



我們居住的地球是什么形狀的?這似乎是每個小朋友都能回答的問題。而人類認識地球形狀的過程,恰好對應著人類科技變革的進程。
大地形狀猜想
相信小朋友們一定聽過“天圓地方”這個說法,中國古人對宇宙的認識有很多種不同的說法。譬如,“蓋天說”(圖1)。在2000年前的周朝,存在著一種“天圓如張蓋、地方如棋局”的說法,意思是說,藍天就像是一個半球狀的圓蓋,大地則像一塊四方的棋盤,藍天與大海相連。
其他文明古國對于地球形狀也都有過很多奇奇怪怪的猜想。
印度盛產大象,古代印度人認為大地像個圓盾,由三頭大象馱著,大象站在海龜背上,海龜又站在眼鏡蛇的身上(圖2)。
古埃及人更相信神靈,認為大地是神吉伯的身體。他彎曲一只手臂并抬起膝蓋,象征著地球上的山巒河流。天空是一個由大氣之神浮托著的女神,太陽神每天乘船在天空中往來穿行(圖3)。
這些傳說都是先民對宇宙的直觀感受和綺麗猜想,也記錄著人類對宇宙和地球探索的過程。
發現地球
2600多年前,古希臘出了一位非常著名的數學家名叫畢達哥拉斯。他認為在所有的立體圖形中,球形是最完美和諧的,所以他猜想我們生活的地球應該是球形的,但這在古人看來簡直是天方夜譚。
直到古希臘偉大的思想家、科學家、哲學家亞里士多德的出現,證實了這一猜想。亞里士多德發現,大海里的帆船,歸航時先出現船帆,后出現船身;出航時,船身先消失,船帆后消失。亞里士多德通過觀察月食,發現月球上地球的影子是圓形的,第一次科學地論證了地球是個球體。
地球有多大?
從猜想地球是個球體到科學的證實經歷了200多年,既然知道了地球是個球體,那么是否有人知道地球的大小呢?早在2000多年前,古希臘自然哲學家埃拉托色尼就已經粗算出地球的周長。
簡要來說,埃拉托色尼的方法是:選擇同一經線上的兩個地點——賽伊尼(在今天的阿斯旺)和亞歷山大港,在夏至日那天測量兩地物體影子的長度(圖4)。賽伊尼處于一個特殊的位置。當地有一口深井,夏至日那天太陽光可直射井底。今天我們知道,這是因為賽伊尼正好位于北回歸線上,夏至日的太陽正好位于天頂,此時可以近似認為陽光的延長線穿過地心。
(圖4 埃拉托色尼及其測量方法)
同時,他在亞歷山大港選擇了一座高大的方尖石塔作參照,測量了夏至日那天石塔影子的長度,從而計算出方尖石塔和太陽光線之間的角度為7°12′,即相當于圓周角360°的1/50。他假設地球上不同位置的陽光都是平行的,根據內錯角相等的原理,賽伊尼到亞歷山大港對應的地心角度也是7°12′,這一角度對應的弧長,即從賽伊尼到亞歷山大港的距離,應該相當于地球周長的1/50。
埃拉托色尼隨后查找測地資料,得知這兩個城市的距離是5000希臘里。把這個距離乘以50,可知地球的周長為25萬希臘里。1希臘里等于157.5米,算得地球周長約為39000千米。今天我們測出的地球周長大約是40076千米,證明他得出了比較準確的結果,這是非常了不起的成就,注定永載史冊。
向西出發去東方
哥倫布一生從事航海活動,先后移居葡萄牙和西班牙。他相信大地球形說,認為從歐洲西航可達東方的印度和中國。他在西班牙國王的支持下,先后4次出海遠航,開辟了橫渡大西洋到美洲的航路,首次登上美洲大陸。他發現和利用了大西洋“低緯度吹東風,較高緯度吹西風”這一風向變化規律,證明了大地球形說的正確性,促進了舊大陸與新大陸的聯系。
麥哲倫出生于航海大國葡萄牙。原本是貴族后裔的他因為家族沒落,不得不在王室做一名仆人,1517年,屢次遭拒的麥哲倫無奈來到了西班牙。在這里,他得到了國王查理一世的賞識。
1519年9月20日,麥哲倫率領一支5艘船組成的遠征隊從塞維利亞港出發了。歸來時,麥哲倫船隊的5艘遠洋隊只剩下“維多利亞”號遠洋帆船。麥哲倫船隊以巨大的代價獲得環球航行成功,證明了地球是圓球形的,結束了幾千年來關于大地形狀的猜想。