又完成了大约100次磁偏角测量，同时利用月食和木星卫星的食等天象，测定一些港口和岛屿的经度。这种测经度办法不能在航行途中随时使用，因此实际航海价值有限。顺便说一下，经度难题最终被英国一个钟表匠解决，他的传奇故事见科普书：《经度：一个孤独的天才解决他所处时代最大难题的真实故事》。
但哈雷得到的地磁数据却极为重要。1701年，他根据两次大西洋航行的数据绘制了一幅大西洋磁偏角地图。他把磁偏角相同的地点连接起来，用一条条曲线把零散数据变成空间结构。这种图通常被认为是最早公开发表的等值线地图之一，也是科学制图史上的重要一步。
后来，人们会用同样的思想描绘海洋深度、地形高度、气压和温度。我们今天地图上的等高线、天气图上的等压线，本质上都是把某个连续变化的物理量，用一条条“数值相同的线”画出来。
哈雷绘制的大西洋磁偏角地图
哈雷做完大西洋地磁考察后，又驾驶同一艘船调查英吉利海峡潮汐。他不是只想理解星空。他的研究对象，是整个可以测量的世界。
牛顿已经在《原理》中证明，彗星和行星一样，也受到太阳引力控制，并给出了计算彗星轨道的方法。哈雷则把这套理论拿去和历史观测记录比较。
他系统搜集过去数百年的彗星记录，计算它们的轨道。1705年，他发表《彗星天文学概要》（A Synopsis of the Astronomy of Comets），列出了24颗彗星的轨道参数。
在这些数据中，有三组记录尤其引人注意：1531年、1607年、1682年。三次出现之间，都相隔大约76年。更重要的是，三次观测得到的彗星轨道高度相似：它们的轨道平面非常接近，距离太阳最近的位置也大致相同。
哈雷开始怀疑：这根本不是三颗彗星，而是同一颗。
它绕太阳运行一周需要大约76年，所以每隔几十年才重新出现在地球天空。不同周期之间存在几年的误差，也并不奇怪。木星和土星这样的巨大行星，会通过引力稍稍改变彗星的运动。
最后，哈雷做出了一个大胆预言：这颗1682年出现的彗星，会在1758年前后回来。
哈雷没有活到答案揭晓。1742年，他在85岁高龄去世。
哈雷之墓
16年后，1758年圣诞节，一位德国农民兼业余天文学家约翰·格奥尔格·帕利奇（Johann Georg Palitzsch，1723年6月11日—1788年2月21日）观测到了那颗哈雷预言的彗星。
哈雷对回归时间的判断得到了惊人的验证。后来，这颗彗星被命名为哈雷彗星。
《史记》中关于公元前240年曾出现过的哈雷彗星的记载：七年，彗星先出东方，见北方，五月见西方。将军骜死；彗星复见西方十六日。夏太后死。
它的意义远不只是“哈雷猜对了”。几个世纪以来，彗星一直被很多人视为灾难的预兆。国王死亡、战争、瘟疫、政权动荡，似乎都可以从一颗突然出现的长尾天体中找到某种神秘预告。
但因为哈雷的研究，人们对于彗星的认知，开始与轨道、周期和引力相关。
这也是哈雷预言真正令人震撼的地方。它让人们看到，连彗星这种长久以来被视为神秘、偶发甚至不祥的天象，也能够服从统一的自然规律。哈雷彗星的回归，因此成为牛顿力学预测能力最经典的验证之一。
天空不再只是被观看，它开始可以被计算，甚至可以提前几十年等待。
他的兴趣几乎没有严格的学科边界。他研究信风，试图解释热带地区的大气为什么会形成稳定环流，还绘制了早期的信风地图；他研究蒸发；设计并亲自试验潜水钟，让人在十几米深的水下停留很长时间；他利用布雷斯劳的人口出生、死亡数据建立生命表，研究不同年龄的死亡概率、预期寿命和年金价格，因此成为早期精算科学的重要人物之一。
他带着气压计爬山，用气压差估算山峰高度；研究海水为什么是咸的，并试图利用盐度积累估算地球年龄；甚至研究过如何测算英格兰和威尔士的面积。
在今天的学科分类体系里，这些问题分别属于天文学、地球物理学、气象学、航海学、统计学、保险数学、工程学乃至地质学。在哈雷那里，它们只是同一个问题的不同版本：这个世界究竟怎样运转？以及，我们怎样测量它？
1704年，哈雷成为牛津大学萨维尔几何学教授。这一次，他又把目光转向了两千年前。
古希腊数学家阿波罗尼奥斯留下了重要的几何学著作，但其中一些希腊原文已经失传，只保存在阿拉伯译本中。《比例分割》只留下了阿拉伯文版本。
哈雷自学阿拉伯语，并很快获得了足以阅读数学著作的阿拉伯语能力，把文本译成拉丁文。阿波罗尼奥斯《圆锥曲线》八卷中，前四卷保留有希腊文本，第五至第七卷主要依靠阿拉伯文本保存，第八卷则已经失传。哈雷不仅参与翻译前七卷，甚至尝试根据已有数学结构重构第八卷。
一个以彗星闻名的人，抢救古希腊数学。这大概很能说明为什么只用“天文学家”三个字概括哈雷，总显得有些不够。
1716年，他又公布了一项注定无法由自己完成的科学计划：利用金星凌日测量日地距离。
问题在于，金星凌日极其罕见。下一组适合全球观测的金星凌日发生在1761年和1769年。
哈雷知道，自己等不到了。
于是他在论文中把任务留给了未来，希望几十年后的天文学家记得他的方案，并前往世界各地观测。
后人真的照做了。
1761年和1769年，国际科学界组织了大规模金星凌日观测。观测者被派往西伯利亚、哈德逊湾、印度、加利福尼亚、塔希提以及欧洲各地。
整个计划跨越国家、海洋和几代人的生命。当时欧洲各国仍在战争、殖民竞争和地缘冲突中彼此争斗，但为了同一个天象，不同国家的科学家在同一天、不同大陆，按照大致共同的方法测量同一个自然事件，然后汇总数据。
最终得到的日地距离已经与今天的数值相差只有几个百分点。太阳系的绝对尺度，由此变得比以往任何时候都更加可靠。
哈雷的一生，想到就去做。一个问题值得研究，就去研究；一个数据需要测量，就去测量；一片天空没人画过，就坐船过去；一本重要的书没人出钱印，就自己出钱；一种语言不会，就学；一项实验自己活不到那一天，就交给下一代。
牛顿在理论上统一了天地。哈雷则在行动中穿行于天地之间。
如果人们只因彗星知道他，多少有些遗憾。
截至2026年11月，哈雷彗星正在太阳系遥远处向内太阳系缓慢返回，距离地球仍有大约52亿公里，位于海王星轨道之外。2061年，它将再次来到太阳附近。
到那时，地球上的人只需要抬起头，就能重新看到三个多世纪前那场科学预言留下的光。
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