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        地球為什么是圓的

        2019-09-06 14:16:58韓文標(biāo)
        知識就是力量 2019年11期
        關(guān)鍵詞:月食北極星天體

        大地平、球之爭

        是什么原因?qū)е鹿湃苏J為地球是平的呢?

        原來,當(dāng)我們站在空曠的地方,一眼望去,確實會給人以大地是平坦的感覺,特別是登高望遠的時候,看到如棋盤狀的大地,更是給人一種大地是平的錯覺。這是因為人能看到的地表和地球的大小相比,實在是太小了,一般情況下,很難發(fā)現(xiàn)大地的弧度。

        但古代的一些智者,卻從一些蛛絲馬跡中,通過深入思考,很早就發(fā)現(xiàn)了大地是球形這一事實。這些智者就是古希臘的一些杰出學(xué)者。畢達哥拉斯和亞里士多德等人早在2400年前,就發(fā)現(xiàn)了一些端倪。他們認為大地是球形的主要依據(jù)有如下幾點:

        1.水滴是球形——大地也是;

        2.從希臘向東,到非洲能看到大象,往西,到亞洲也能看到大象;

        3.在海邊看帆船,先看到桅桿頂,后看到船身;

        4.越往北,看到北極星相對地平線的高度越高,而且會看到不同的星空。

        其中,第1點只能算是類比,并不能因為水滴是球形,就可以得出大地也是球形的結(jié)論;第2點則是徹底錯了,因為人們看到的并不是同一種大象;而第3點和第4點則是正確的。至少,大地必須是一個大大的弧形才能出現(xiàn)第3點和第4點所指的兩種現(xiàn)象。如果地球是平坦的,那么海平面也會是平坦的,這樣就不會出現(xiàn)第3點中提到的現(xiàn)象。越往北走,北極星升得越高;越往南走,北極星就越低。這里對北極星高度升高稍微解釋一番。所謂北極星的高度,我們其實可以形象化地用需要抬頭多少角度才能直視北極星來理解。古希臘學(xué)者很早就發(fā)現(xiàn),越往北邊走,腦袋需要越仰越高才能直視北極星,而越往南走,北極星則是越來越靠近地平線,直到消失在地平線之下。

        在天氣良好的海邊,遠處駛來的帆船,總是先看到桅桿頂,后看到船身(供圖/韓文標(biāo))

        上:對球形的大地,往北走,北極星高度越高;而往南則越來越低,赤道以南則看不見北極星;下:如果大地是平坦的,則在所有的地方都能看到北極星,且高度不變(供圖/韓文標(biāo))

        地球應(yīng)該是一個球

        當(dāng)然,所有的這些都是合理的推理,距離確定性的證據(jù)還比較遠。

        古希臘人通過對月食的觀察,堅定了地球應(yīng)該是一個球的設(shè)想。古希臘人很早就知道,月食是地球遮住太陽光造成的,因此月食就是地球的影子。亞里士多德發(fā)現(xiàn),月食總是圓形的,這樣地球有極大可能就是一個圓球,只有這樣才能保證在任何情況下,地球投射在月面上的影子總是圓形。除此之外,唯一的可能性就是地球是個圓餅,而且永遠正對著月亮。但這顯然和事實不符,因為月亮是東升西落的。另外,前面講到的事實也否定了地球是平坦的可能。因此,如果月食真的是地球的影子,那么幾乎可以確定地球的形狀是圓的。

        但是,即使有這些證據(jù),全世界絕大部分人還是無法相信地球是圓的。1519年,葡萄牙人麥哲倫開始了他劃時代的航海探險。他始終向一個方向航行,最終在3年后回到原點,他用事實證明了地球是圓的,地圓說真正流行于世界。

        我測出了地球的大小

        古希臘學(xué)者還有一個驚人的成就,那就是很早就測量出了地球的大小。

        月食上的陰影,總是圓形

        一位叫埃拉托斯特尼的科學(xué)家、哲學(xué)家可能是最早計算出地球半徑的人。他是亞歷山大圖書館的第三任館長,據(jù)說有人給他寫信(也有人說他是從書中得知),說每年的6月21日或22日這天(夏至),太陽在正午能夠直射入埃及阿斯旺的水井中(現(xiàn)在我們知道,阿斯旺差不多正好位于地球的北回歸線處,每年夏至的正午,太陽會直射到地面,地上的物體幾乎沒有影子)。于是,埃拉托斯特尼立刻在夏至這天正午,在亞歷山大市(阿斯旺的北面,距之100多千米)垂直豎起了一個直竿,并測量了光線和直竿的夾角,從而計算出了地球的半徑是6300多千米(這個數(shù)值非常接近現(xiàn)在的精確值)。

        都是引力在作怪

        現(xiàn)在,我們都已經(jīng)知道地球是圓的,并且還測量出了它的大小,有讀者一定會問,為什么地球是圓的,而不是方的、扁的、平的或者其他更一般的形狀呢?

        地球是圓的

        每年夏至正午,陽光會直射在阿斯旺。距離它100多千米的北邊城市亞歷山大,太陽光線的入射角度大約是7度,這樣就很容易算出地球的半徑(供圖/韓文標(biāo))

        實際上,我們發(fā)現(xiàn),肉眼可見的絕大部分天體都是球狀的,所以地球是圓的,并不意外。但背后的道理是什么呢?當(dāng)初有人質(zhì)疑地圓說時問過一個可笑的問題:“如果地球是圓的,那么背面的人不是掉下去了嗎?”地球“背面”的人當(dāng)然不會掉下去,因為有一種叫萬有引力的力量,把我們牢牢地束縛在地面上。而正因為地球具有較為強大的引力,才使得自身的形狀呈現(xiàn)球形。

        引力是一種有心力,只要距引力中心距離相同,引力的大小就相同。幾何體中,球有一個性質(zhì),即球面上到球心的距離處處相等。那么在強大的引力作用下,一個天體的形狀就會逐漸呈球形。但如果一個星球的引力不夠強大,那形狀就比較五花八門了,比如直徑小于500千米的小行星——蓋斯普拉看上去就像一顆土豆一樣。

        地球的引力雖然比較強大,但是還沒有強到使得地球表面沒有任何起伏的程度,因此,我們才能看到高山、峽谷、海溝??茖W(xué)家計算發(fā)現(xiàn),地球引力允許的高度差是26千米左右。這就是說如果一座山超過這個高度,就會在引力作用下垮塌。目前,地球上海拔最高的山峰還不到9千米,而最深的海溝是11千米,相差差不多20千米,相較于地球6371千米的半徑來說,這點起伏不算什么。因此,從遠處看,地球還是呈現(xiàn)圓球狀。

        小行星蓋斯普拉(圖片來源/Wiki)

        質(zhì)量更大的恒星,如太陽,當(dāng)然呈現(xiàn)出更加完美的球形,更加致密的天體如中子星、黑洞等,都是如此。中子星的密度極大,一個指頭大小的物質(zhì)就有差不多7億噸,因此上面任何小的凸起都會被碾平。不過,天體都在自轉(zhuǎn),自轉(zhuǎn)會提供一種抵抗引力的離心力。我們可以做一個小實驗,雙臂自然下垂,然后旋轉(zhuǎn)自己的身體,這時你會察覺你的雙臂自然而然地升起來。對天體來說也是如此。地球的自轉(zhuǎn),導(dǎo)致地球赤道鼓起來,而兩極略扁,形成一個橢球狀,因此地球赤道半徑就比地心到北極的半徑要多差不多20千米。即使是中子星這樣致密的天體,如果自轉(zhuǎn)很快的話(目前觀測到自轉(zhuǎn)最快的中子星,每秒轉(zhuǎn)700圈,是地球自轉(zhuǎn)的6000萬倍),形狀嚴格來說也是橢球形。

        小行星蓋斯普拉(圖片來源/Wiki)小行星司琴星(圖片來源/Wiki)

        不是特別強大的引力使地球表面存在高低起伏

        最后,我們總結(jié)一下:粗略地說,地球是圓的,這是因為萬有引力的作用;更精確一點,因為地球的自轉(zhuǎn)等作用,地球并非一個正圓,而是中間鼓起、兩極略扁的橢球體;再精確一點,因為地球的引力還不夠強大,所以地球的形狀大體上是橢球,但存在非常豐富的高低起伏,有高山、峽谷、海溝等,是一個豐富多彩的世界。也正因為如此,人類才能在這個星球上繁衍。

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