張培華 李鑒

世世代代生活于地球上的人類，對地球的認(rèn)識卻要晚于對星空的認(rèn)識?！安蛔R廬山真面目，只緣身在此山中?！鄙硖幍厍蛑?，我們無法觀察到它的全貌，更感受不到它的運(yùn)動。人類對地球的認(rèn)識，經(jīng)歷了無比艱辛的歷程。

大地的形狀

在幾乎所有的古代文明中，都有關(guān)于創(chuàng)世紀(jì)的傳說，也有對世界（地球）的認(rèn)識。受限于人的視野和生活環(huán)境，早期的人們都認(rèn)為大地是平坦的。中國古人認(rèn)為天是圓的，地是方的；古埃及人認(rèn)為地球像一個(gè)漂浮在海洋上的盤子；古巴比倫人認(rèn)為大地是龜背般隆起的空心山；古希臘人認(rèn)為大地的形狀像一個(gè)凸起的大圓盤；古代俄羅斯人認(rèn)為大地像一塊圓盾，由三條極大的鯨用背馱著，使它浮在大洋表面上；古印度人甚至認(rèn)為地球是馱在大象背上的。這些認(rèn)識不難理解，因?yàn)槿藗冋驹诘孛嫔?，所看到的只是地球表面的一小部分，大約是以4.6千米為半徑的一塊大地。

不過，后來一些現(xiàn)象引起了人們的注意，那些樂于觀察思考的古代科學(xué)家逐漸認(rèn)識到，大地應(yīng)該是個(gè)球體。比如，眺望海平面上行駛來的帆船，總是先看到船帆頂端，然后才能逐漸看到下面的部分。這說明大地不是平面的，而是有一定弧度的。公元前500多年，古希臘的畢達(dá)哥拉斯已經(jīng)提出大地應(yīng)該是個(gè)球體，不過他的理由僅僅是因?yàn)椤扒蝮w是最完美的幾何體”，沒有客觀事實(shí)作為依據(jù)。

在中國，與之類似的有“渾天說”，這一思想可能早在戰(zhàn)國時(shí)代就出現(xiàn)了。早期的渾天說認(rèn)為：地球不是孤零零地懸在空中的，而是浮在水上；后來又有了發(fā)展，認(rèn)為地球浮在氣中，因此有可能回旋浮動。著名的漢代科學(xué)家張衡在其所著的《渾天儀注》中寫道：“渾天如雞子。天體圓如彈丸，地如雞子中黃，孤居于天內(nèi)，天大而地小。”他認(rèn)為天不是一個(gè)半球形﹐而是一個(gè)圓球﹐地球在里面，就像雞蛋黃在雞蛋內(nèi)部一樣。渾天說認(rèn)為全天恒星都分布在一個(gè)“天球”上，而日月五星則附著于“天球”上運(yùn)行，這與現(xiàn)代天文學(xué)的天球概念十分接近。

對于地球形狀研究最全面、最深刻的古人，非古希臘的亞里士多德莫屬，他從一系列現(xiàn)象中推斷出地球是個(gè)球體。

亞里士多德觀察并分析了穿過赤道時(shí)的星座更替現(xiàn)象，宣布地球是個(gè)球體。他發(fā)現(xiàn)，“在埃及和塞浦路斯可以看到在北部地區(qū)看不到的星星”。只有在球面上觀察星空，才會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。亞里士多德還指出：“地球是一個(gè)不大的球體，因?yàn)槿绻闆r相反，這種地區(qū)性的變換現(xiàn)象不會這么快出現(xiàn)。”

亞里士多德還觀察了月食，他發(fā)現(xiàn)月食總發(fā)生在滿月這一天，月球上的陰影看起來是個(gè)比月球大得多的圓形。而這一天，地球恰巧處在太陽和月球之間的位置。當(dāng)時(shí)這也是說明地球是球體的最好證據(jù)。

當(dāng)然，到了大航海時(shí)代之后，人們的視野和活動范圍大大擴(kuò)展，地球是個(gè)球體的觀念才真正深入人心。如今，人類已經(jīng)能夠?qū)Φ厍虻男螤钸M(jìn)行精確測量，以致能發(fā)現(xiàn)地球形狀的細(xì)微不規(guī)則之處。

遺憾的是，在科技如此發(fā)達(dá)的今天，依然有人不相信地球是個(gè)球體，是顆行星。比如美國著名籃球明星歐文就是“地平說”的支持者。他們把自己的直觀感受作為判斷依據(jù)的做法是不科學(xué)的，這告誡我們“眼見不一定為實(shí)”，有些經(jīng)驗(yàn)也不一定靠得住，在認(rèn)識這個(gè)世界真實(shí)面目的道路上，人類需要走的路還十分漫長。

地球的大小

在中國古代，天文學(xué)家不僅提出了地球是個(gè)球體，還進(jìn)行了相關(guān)的測量工作。那是在唐開元十二年（724年），著名的一行禪師（本名張遂）主持了實(shí)地測量子午線長度的工作。其結(jié)論是：“大率五百二十六里二百七十步而北極差一度半，三百五十一里八十步而差一度?！闭鬯憬Y(jié)果，當(dāng)時(shí)測量出的子午線一度的長度約1418千米，數(shù)值雖不夠精確，但這是人類歷史上第一次的子午線實(shí)測工作。

2000多年前，古希臘科學(xué)家埃拉托色尼準(zhǔn)確測量并計(jì)算出了地球的大小。他的這個(gè)實(shí)驗(yàn)被列為“十大最美麗的物理實(shí)驗(yàn)”之一。

埃拉托色尼被稱為地理學(xué)之父，他多才多藝，其著作《地球大小的修正》的精華就在于對地球周長的計(jì)算。他發(fā)現(xiàn)，在不同緯度的地區(qū)太陽高度不盡相同。通過觀察物體的影長，可以清楚地發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。

埃拉托色尼知道，在昔蘭尼（今利比亞東北部），夏至正午的陽光在頭頂正上方，陽光下的物體沒有影子，陽光甚至可以直接照入一口深井中。然而同樣在夏至這一天，距離昔蘭尼5000希臘里的亞歷山大城，高大的方尖碑卻投下了陰影，通過測量可知陽光與方尖碑的夾角為7.2°。根據(jù)泰勒斯的數(shù)學(xué)定律，即一條射線穿過兩條平行線時(shí)，它們的對角相等，就可以知道從地心到兩地之間的夾角也是7.2°了。圓周是360°，為7.2°的50倍，那么地球的周長就是兩地距離的50倍。所以地球周長就用兩地距離5000希臘里再乘以50，等于250000希臘里。為了符合圓周60等分制，埃拉托色尼將這一數(shù)值修正為252000希臘里。當(dāng)時(shí)的1希臘里等于157.5米，地球周長就相當(dāng)于39690千米，與今天測出的赤道周長（約40000千米）非常接近！

埃拉托色尼的著作其實(shí)并沒有流傳下來，現(xiàn)在關(guān)于這件事的最早記載來自古希臘天文學(xué)家克萊奧美德斯的《論天體之圓周運(yùn)動》一書。對于埃拉托色尼測量太陽高度的方法目前還有爭議，人們搞不清楚這個(gè)7.2°是怎么得來的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)還沒有出現(xiàn)三角函數(shù)的算法，也就不可能利用影長計(jì)算出太陽高度角。不過相信能想出這樣巧妙的方法，測量角度的方法就不會是什么難題了。