□ 葛云保

誰見過地球繞著太陽轉(zhuǎn)（一）

□ 葛云保

誰見過地球在圍繞太陽旋轉(zhuǎn)？

沒有，從來也沒有。地球的繞日運行軌道直徑有三億千米左右，設(shè)想一下吧，如果我們想親眼看見地球圍繞太陽的轉(zhuǎn)動，那就必須站在與地球運動軌道平面相垂直的，離太陽中心數(shù)億公里以遠的地方，看上一整年時間。就像看一個巨大的鐘，必須站在鐘的正面，離得足夠遠，才能將這個巨大的鐘盡收眼底。到目前為止，人類還遠做不到這一點。

那么你還相信地球真的是在圍繞太陽旋轉(zhuǎn)嗎？

早在五百多年之前，哥白尼（Copernicus）指出，地球是太陽系的一顆行星，除了自轉(zhuǎn)還在不停地圍繞著太陽旋轉(zhuǎn)，但是那個時候的科學技術(shù)還很不發(fā)達，人類還根本無法離開大地，甚至連望遠鏡都還沒發(fā)明，他是怎么知道的呢？他有什么理由這么說呢？其他人為什么會相信呢？更令人吃驚的是，遠在二千多年以前的古希臘，在人類的活動范圍非常有限、技術(shù)非常簡陋的年代，有人無須憑借任何儀器就能指出大地是圓球形的，而那之后不久就有人論證應(yīng)該是地球在圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，而不可能是太陽在圍繞地球旋轉(zhuǎn)。這是一群什么樣的天才人物？他們有著怎樣的眼光與智慧？

我們可以把人類早期認識宇宙的過程比喻成解一道初中的幾何證明題，已知條件是什么呢？已知條件就是展現(xiàn)在我們眼前的浩瀚的天空（圖1），這個天空對古今中外所有的人都是開放的，那要證明的結(jié)果是什么呢？結(jié)果就是：宇宙的真實模樣。如今這個結(jié)果早就家喻戶曉了，但是這個精彩趣味的論證過程很多人卻不清楚。

圖1 天似穹廬，籠蓋四野

尋找發(fā)現(xiàn)規(guī)律，做出基本推斷

當人類第一次抬起頭仰望星空的時候，就被那浩瀚而神秘的星空震懾了，從此便開始了無窮無盡的追問、探索。

經(jīng)過極其漫長的觀測、記錄，人們漸漸發(fā)現(xiàn)日月星辰的諸多運動規(guī)律。最為明顯的莫過于太陽每天的東升西落，還有月亮的圓缺變化。人們發(fā)現(xiàn)，太陽每天的升起與降落點是在一定的范圍內(nèi)緩慢移動的（圖2），同樣，月亮的升起與降落點也是在一定的范圍內(nèi)移動的，但它的移動速度相對于太陽來說快多了。滿天的繁星總是保持著固定的相對關(guān)系，整個星空在圍繞我們慢慢旋轉(zhuǎn)，約一天轉(zhuǎn)一圈（圖3）。

進一步地仔細觀測，人們發(fā)現(xiàn)，星星每天都會比前一天

圖2 冬夏日落，上圖攝于2010年12月17日，下圖攝于2011年5月6日

圖4 火星逆行軌跡

圖5 圓球形天空

圖3 北斗七星旋轉(zhuǎn)，左圖為某日入夜時，右圖為某日半夜時略早一點升起；月亮在星空的背景下沿著大致固定的路線由西往東行走；星空中還有幾顆神秘的星星，它們竟然也在星空的背景下緩慢移動，它們的行走路線與月亮大致相同，在大多數(shù)時候，它們也是由西往東走，但有時候它們會停下腳步，往西走一小段，然后又停下來，再繼續(xù)往東走（圖4）。

月食與日食是天空中最奇異、最令人恐懼震撼的現(xiàn)象，盡管古代的絕大多數(shù)人都把這視為神的旨意，但天文學家們還是漸漸發(fā)現(xiàn)了其中的規(guī)律：月食總是發(fā)生在月亮最圓的時候，而日食總是發(fā)生在看不見月亮的日子里。

經(jīng)過長期的思考和分析，一些基本的判斷被推演出來了。

白天也有星星，星星布滿整個天空，只是因為太陽的光芒過于強烈，所以人們白天無法看到它們。布滿星星的天空，構(gòu)成了一個完整的圓殼，這就是我們后面會經(jīng)常提到的天球。天球作為一個整體在圍繞著一根看不見的軸線旋轉(zhuǎn)，這根軸線就是我們觀察者與北極點的連線，軸線的一端就是我們晚上能夠看到的北天極，而另一端就應(yīng)該是軸線向另一個方向延長和天球相交的點，天文學家稱之為南天極（圖5）。

既然天空布滿星星，那么太陽一定在星空的某個位置上。人們通過觀測日落時接近西方地平線的星座，以及觀測第二天早晨日出前東方地平線上的星座，大致判斷出太陽的位置，并由此發(fā)現(xiàn)了太陽在恒星背景下，由西往東慢慢行走。當然，天文學家們還想出多種辦法（包括偕日法、沖日法、望月法、中天法等）盡可能精確地推斷出任何時刻太陽在星空中的位置。把太陽的各個時刻的位置用假想的線連接起來，在天球上構(gòu)成了一個封閉的大圓，這就是天文學上常說的黃道，通俗地說，黃道就是太陽在天球上由西往東緩緩行走的道路。

月亮每天都在改變它的模樣，根據(jù)月相的特點，人們發(fā)現(xiàn)，月亮自身不會發(fā)光，它柔和的光亮來自太陽的照射。盡管月亮在我們看來有圓缺變化，但它實際上是一個完整的圓球。

除此之外，室內(nèi)臥室周圍的排水管道在選擇管材方面，往往會以塑料管作為排水管設(shè)施。但是需要注意的是，一旦排水管道隔音設(shè)計未能達到規(guī)定標準，或者處理不當，很容易產(chǎn)生噪聲問題。最主要的是，噪聲會沿著墻體或者管道傳遞，打擾用戶的正常生活。

根據(jù)日、月和行星由西往東繞大地運行的周期，人們對七個天體的遠近做出了大致的判斷：最遠的應(yīng)該是土星，它繞的圈子最大，所需時間也最長，在它下面是木星，然后是火星。月亮轉(zhuǎn)一圈的時間最短，離地球最近，轉(zhuǎn)的圓圈最小。太陽、金星和水星繞地球一周都是1年，它們應(yīng)該在月亮與火星之間。但是，太陽、金星和水星誰近誰遠呢？那是一個非常難解的謎，一個世界難題，它考驗著天文學家的智慧。

對大地的困惑

人類在仰望星空的時候，會有許許多多的疑問與好奇，其中有一個疑問最為簡單，卻又非常難以回答，那就是：太陽每天從西邊落山以后，是怎么從地下跑到東邊去的呢？這是一個農(nóng)夫，一個牧羊人，甚至一個孩童，只要有點好奇心都會問的問題，也一定是古代人（不管是哪個民族，哪個國家的）十分困惑的問題。

人們對此做出種種猜想，編出了許許多多的神話故事。

這是天文學的一道坎，一道很大的坎，越不過這道坎，天文學就不可能再有實質(zhì)性的進步，最多只能是在某些測量工作上做得越來越精細而已。必須承認，世界上大多數(shù)民族都沒能越過這道坎，因為限于當時的科技水平，人們的活動范圍還很有限，更無法離開大地，要論證大地究竟是什么樣子，這太難了。

帶領(lǐng)人類跨過這道坎的，是古希臘那些杰出的哲學家、天文學家，是他們論證了大地的形狀，將天文學的研究推向了新的階段。

為什么跨越這道坎的是古希臘人而不是中國人或者其他文明古國的人呢？是偶然嗎？這個問題很值得深思。

圖6 月食過程

古希臘人重視平等，重視契約，重視個人自由。他們相信，自然現(xiàn)象有其自然的原因，有自己內(nèi)在的秩序，有自己的發(fā)展變化規(guī)律，人們通過學習、思考和推理，是可以逐步認識這些規(guī)律的。古希臘的哲學家、科學家、藝術(shù)家?guī)е|(zhì)疑批評的精神和理性的態(tài)度對待別人的觀點和理論，公開的、大膽地提出自己的觀點和理論，包括并不成熟的猜想，同時也接受同行和公眾的質(zhì)疑、批評和判斷。他們追求嚴密的邏輯，追求用完美的演繹推理體系組織知識，追求理論的和諧、簡單和統(tǒng)一，而根本不在乎這些理論是否有實用價值，甚至他們更崇尚理論的“無用”。

畢達哥拉斯（Pythagoras）是古希臘的一位哲學家、數(shù)學家，他認為“數(shù)”乃萬物之源。在自然諸原理中第一是“數(shù)”理，萬物皆可以數(shù)來說明。他從美學觀念出發(fā)，認為宇宙一定是和諧的，簡單的，宇宙中所有天體的形狀和它們的運動軌道都應(yīng)該是完美的。他認為一切立體圖形中最美的是球形，因為球面上的任何一點離球心的距離都相等，所以天體一定是球形的，太陽、月亮是球形的，恒星天球是球形的，大地也一定是球形的。畢達哥拉斯是第一個推斷大地是一個球體的人。

雅典哲學家阿那克薩戈拉（Anaxagoras）指出，月食時，月球表面的陰影的外輪廓總是圓弧形狀，那應(yīng)該就是地球的影子，由此可以推斷：大地一定是球形的（圖6）。

亞里士多德是一位百科全書式的學者，在幾乎古希臘所有的學術(shù)領(lǐng)域都留下了自己的總結(jié)和開創(chuàng)性見解。除了以月食為例外，亞里士多德還舉了另外的例子：當我們朝北或朝南運動時，所看到的星體是不相同的。有些星體在埃及和庫勃洛斯附近能被看見，但在希臘或更北邊的地區(qū)卻看不見，而且，在北方有些完全可見的永遠在地平線以上的（即恒顯區(qū)的）星體，在南方地區(qū)卻會落入地平線（圖7）。所以，地球的形狀一定是圓的。

古希臘人還為地球是球形提供了第三個論據(jù)：為什么往遠處駛?cè)サ拇偸窍瓤床灰姶恚缓蟛攀谴咳绻厍蚴瞧降模斠凰曳x開海岸越行越遠時，它就會越來越小。最后變成一個小點而消失。然而，實際情況并非如此，目送帆船出海的人總是看到，首先是船體漸漸消失，海水好象淹沒了船體，剩下的只是船帆，再然后只剩帆頂，最后整個帆船都消失了（圖8）。這也說明大地一定是球形的。

圖7 北極星高度變化

圖8 遠航船只漸漸消失

所以，大地是球形的，它孤懸在宇宙之中，日月星辰不是從“地下”鉆過去的，而是在它們各自的圓形軌道上繞地球旋轉(zhuǎn)。

這是天文史上第一個違背人類常識的重要推論。我們腳下的大地竟然是圓球形的，那么，在地球另一邊的人不是頭朝下嗎？不會掉下去嗎？再說地球怎么能孤懸宇宙之中呢？一個沒有依托的東西不會往下掉嗎？那時的人們一定非常疑惑，甚至感到不可思議。但總的來說，證明大地是球形的論據(jù)是合理的，球形的大地也是對“日月星辰是怎樣從地下穿過去的？”這一問題的最合理解釋，所以到了公元前三世紀左右，在古希臘以及它的文明所能影響到的地區(qū)，地圓之說已成定論。

幾乎與此同時，古希臘人還認識到地球與天球相比非常之小。認識到這一點很不容易，但又很容易，因為只要稍微有一點幾何常識就能理解下面的證明：我們?nèi)魏螘r候任何地點所能夠看到的都正好是半個天球，這種情況，只有當?shù)厍蛳啾忍烨騺碚f，幾乎成為一個點，才會產(chǎn)生這種現(xiàn)象（圖9）。

這是早期天文學上的重大突破，沒有這個突破，不知道大地是什么樣子，就永遠無法解釋日月星辰每天是怎么從“地下”鉆過去的，就永遠無法理解行星的詭異行蹤，當然也更不可能了解整個宇宙的結(jié)構(gòu)。這是天文學史上的一個重要的里程碑，只有在這個基礎(chǔ)上，對于宇宙結(jié)構(gòu)的探索才有可能真正開始。

假如沒有古希臘那些哲學家天文學家的杰出證明，人類要等到什么時候才能真正知道大地是球形的呢？要等到麥哲倫環(huán)球航行結(jié)束那一天嗎？但是如果沒有先前對大地是球形的認識，哥倫布、麥哲倫敢貿(mào)然一直往西航行嗎？他們會愿意“一去不復返”嗎？

（作者根據(jù)本人著作《誰見過地球繞著太陽轉(zhuǎn)》（科學出版社）改縮寫而成）

（責任編輯 張長喜）

圖9 地球與天球相比非常小