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翻譯：王延昕
校譯：DAIKIN
編排：Asensiosh
後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦
首先需要明確，我們這裡要說的不是蘋果CEO蒂姆·庫克，而是二百五十年前那位發現澳大利亞的庫克船長。
詹姆斯·庫克（James Cook/1728-1779）出生貧寒，只在鄉村學校接受了幾年正規教育，卻躋身等級森嚴的皇家海軍，成為了高級軍官，並獲得世界上最古老的國家科學研究所——皇家學會的會員資格。他集自信與謙卑於一身，但同時還有倔脾氣，這也就導致他的夏威夷造訪之旅轉變為暴力對抗，最終他和四名船員，以及數十名夏威夷人一起葬身石灘上。
1770年3月，英國皇家海軍的詹姆斯·庫克（James Cook）中尉正忙於繪製新西蘭的海岸線，開始他的偉大航海探險。從東到西、從北到南，縱橫交錯穿越太平洋的三次遠航讓庫克船長被公認為有史以來最偉大的探險家之一。
而很少有人知道，天文學在他的生活和探險中起著不可或缺的作用。
航海期間庫克觀測到了多次金星凌日和水星凌日、日月食、月掩星（包括一次月掩土星）和彗星。他能嫻熟地利用天文觀測來確定所在地點的時間、經度和緯度，這對航海而言是極為重要的。
庫克天文從業史可以追溯到1758年，當時他還在加拿大的英國皇家海軍當兵。
誰能想到，詹姆斯·庫克（James Cook）首次遠航的主要目的之一就是去大溪地觀測1769年金星凌日的全過程！在庫克第二次遠航再次到訪大溪地時，同行的探險藝術家威廉·霍奇斯（William Hodges）在同樣地點繪製了這幅畫。
庫克對於測量的興趣始於一次與測繪員的偶然會面，自此他熱衷於學習研究測繪員的必需技能。由於他製作了高質量的圖表再加上身處高層的朋友推薦，庫克於1763年被派去勘測紐芬蘭島。
庫克所使用的主要測量儀器是經緯儀和望遠式象限儀。經緯儀測量兩點之間的水平和垂直角度，時至今日仍然是測繪員必不可少的工具。
而象限儀測量的是目標物體與天頂之間的角度（天頂距），這是確定觀察者緯度的重要步驟。當時經緯儀和象限儀都必須極其精確地調平，因此並不適合在船上使用。
左：一臺18世紀的經緯儀；右：一臺18世紀的象限儀
儘管庫克在紐芬蘭測得精確緯度值，但他還需要建立一個已知經度的參考點，繼而需要至少一個基於格林威治時間的精確測量值。終於一次日環食為他提供了這樣一個機會，此次日食的中心線恰巧於1766年8月5日穿過紐芬蘭南邊。庫克通過望遠式象限儀觀測並記錄下初虧和復圓前後太陽的天頂距。
由於庫克並不具備從觀測中確定經度所必需的數據或數學技能，因此他將其觀測結果帶回英國，交由一位專業的天文學家進行計算，以確定庫克測量天頂距離的本地時間，並校正了折射、月球視差和太陽的半徑差。這位天文學家曾對英格蘭牛津地區的歷次日食觀測結果進行了相同的校正和計算，由此便可得知這兩個位置初虧與復圓的當地時間之差以及牛津觀測的已知經度，最後天文學家計算出庫克觀測日食位置的經度，誤差僅為7.5公里。
庫克的上司對他在工作中所體現的謹慎、準確性和奉獻精神印象深刻，而庫克也認識到了天文觀測的價值。庫克的紐芬蘭海圖為圖表的完整性與精確度設定了新的標杆，並被使用了一個多世紀。
經度測定問題
2020/04/03
確定海上經度的古法是盲航法：根據船舶的方向和速度估算從已知經度出發的距離。而風和洋流使得計算結果的準確度大打折扣。1519年至1522年，費迪南德·麥哲倫（Ferdinand Magellan）的艦隊在環球遠航期間，他對菲律賓經度的計算值偏差了53度，即大約5600公里！
到了1612年，也就是發現木星四顆明亮衛星的兩年後，伽利略意識到它們的週期性規則運動可以作為確定經度的“通用時鐘”。1668年，意大利法裔偉大的天文學家喬瓦尼·多梅尼科·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）發佈了準確的木星衛星位置表，這些表被用於改進歐洲地圖。諸如日食、月食和月掩星等可預測的天文事件的時間也能用來確定經度，但它們的出現頻率實在太不實用了。
要觀測木星的衛星需要一個穩定的望遠鏡，這在陸地上不是難事兒，但在船上就麻煩多了。因此航海定位所需要的是一個可預見的天文學事件，而且該事件經常發生並可以在海上準確觀察到。1514年，德國數學家約翰尼斯·沃納（Johannes Werner）建議使用月球與太陽或其他參考星之間的角距離來確定經度。月球的軌道運動使它大致以每天13.2°或每小時33'的速度穿過背景恆星。因此，如果可以短時間內精確測量月球與已知恆星之間的角距離就可以確定時間進而確定大致經度。
然而事情往往沒那麼簡單。木星離太陽很遠，其衛星也牢牢地被巨大的木星束縛在固定軌道上，而月球卻被地球和太陽相互吸引，這使其運動軌道非常複雜。直到1755年，德國天文學家托比亞斯·梅耶（Tobias Mayer）才提出了一種足夠精確地計算月球軌道的方法，改善了月角距法。
另一種選擇是使用按格林威治時間運行的機械時鐘。到1700年代中期，最好的擺鐘可達到每年數分鐘的誤差精度，但前提是必須安裝在穩定的平臺上。而庫克第一次航行時（1768年至1771年），當時可用於海上保持準確時間的唯一一臺時鐘是約翰·哈里森（John Harrison）製造的H4航海表，可惜該鐘當時正“忙”於英國國會“經度獎”的試航評估中。
另一方面，哈里森的H4航海表只能為從英國到西印度群島兩個月的短暫航行提供準確的時間。但庫克的航行得耗上幾年，它累積的誤差將使其幾乎毫無用處。
在第一次遠洋航行中，庫克使用月角距法作為確定格林威治時間的主要方法。他用六分儀測量了月亮與太陽或參考恆星之間的角距離，並記錄下當地時間。再通過參考英國航海曆以查找對比從格林威治觀察到相同目標角距離的時間，以此推算所在位置的經度。
月角距法
從地球上觀測，月球在恆星間穿行速度很快，因此我們可以通過測量月球與太陽或其他參考恆星的角距離來計算格林威治時間。為了補償大氣折射，您還需要測量月球和恆星在地平線上方的角高。
這張航海曆上的表格顯示了觀察者在1769年1月于格林威治所看到的月亮與主要恆星間的角距離。
儘管月角距法的概念很簡單，但其他因素卻使其在實踐中更加複雜：大氣折射使月亮和恆星看起來比實際高，月亮因離地球太近使其尺寸相對恆星大太多，必須調整其視位置以消除視差。因此，除了獲得月球與恆星之間的角距離外，還必須測量兩個天體在地平線上方的高度。對摺射和視差進行校正需要使用複雜的球面三角學，因此為了簡化計算數學家們開發了一種使用對數的巧妙方法。這項操作不需要基本的數學原理知識，只需遵循一些明確定義的步驟，即可從“航海曆”中查找必要的天文數據，並從另一本書中查找對數值。
在庫克第二次遠征時（1772年至1775年），他帶了一些哈里森H4航海表的複製品做測試，最後僅有一款最可靠，那就是由Larcum Kendall製造的被世人稱為K1的航海表。航海表使用的是格林威治時間，但為了確定當地時間，進行天文觀測仍然是必需的。第二次遠征剛開始時，庫克對航海表長時間計時誤差依然心存疑慮，所以繼續使用月角距法來確定經度。
Larcum Kendall製造的K1表
為了校正K1表經年累月的誤差，庫克再次到訪兩個他在第一次航行中確定了經度的地點。一處是南太平洋大溪地島的維納斯角，他在這兒觀測了1769年6月3日的金星凌日。另一處位於新西蘭南島北端的船灣，他在這兒花了很長時間修船。
在庫克的三次遠航中，他曾五次造訪維納斯角，六次到達船灣。他用這兩個地點的已知經度來重置K1表的時間，實踐證明這辦法確實非常有效。庫克於1773年離開船灣，並沿南太平洋逆時針航行從南極洲附近的南緯71°直到熱帶的南緯9°區域，11個月後返回時發現K1表的時間僅慢了19分31秒（在校正固有機械誤差後）。儘管仍不如月球距離法精確，但航海表使用方便快捷，並且消除了觀測和計算誤差的可能性。庫克對這塊表印象深刻，以至於他在第三次航行中繼續佩戴K1表。
每次遠航庫克所攜帶的天文設備包括六分儀，望遠式象限儀，望遠鏡（折射鏡和反射鏡）和航海表。
庫克和他的助手可以在海上和陸地上使用六分儀，但其他儀器僅在陸地上可用。每次船靠岸修理、採購或船員上岸休整時，庫克都會利用這些機會建立一個帳篷天文臺。如果天氣允許他便會進行觀測，以獲取比他在海上獲得的更為精準的經緯度。雖然在他所有航行中都有專業的天文官隨船負責觀測和計算，但庫克的觀測往往與天文官們的觀測一樣準確。
1770年6月，在庫克的第一次遠航中，他的船因闖入大堡礁群而險些沉沒，最終幸運地停靠在現今澳大利亞昆士蘭州庫克敦（以他的名字命名）。在那裡庫克的天文官查爾斯·格林通過觀測兩次木星掩木衛一，計算出的該地點經度與今日所測定的值僅相差4.3和15.8公里。在第二次遠航中，隨行天文官威爾士對新西蘭北島和南島的經度與格林在第一次遠航中所測值有所不同，格林的南島經度偏東58公里，北島經度偏東43公里。庫克被誤差弄得心煩意亂並且自責，但兩位專業天文官之間的測算差異實際是表明了確定經度是有多麼的困難啊！
毫無疑問，庫克對世界最著名的遺產是他對太平洋的探索，但他的天文觀測對航海導航的貢獻卓越，當然對K1航海表的使用與“推廣”也同樣重要。
經度和時間
您在空間中的方位由您的緯度和當地時間決定，因此這些值相對容易測量。例如，當地時間的正午是太陽最高時，太陽在那時的天頂距等於您所在的緯度減去太陽的赤緯（可在天文年曆中輕鬆查到）。
然而測量經度就要難太多了，因為在任何給定緯度下，無論經度如何都會經歷相同的空間方向循環。例如，一個位於您以西30度的人在兩小時後看到的太陽位置與您現在所看到的相同。但是，如果您有一個時鐘（無論機械的或天文的）能告訴您經度為0°的格林威治時間，那您就可以通過用本地時間減去格林威治時間並乘以15來計算經度（不考慮國家概念的時區）。反之，如果您所在地點已知經度，您可以從當地時間計算出格林威治時間。
『天文溼刻』 牧夫出品
正在孕育恆星的玫瑰星雲
玫瑰星雲位於麒麟座，距離地球約5000光年。赫歇爾太空天文臺收集了塵埃發出的紅外線。其中明亮的黑斑是含有巨大恆星胚胎的佈滿塵埃的蠶繭，這些恆星的質量將是太陽的10倍。靠近圖像中心的小點是質量較小的恆星胚胎。星雲本身及其巨大的恆星群則位於圖片的右側。
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