江　晨

自從人類(lèi)在地球上誕生以來(lái)，人類(lèi)就無(wú)時(shí)無(wú)刻不在研究與人類(lèi)息息相關(guān)的地球。期間，出現(xiàn)了一批智慧超群的科學(xué)家。他們?cè)谌祟?lèi)還處于蒙昧狀態(tài)的時(shí)候就獨(dú)具慧眼，憑著敏銳的觀察、豐富的想象、嚴(yán)密的思考，提出了許多超越時(shí)代的真知灼見(jiàn)，使人類(lèi)對(duì)地球的認(rèn)識(shí)發(fā)生質(zhì)的飛躍。

畢達(dá)哥拉斯——第一個(gè)提出地球?yàn)榍蛐蔚娜?/p>

公元前580年～公元前500年，人類(lèi)對(duì)地球的認(rèn)識(shí)極為淺薄。古埃及人認(rèn)為地球是放在四只大象背上的平板，而大象則站在一只大龜背上，龜浮在海上。古巴比倫人認(rèn)為大地像只圓盤(pán)。在我國(guó)古代，也有大地如棋盤(pán)之類(lèi)的說(shuō)法?？傊?，都認(rèn)為地球是平面的。

古人產(chǎn)生地球是平面的想法是很自然的。因?yàn)槟菚r(shí)的社會(huì)生產(chǎn)力很低下，人類(lèi)的活動(dòng)范圍很小，地球?qū)Ξ?dāng)時(shí)的人來(lái)說(shuō)實(shí)在太大了。人類(lèi)無(wú)法直觀地認(rèn)識(shí)它的總體，只能從自己生活的那個(gè)地方所體驗(yàn)到的一些現(xiàn)象來(lái)推斷地球的形狀。水從高處往低處流，物體從上往下落，這是人類(lèi)觀察到的最大量、最基本的現(xiàn)象。人們便由此認(rèn)定上與下、高與低是絕對(duì)的，當(dāng)時(shí)的人們卻很難想象地球是球形的。

可就在這個(gè)時(shí)候，古希臘著名的科學(xué)家畢達(dá)哥拉斯突破了傳統(tǒng)與直觀的局限，在距今約2500年前，第一個(gè)明確地提出地球是球形，實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)對(duì)地球認(rèn)識(shí)的一個(gè)飛躍。

畢達(dá)哥拉斯的地球球形說(shuō)，是以充分的觀察結(jié)果為基礎(chǔ)的。他觀察到，月光不是月亮自己發(fā)出的光，而是反射的太陽(yáng)光。進(jìn)而他又發(fā)現(xiàn)月面上的陰暗交界處有一道弧線，這種現(xiàn)象只有光線照射在球形物體上才能產(chǎn)生，這就說(shuō)明月球?yàn)榍蛐?。由此，他推想到地球和其他天體都是球形。他的另一個(gè)根據(jù)是，每當(dāng)月食發(fā)生時(shí)地球投射在月球上的影子也是圓形的，這就進(jìn)一步佐證了地球?yàn)榍蛐巍?/p>

畢達(dá)哥拉斯還從“科學(xué)—美學(xué)”角度論證了地球，甚至包括各種天體都會(huì)是球形。他認(rèn)為圓形、球形是最完美的幾何形狀。宇宙是完美、和諧的，因此構(gòu)成宇宙的各種天體必然為球體，并在圓形軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)。他的這一“科學(xué)—美學(xué)”思想，雖然帶有一定的神秘色彩，但卻深刻地影響到而后的天文學(xué)發(fā)展。伽利略、哥白尼等無(wú)不受其影響。哥白尼公然認(rèn)為畢達(dá)哥拉斯的天文概念就是他的太陽(yáng)中心說(shuō)的先驅(qū)。

埃拉托色尼——第一個(gè)量出地球大小的人

埃拉托色尼是古希臘的科學(xué)家，生活在約公元前3世紀(jì)，他對(duì)畢達(dá)哥拉斯、亞里士多德提出的關(guān)于地球是一個(gè)球體的論述深信不疑，并千萬(wàn)百計(jì)地要測(cè)出地球的大小。

埃拉托色尼生活在埃及亞歷山大里亞城。他發(fā)現(xiàn)，每年從春到冬，太陽(yáng)從沒(méi)有在這座城市的天頂上停過(guò)。即使在每年6月22日的正午即夏至這一天，太陽(yáng)光線與垂直地面的標(biāo)桿之間的夾角也有7.2°。他同時(shí)又聽(tīng)說(shuō)，在亞歷山大里亞城以南約5000斯塔季亞(古埃及長(zhǎng)度單位，1斯塔季亞約等于1/10英里)的塞恩城(今阿斯旺大壩附近)，情況與此大不一樣：在那里，每年夏至這天正午，太陽(yáng)正好掛在天頂，陽(yáng)光可以筆直地照射到井底，所有的直立物體都沒(méi)有影子。這種現(xiàn)象引起埃拉托色尼的極大興趣。他想，從遠(yuǎn)處投來(lái)的太陽(yáng)光是平行光，如果地球是平面的，那么就不可能出現(xiàn)這種差異，這種差異的產(chǎn)生，不正好說(shuō)明地球是球形了嗎?根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)不就可以計(jì)算出地球的周長(zhǎng)了嗎?

亞歷山大里亞城和賽恩城，一個(gè)在正北，一個(gè)在正南。太陽(yáng)光在亞歷山大里亞城與標(biāo)桿的夾角應(yīng)相等于以地球?yàn)閳A心、以?xún)沙侵g的距離為弧長(zhǎng)的這一圓弧所對(duì)應(yīng)的圓心角，即均為7.2°(如圖所示)。根據(jù)幾何學(xué)中關(guān)于在一個(gè)圓里，多大的圓心角對(duì)應(yīng)多大的圓弧的道理，就可以測(cè)出地球的周長(zhǎng)。

即：地球的周長(zhǎng)=5000斯塔季亞×(360°÷7.2°)=250000斯塔季亞，約合39816公里。數(shù)據(jù)與今人測(cè)量地球經(jīng)線長(zhǎng)40009公里非常接近。

這是一個(gè)生活在距今3000多年前的人測(cè)得的地球的大小。其測(cè)量方案的科學(xué)，測(cè)量結(jié)果的精確，都令今人嘆為觀止！

卡文迪許——第一個(gè)稱(chēng)出地球重量的人

自從埃拉托色尼計(jì)算出地球的大小以來(lái)，不少人都設(shè)想利用質(zhì)量等于密度乘以體積的方法來(lái)計(jì)算地球的質(zhì)量。但由于地球的平均密度無(wú)法確定，所以用此法求地球的質(zhì)量就成了一條死胡同，無(wú)法走通。

到了17世紀(jì)末期，英國(guó)科學(xué)家牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律。這個(gè)定律指出，宇宙間任意兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)都有相互吸引力，其大小與其質(zhì)量的乘積成正比，與其距離的平方成反正，用公式表示為：F=GM₁M₂/R²。其中F代表萬(wàn)有引力，G為萬(wàn)有引力常數(shù)，M₁和M₂分別表示兩個(gè)物體的質(zhì)量，R表示兩個(gè)物體之間的距離。從上面這個(gè)公式可以看出，只要測(cè)出萬(wàn)有引力常數(shù)G，就可以計(jì)算出地球的質(zhì)量。這個(gè)公式就成了測(cè)算地球質(zhì)量的一把鑰匙?？ㄎ牡显S就是首先找到這把鑰匙并利用它取得成功的一位科學(xué)家。

卡文迪許是18世紀(jì)末期的英國(guó)物理學(xué)家。他在一根細(xì)長(zhǎng)桿子的兩端各固定一個(gè)小鉛球，做成一個(gè)形似“啞鈴”的東西。然后用一根細(xì)石英絲把這個(gè)“啞鈴”從中間懸掛起來(lái)。操作時(shí)，用另外兩個(gè)較大的鉛球去接近“啞鈴”上的兩個(gè)鉛球。由于萬(wàn)有引力的作用，石英絲就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。根據(jù)偏轉(zhuǎn)的程度，就可以算出鉛球間引力的大小，進(jìn)而算出萬(wàn)有引力常數(shù)和地球的質(zhì)量?？伤谟脙蓚€(gè)較大鉛球去接近“啞鈴”上的兩個(gè)鉛球時(shí)，卻未見(jiàn)石英絲發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

要想使實(shí)驗(yàn)獲得成功，就必須提高裝置的靈敏度。卡文迪許在一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)中，發(fā)現(xiàn)小孩子用鏡子反射陽(yáng)光玩時(shí)，鏡子只要稍微一動(dòng)，反射出去的陽(yáng)光在遠(yuǎn)處的墻上就發(fā)生極大的移動(dòng)。他深受啟發(fā)，心想，我如果在測(cè)定裝置的石英絲上安一塊小鏡子，把一束光線射到鏡面上，讓鏡面再把光線反射到一個(gè)刻度尺，那么，即使石英絲只有極微小的偏轉(zhuǎn)，也會(huì)明顯地在刻度尺上表現(xiàn)出來(lái)，這不就可以大大提高裝置的靈敏度了嗎?經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的實(shí)踐，他的實(shí)驗(yàn)終于獲得了成功，測(cè)出了裝置中鉛球間引力的大小，并計(jì)算出萬(wàn)有引力常數(shù)為6.67259×10-11千克-1·米3·秒-2。這就是科學(xué)史上著名的卡文迪許“扭秤”實(shí)驗(yàn)。

測(cè)出了萬(wàn)有引力常數(shù)，地球的質(zhì)量問(wèn)題就迎刃而解了。假設(shè)地球的質(zhì)量為M₁，地球另一已知質(zhì)量的物體為M₁，M₂所受的地球引力為M₂g，g為常數(shù)，按980厘米/秒2取值。M₁與M₂之間的距離R為地球半徑，為6.379×10⁸厘米。根據(jù)萬(wàn)有引力公式，地球的質(zhì)量就可以輕易計(jì)算出來(lái)，即為5.976×10²⁷克，約為60萬(wàn)億億噸。

就這樣，人類(lèi)第一次測(cè)得了地球的質(zhì)量，卡文迪許被稱(chēng)呼為“稱(chēng)”地球的人。但為此，他用了50年光陰，幾乎耗費(fèi)了他一生的精力。

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