大地有形——古人是怎么认识地球的

张培华 李鉴

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。

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。

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希臘里再乘以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。