大地有形——古人是怎么認識地球的

張培華 李鑒

世世代代生活于地球上的人類，對地球的認識卻要晚于對星空的認識?！安蛔R廬山真面目，只緣身在此山中。”身處地球之上，我們無法觀察到它的全貌，更感受不到它的運動。人類對地球的認識，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，都有關于創(chuàng)世紀的傳說，也有對世界（地球）的認識。受限于人的視野和生活環(huán)境，早期的人們都認為大地是平坦的。中國古人認為天是圓的，地是方的；古埃及人認為地球像一個漂浮在海洋上的盤子；古巴比倫人認為大地是龜背般隆起的空心山；古希臘人認為大地的形狀像一個凸起的大圓盤；古代俄羅斯人認為大地像一塊圓盾，由三條極大的鯨用背馱著，使它浮在大洋表面上；古印度人甚至認為地球是馱在大象背上的。這些認識不難理解，因為人們站在地面上，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家逐漸認識到，大地應該是個球體。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，古希臘的畢達哥拉斯已經(jīng)提出大地應該是個球體，不過他的理由僅僅是因為“球體是最完美的幾何體”，沒有客觀事實作為依據(jù)。

在中國，與之類似的有“渾天說”，這一思想可能早在戰(zhàn)國時代就出現(xiàn)了。早期的渾天說認為：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，認為地球浮在氣中，因此有可能回旋浮動。著名的漢代科學家張衡在其所著的《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?！彼J為天不是一個半球形﹐而是一個圓球﹐地球在里面，就像雞蛋黃在雞蛋內(nèi)部一樣。渾天說認為全天恒星都分布在一個“天球”上，而日月五星則附著于“天球”上運行，這與現(xiàn)代天文學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球體。

亞里士多德觀察并分析了穿過赤道時的星座更替現(xiàn)象，宣布地球是個球體。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：“地球是一個不大的球體，因為如果情況相反，這種地區(qū)性的變換現(xiàn)象不會這么快出現(xiàn)?！?/p>

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。當時這也是說明地球是球體的最好證據(jù)。

當然，到了大航海時代之后，人們的視野和活動范圍大大擴展，地球是個球體的觀念才真正深入人心。如今，人類已經(jīng)能夠對地球的形狀進行精確測量，以致能發(fā)現(xiàn)地球形狀的細微不規(guī)則之處。

遺憾的是，在科技如此發(fā)達的今天，依然有人不相信地球是個球體，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)的做法是不科學的，這告誡我們“眼見不一定為實”，有些經(jīng)驗也不一定靠得住，在認識這個世界真實面目的道路上，人類需要走的路還十分漫長。

地球的大小

在中國古代，天文學家不僅提出了地球是個球體，還進行了相關的測量工作。那是在唐開元十二年（724年），著名的一行禪師（本名張遂）主持了實地測量子午線長度的工作。其結論是：“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。”折算結果，當時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測工作。

2000多年前，古希臘科學家埃拉托色尼準確測量并計算出了地球的大小。他的這個實驗被列為“十大最美麗的物理實驗”之一。

埃拉托色尼被稱為地理學之父，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。

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)學定律，即一條射線穿過兩條平行線時，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。當時的1希臘里等于157.5米，地球周長就相當于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并沒有流傳下來，現(xiàn)在關于這件事的最早記載來自古希臘天文學家克萊奧美德斯的《論天體之圓周運動》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7.2°是怎么得來的，因為當時還沒有出現(xiàn)三角函數(shù)的算法，也就不可能利用影長計算出太陽高度角。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。