運(yùn)動(dòng)中的地球

陳厚尊

我們腳下的大地是運(yùn)動(dòng)的。

這個(gè)觀念對(duì)現(xiàn)代人來說也許自然而然，但那是因?yàn)槲覀冋驹诹司奕说募绨蛏稀]錯(cuò)，我指的正是哥白尼。在此之前，對(duì)西方人來講，“大地是運(yùn)動(dòng)的”這種想法不僅瘋狂、同直覺相悖，更嚴(yán)重的是它與上帝創(chuàng)世的宗教信仰格格不入。要知道，在那樣一個(gè)科學(xué)尚未與宗教分離的時(shí)代，每當(dāng)人們遇到自己不懂的問題的時(shí)候，第一時(shí)間想到的是去翻閱《圣經(jīng)》，或者詢問當(dāng)?shù)氐纳窀?，而不是求助于科學(xué)。這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的人們普遍相信上帝無所不知，《圣經(jīng)》里書寫的東西是絕對(duì)真理。任何膽敢對(duì)此持不同意見的人統(tǒng)統(tǒng)被劃入異教徒，不僅生前面臨教會(huì)的迫害，死后靈魂還會(huì)下地獄。而在古代中國，盡管沒有教會(huì)的束縛，但天文觀測逐漸演變成了皇家的專屬行為。在民間，任何敢擅自觀天的普通百姓都會(huì)被冠以窺測天機(jī)、心懷不軌的罪名。中國自古重視農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也許是受到了農(nóng)時(shí)與太陽運(yùn)行息息相關(guān)的啟發(fā)，“天人合一”的思想得以迅速普及，并為統(tǒng)治者采納。從此以后，天文學(xué)在中國成為一門純粹的搜集性學(xué)問。人們辛勤地記錄夜空中發(fā)生的種種天象，將其同地面上發(fā)生的大事相附會(huì)。如此一來，再也沒有人去關(guān)心天象背后的自然原因，更遑論天地模型的探究。不過，在思想較為自由和開放的先秦時(shí)期，中國人曾經(jīng)提出過蓋天

說和渾天說兩種宇宙模型，其中后者比較接近現(xiàn)代天文學(xué)里的天球概念。只可惜，在大地是否運(yùn)動(dòng)的問題上，二者都沒有給出明確的結(jié)論?？紤]到《山海經(jīng)》中關(guān)于天地成形的論述“天地混沌如雞子，盤古生其中，萬八千歲，天地開辟，陽清為天，陰濁為地”；也就是說，組成大地的是這個(gè)世界上最厚實(shí)穩(wěn)固的部分，而天是像氣一樣縹緲無形的東西。因此，要指望古代中國人發(fā)現(xiàn)大地圍繞著什么東西旋轉(zhuǎn)的事實(shí)，恐怕也是相當(dāng)困難的。

由此看來，大地是牢固不動(dòng)的概念曾經(jīng)在我們祖先的頭腦中根深蒂固。從生物進(jìn)化的角度看這是十分合理的，我們的祖先屬于陸生動(dòng)物，必須認(rèn)為自己腳下的大地穩(wěn)固而牢靠，除非有獸群在奔跑，或者發(fā)生了火山爆發(fā)和地震。而上述三件事情發(fā)生的時(shí)候我們祖先的生命會(huì)受到嚴(yán)重威脅，從而引發(fā)內(nèi)心的恐懼，然后迅速逃離。時(shí)至今日，當(dāng)人們突然感受到未知原因的大地震顫時(shí)依然會(huì)本能地恐慌。不過，在理性的邏輯思維面前，這樣樸素的觀念再難維持下去。任何曾經(jīng)在

夜空中守望過星空的人都會(huì)注意到這樣一個(gè)事實(shí)：天上所有的日月星辰都處在不間斷的東升西落當(dāng)中。那么，于西方隕落的星辰又是如何在一定時(shí)間后原封不動(dòng)地出現(xiàn)在東方的地平線上呢？一個(gè)自然的想法是：它們從我們的地下悠然經(jīng)過，而后又回到昨日的起點(diǎn)。這會(huì)引發(fā)一個(gè)嚴(yán)重的問題：如果我們?cè)缦日J(rèn)定大地是堅(jiān)實(shí)的，又怎能允許日月星辰通過呢？這就迫使我們認(rèn)定地下有一條寬闊的走廊，允許星辰在其中穿行。于是，大地是由什么東西支撐起來的觀念在文明的早期便深入人心。例如，古代印度人就認(rèn)為是三只巨大的象和龜支撐起了圓盤狀的大地，還有的文明認(rèn)為大地被一片廣袤的汪洋承載，等等。相關(guān)的天地模型有很多，不過這樣的圖景依然無法令人滿意，因?yàn)樗枰忉屩未蟮氐慕Y(jié)構(gòu)坐落于何處。類似的邏輯困境逼迫我們步步后退，最終承認(rèn)腳下的大地處于某種懸浮狀態(tài)，就像中國的渾天說認(rèn)為的那樣。另一方面，通過在南北相距甚遠(yuǎn)的兩地觀察北極星的不同高度可以察覺出大地是球形的這一事實(shí)。當(dāng)然，歷史上的不同文明意識(shí)到這一點(diǎn)所用的手段也不盡相同，有的是觀察遠(yuǎn)處海面上的船只，有的是在月食時(shí)觀察月面上的

弧狀地影，然而它們殊途同歸，都指向了地面是彎曲的這一事實(shí)。現(xiàn)在，我們根本無法想象文明史上第一個(gè)產(chǎn)生了“地球”概念的人究竟感受到了什么，毫無疑問，那必定是種難以言表的心靈震撼。

總而言之，到了托勒密時(shí)代（大致相當(dāng)于中國的東漢），地球孤懸于天球中心的圖像已經(jīng)在很多古文明中成型了。托勒密曾經(jīng)在一部名為《天文學(xué)大成》的巨著里用了整整一卷的篇幅來建立他的上述體系，并牢牢統(tǒng)治西方天文學(xué)達(dá)1000多年。盡管早在古希臘時(shí)期便有人提出過我們的地球或許應(yīng)該圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的想法，然而直到16世紀(jì)中期哥白尼發(fā)表《天體運(yùn)行論》的時(shí)候，這一思想幾乎已經(jīng)被世人遺忘。今天看來，哥白尼思想的偉大之處在于：他將地球看作是天上的一

顆普通的星辰，與水星、金星、火星、木星和土星一樣圍繞太陽運(yùn)行。事實(shí)上，這樣的模型距離正確的宇宙觀念只差一步：即太陽也是諸天繁星中的一員。以哥白尼的聰明才智本可以意識(shí)到這一點(diǎn)，奈何他的思想還是被托勒密的天球模型所困，沒能跳脫出來。

一旦意識(shí)到我們腳下的大地不過是一顆太陽系里的普通行星，研究地球本身的運(yùn)動(dòng)也就成了天文學(xué)的首要課題。繼哥白尼之后，現(xiàn)如今的天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了至少12種不同的地球運(yùn)動(dòng)，相較于眾所周知的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，其余的10種運(yùn)動(dòng)要么幅度很小，要么周期很長，難以被觀天者察覺。盡管如此，一種被稱為“歲差”的長期現(xiàn)象依然被東西方的許多天文學(xué)家僅僅依靠肉眼觀察發(fā)現(xiàn)。這便是地球運(yùn)動(dòng)的第三種形式：自轉(zhuǎn)軸的進(jìn)動(dòng)。

可以想象，由于地球好像一個(gè)陀螺一樣在宇宙空間不停地自轉(zhuǎn)，兩極與赤道承受的離心力存在些許差別。這一差別使地球表面的物質(zhì)自兩極滑向赤道，直至形成一種赤道凸出的扁橢球形狀。這樣的力學(xué)平衡早在地球形成之初便已完成?，F(xiàn)代的大地測量數(shù)據(jù)證明：地球的赤道直徑比兩極的平均直徑多出43千米。另一方面，地球自轉(zhuǎn)軸與自身的公轉(zhuǎn)軌道平面并不垂直，而是存在一個(gè)可觀的夾角，即黃赤交角，其目前的數(shù)值約為23°26′。物理學(xué)定律告訴我們，這樣一個(gè)傾斜的自轉(zhuǎn)扁橢球在萬有引力的作用下會(huì)發(fā)生自轉(zhuǎn)軸進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)動(dòng)的方向自東向西，與地球的自轉(zhuǎn)或公轉(zhuǎn)方向相反，周期為25771年。歲差的存在引發(fā)了兩個(gè)可觀測的天文現(xiàn)象：首先是春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)以每年50.29″（1°=60′=3600″）的速度向西退行；其次是地球自轉(zhuǎn)軸的指向沿著一

個(gè)圓周緩慢漂移，圓心位于黃北極處。目前，地球自轉(zhuǎn)軸指向的方位比較靠近小熊座的勾陳一，也就是通常所說的北極星。而在2000年前的漢代，天上還沒有哪顆星能擔(dān)得起北極星的名號(hào)。在東西方歷史上，第一個(gè)發(fā)現(xiàn)歲差現(xiàn)象的天文學(xué)家分別是古希臘的喜帕恰斯（又譯依巴谷，歐空局于1989年發(fā)射的“依巴谷”衛(wèi)星正是為了紀(jì)念此君）和中國東晉的虞喜。他們?cè)鴮⒆约旱暮阈怯^察記錄同前人的資料仔細(xì)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的目標(biāo)都發(fā)生了一個(gè)從西向東的緩慢漂移。喜帕恰斯認(rèn)為這是春分點(diǎn)沿黃道后退引起的，并推算出春分點(diǎn)每百年西移1°，由此發(fā)現(xiàn)了歲差現(xiàn)象。

除此以外，地軸在圍繞黃北極做圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還疊加有一種微小的橢圓形擺動(dòng)，被稱為章動(dòng)。它的產(chǎn)生同月球?qū)Φ厍虺嗟劳怀霾糠值奈嘘P(guān)，所以，該橢圓擺動(dòng)的周期同白道面（月球公轉(zhuǎn)軌道平面）的轉(zhuǎn)動(dòng)周期相同，都是18年零7個(gè)月。另外，隨著近年來衛(wèi)星測量精度的提高，人們發(fā)現(xiàn)地軸本身也會(huì)在地球表面發(fā)生無規(guī)律的漂移，其原因與地球上的物質(zhì)再分布有關(guān)，例如不定期的大地震、兩極冰架崩塌、地核地幔的物質(zhì)流動(dòng)等。目前人們尚無法對(duì)此做長期預(yù)測，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)言未來數(shù)月內(nèi)的地軸走向。

接下來要提到的第六種地球運(yùn)動(dòng)是因?yàn)樵铝恋拇嬖?，它的引力試圖將地球拉出繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道。事實(shí)上，所謂地球圍繞太陽的軌道是地月系統(tǒng)的重心在走，該重心位于地下1700千米的地方，并常和月亮同處一側(cè)。由于它始終位于地球內(nèi)部，因而看起來好像是月亮在圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)際上地球本身也在圍繞這個(gè)重心轉(zhuǎn)動(dòng)，只是幅度很小。這種晃動(dòng)是太陽的月角差的成因。

地球的第七種運(yùn)動(dòng)涉及上文提到的黃赤交角的變化。從長期來看，地球的黃赤交角總是處于一種小幅度的振蕩狀態(tài)，振蕩范圍為22°2 ′33 ″到24°30 ′16″，振蕩周期約為41040年。目前這個(gè)交角正在逐漸變小，將來還會(huì)變大。

地球的第八種運(yùn)動(dòng)與其自身公轉(zhuǎn)軌道的偏心率有關(guān)。被譽(yù)為“天空立法者”的開普勒曾在第谷多年的行星觀測資料基礎(chǔ)之上提出了行星運(yùn)動(dòng)的三大法則，其開宗明義的第一條就是行星圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道是一個(gè)橢圓，太陽占據(jù)著其中一個(gè)焦點(diǎn)。偏心率給出了一個(gè)橢圓偏離正圓程度的描述，以0代表正圓，1代表線段。地球公轉(zhuǎn)軌道的偏心率目前約為0.0167，這說明它是一個(gè)非常

接近正圓的橢圓。即便如此，地球在經(jīng)過近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)的時(shí)候與太陽的距離仍然相差500萬千米之遙。地球公轉(zhuǎn)軌道的偏心率始終處于某種振蕩過程中，其周期約為95000年。有科學(xué)家相信，當(dāng)這種振蕩達(dá)到頂峰的時(shí)候，地球軌道的偏心率甚至?xí)_(dá)到目前的3倍還多，導(dǎo)致日地距離在一年之中產(chǎn)生劇烈變化，從而觸發(fā)新的亞冰期到來。

地球的第九種運(yùn)動(dòng)與地球公轉(zhuǎn)軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)有關(guān)。2016年1月3日，地球于格林尼治時(shí)間0：59經(jīng)過了自己的近日點(diǎn)，而在21世紀(jì)初的時(shí)候這個(gè)時(shí)間一般是1月2日。若向前追溯，例如公元前4000年，地球會(huì)在9月23日經(jīng)過這一點(diǎn)；公元1250年地球于12月21日經(jīng)過這一點(diǎn)。往后看，地球在公元6400年3月21日、公元11500年6月21日才經(jīng)過這一點(diǎn)。最后，到公元16000年的時(shí)候，近日點(diǎn)會(huì)重新回到公元前4000年的位置，完成自己長達(dá)200個(gè)世紀(jì)的進(jìn)動(dòng)周期。

地球的第十種運(yùn)動(dòng)源于太陽系內(nèi)不斷運(yùn)動(dòng)變化的其他大行星的吸引力。我們的鄰居金星和龐大的巨人木星在其中起著主要作用，它們干擾了地球公轉(zhuǎn)軌道，造成各種各樣的攝動(dòng)。在18世紀(jì)至19世紀(jì)天體力學(xué)發(fā)展史上，對(duì)太陽系力學(xué)穩(wěn)定性的證明始終是一個(gè)前沿難題。由于其數(shù)學(xué)本質(zhì)是一個(gè)多體問題，不存在通常意義上的解析答案，因此對(duì)這個(gè)問題的探究促使人們發(fā)現(xiàn)了一大批強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)工具。1825年，法國著名的物理學(xué)家皮埃爾·西蒙·拉普拉斯在他的鴻篇巨制《天體力學(xué)》五卷本里，嚴(yán)格證明了大行星的攝動(dòng)效應(yīng)是守恒和周期性的，既不會(huì)積累也不會(huì)消解，從而在數(shù)學(xué)上完美地解決了太陽系的穩(wěn)定性問題。不過，這樣的結(jié)果并不意味著太陽系的多體問題總是可解的?，F(xiàn)代混沌學(xué)里有一個(gè)“李雅普諾夫時(shí)間”的概念，它的含義是一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)擺脫現(xiàn)有攝動(dòng)周期，徹底陷入混沌的時(shí)標(biāo)長度。據(jù)估算，我們太陽系的李雅普諾夫時(shí)間約為2.3億年，這意味無論現(xiàn)有的觀測精度多么精確，或計(jì)算能力多么強(qiáng)大，我們都不可能預(yù)測在那以后任何

大行星的軌道參量，也就無法預(yù)言在那以后的任何天象（比如日食、金星凌日等）的發(fā)生時(shí)刻。

地球的最后兩種運(yùn)動(dòng)都與太陽有關(guān)。首先，因?yàn)樘枒?yīng)該圍繞太陽系的公共重心運(yùn)動(dòng)，這樣就移動(dòng)了地球公轉(zhuǎn)的中心，而使地球發(fā)生微弱的晃動(dòng)；其次，太陽圍繞銀河系中心不停運(yùn)轉(zhuǎn)，它攜帶著太陽系的所有成員高速奔向武仙座方向，公轉(zhuǎn)周期約為2.3億年。更進(jìn)一步，銀河系本身還在圍繞著本超星系團(tuán)的中心不斷運(yùn)轉(zhuǎn)。所以單從幅度上看，最后一種運(yùn)動(dòng)比以上所有運(yùn)動(dòng)都要?jiǎng)×业枚唷?/p>

如此看來，自有地球以來，它從沒有兩次出現(xiàn)在相同的位置上，也絕不會(huì)再回到我們現(xiàn)在所處的位置上來。我們?cè)谟钪嬷醒刂粭l無窮無盡而且時(shí)常變化萬千的復(fù)雜軌道運(yùn)行，從不停歇。真不知如果2000年前的托勒密有幸知曉這一切，究竟做何感想。