大地有形———古人是怎么认识地球的

世世代代生活于地球上的人类,对地球的认识却要晚于对星空的认识。“不识庐山真面目,只缘身在此山中。”身处地球之上,我们无法观察到它的全貌,更感受不到它的运动。人类对地球的认识,经历了无比艰辛的历程。
大地的形状
在几乎所有的古代文明中,都有关于创世纪的传说,也有对世界(地球)的认识。受限于人的视野和生活环境,早期的人们都认为大地是平坦的。中国古人认为天是圆的,地是方的;古埃及人认为地球像一个漂浮在海洋上的盘子;古巴比伦人认为大地是龟背般隆起的空心山;古希腊人认为大地的形状像一个凸起的大圆盘;古代俄罗斯人认为大地像一块圆盾,由三条极大的鲸用背驮着,使它浮在大洋表面上;古印度人甚至认为地球是驮在大象背上的。这些认识不难理解,因为人们站在地面上,所看到的只是地球表面的一小部分,大约是以4.6千米为半径的一块大地。
▲古印度人的宇宙观
不过,后来一些现象引起了人们的注意,那些乐于观察思考的古代科学家逐渐认识到,大地应该是个球体。比如,眺望海平面上行驶来的帆船,总是先看到船帆顶端,然后才能逐渐看到下面的部分。这说明大地不是平面的,而是有一定弧度的。公元前500多年,古希腊的毕达哥拉斯已经提出大地应该是个球体,不过他的理由仅仅是因为“球体是最完美的几何体”,没有客观事实作为依据。
在中国,与之类似的有“浑天说”,这一思想可能早在战国时代就出现了。早期的浑天说认为:地球不是孤零零地悬在空中的,而是浮在水上;后来又有了发展,认为地球浮在气中,因此有可能回旋浮动。著名的汉代科学家张衡在其所著的《浑天仪注》中写道:“浑天如鸡子。天体圆如弹丸,地如鸡子中黄,孤居于天内,天大而地小。”他认为天不是一个半球形﹐而是一个圆球﹐地球在里面,就像鸡蛋黄在鸡蛋内部一样。浑天说认为全天恒星都分布在一个“天球”上,而日月五星则附着于“天球”上运行,这与现代天文学的天球概念十分接近。
对于地球形状研究最全面、最深刻的古人,非古希腊的亚里士多德莫属,他从一系列现象中推断出地球是个球体。
亚里士多德观察并分析了穿过赤道时的星座更替现象,宣布地球是个球体。他发现,“在埃及和塞浦路斯可以看到在北部地区看不到的星星”。只有在球面上观察星空,才会出现这种现象。亚里士多德还指出:“地球是一个不大的球体,因为如果情况相反,这种地区性的变换现象不会这么快出现。”
亚里士多德还观察了月食,他发现月食总发生在满月这一天,月球上的阴影看起来是个比月球大得多的圆形。而这一天,地球恰巧处在太阳和月球之间的位置。当时这也是说明地球是球体的最好证据。

▲月食拼接图,黑色的部分是地球的影子。亚里士多德就是从月食现象推断出地球是圆的

当然,到了大航海时代之后,人们的视野和活动范围大大扩展,地球是个球体的观念才真正深入人心。如今,人类已经能够对地球的形状进行精确测量,以致能发现地球形状的细微不规则之处。

遗憾的是,在科技如此发达的今天,依然有人不相信地球是个球体,是颗行星。比如美国著名篮球明星欧文就是“地平说”的支持者。他们把自己的直观感受作为判断依据的做法是不科学的,这告诫我们“眼见不一定为实”,有些经验也不一定靠得住,在认识这个世界真实面目的道路上,人类需要走的路还十分漫长。
地球的大小
在中国古代,天文学家不仅提出了地球是个球体,还进行了相关的测量工作。那是在唐开元十二年(724年),著名的一行禅师(本名张遂)主持了实地测量子午线长度的工作。其结论是:“大率五百二十六里二百七十步而北极差一度半,三百五十一里八十步而差一度。”折算结果,当时测量出的子午线一度的长度约1418千米,数值虽不够精确,但这是人类历史上第一次的子午线实测工作。
2000多年前,古希腊科学家埃拉托色尼准确测量并计算出了地球的大小。他的这个实验被列为“十大最美丽的物理实验”之一。
埃拉托色尼被称为地理学之父,他多才多艺,其著作《地球大小的修正》的精华就在于对地球周长的计算。他发现,在不同纬度的地区太阳高度不尽相同。通过观察物体的影长,可以清楚地发现这一点。

▲埃拉托色尼测量地球周长的方法

埃拉托色尼知道,在昔兰尼(今利比亚东北部),夏至正午的阳光在头顶正上方,阳光下的物体没有影子,阳光甚至可以直接照入一口深井中。然而同样在夏至这一天,距离昔兰尼5000希腊里的亚历山大城,高大的方尖碑却投下了阴影,通过测量可知阳光与方尖碑的夹角为7.2°。根据泰勒斯的数学定律,即一条射线穿过两条平行线时,它们的对角相等,就可以知道从地心到两地之间的夹角也是7.2°了。圆周是360°,为7.2°的50倍,那么地球的周长就是两地距离的50倍。所以地球周长就用两地距离5000希腊里再乘以50,等于250000希腊里。为了符合圆周60等分制,埃拉托色尼将这一数值修正为252000希腊里。当时的1希腊里等于157.5米,地球周长就相当于39690千米,与今天测出的赤道周长(约40000千米)非常接近!

埃拉托色尼的著作其实并没有流传下来,现在关于这件事的最早记载来自古希腊天文学家克莱奥美德斯的《论天体之圆周运动》一书。对于埃拉托色尼测量太阳高度的方法目前还有争议,人们搞不清楚这个7.2°是怎么得来的,因为当时还没有出现三角函数的算法,也就不可能利用影长计算出太阳高度角。不过相信能想出这样巧妙的方法,测量角度的方法就不会是什么难题了。

本文节选自《百科知识》2021.09B

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