地球認識史上的先知

江　晨

自從人類在地球上誕生以來，人類就無時無刻不在研究與人類息息相關的地球。期間，出現(xiàn)了一批智慧超群的科學家。他們在人類還處于蒙昧狀態(tài)的時候就獨具慧眼，憑著敏銳的觀察、豐富的想象、嚴密的思考，提出了許多超越時代的真知灼見，使人類對地球的認識發(fā)生質(zhì)的飛躍。

畢達哥拉斯——第一個提出地球為球形的人

公元前580年～公元前500年，人類對地球的認識極為淺薄。古埃及人認為地球是放在四只大象背上的平板，而大象則站在一只大龜背上，龜浮在海上。古巴比倫人認為大地像只圓盤。在我國古代，也有大地如棋盤之類的說法?？傊?，都認為地球是平面的。

古人產(chǎn)生地球是平面的想法是很自然的。因為那時的社會生產(chǎn)力很低下，人類的活動范圍很小，地球?qū)Ξ敃r的人來說實在太大了。人類無法直觀地認識它的總體，只能從自己生活的那個地方所體驗到的一些現(xiàn)象來推斷地球的形狀。水從高處往低處流，物體從上往下落，這是人類觀察到的最大量、最基本的現(xiàn)象。人們便由此認定上與下、高與低是絕對的，當時的人們卻很難想象地球是球形的。

可就在這個時候，古希臘著名的科學家畢達哥拉斯突破了傳統(tǒng)與直觀的局限，在距今約2500年前，第一個明確地提出地球是球形，實現(xiàn)了人類對地球認識的一個飛躍。

畢達哥拉斯的地球球形說，是以充分的觀察結(jié)果為基礎的。他觀察到，月光不是月亮自己發(fā)出的光，而是反射的太陽光。進而他又發(fā)現(xiàn)月面上的陰暗交界處有一道弧線，這種現(xiàn)象只有光線照射在球形物體上才能產(chǎn)生，這就說明月球為球形。由此，他推想到地球和其他天體都是球形。他的另一個根據(jù)是，每當月食發(fā)生時地球投射在月球上的影子也是圓形的，這就進一步佐證了地球為球形。

畢達哥拉斯還從“科學—美學”角度論證了地球，甚至包括各種天體都會是球形。他認為圓形、球形是最完美的幾何形狀。宇宙是完美、和諧的，因此構(gòu)成宇宙的各種天體必然為球體，并在圓形軌道上運轉(zhuǎn)。他的這一“科學—美學”思想，雖然帶有一定的神秘色彩，但卻深刻地影響到而后的天文學發(fā)展。伽利略、哥白尼等無不受其影響。哥白尼公然認為畢達哥拉斯的天文概念就是他的太陽中心說的先驅(qū)。

埃拉托色尼——第一個量出地球大小的人

埃拉托色尼是古希臘的科學家，生活在約公元前3世紀，他對畢達哥拉斯、亞里士多德提出的關于地球是一個球體的論述深信不疑，并千萬百計地要測出地球的大小。

埃拉托色尼生活在埃及亞歷山大里亞城。他發(fā)現(xiàn)，每年從春到冬，太陽從沒有在這座城市的天頂上停過。即使在每年6月22日的正午即夏至這一天，太陽光線與垂直地面的標桿之間的夾角也有7.2°。他同時又聽說，在亞歷山大里亞城以南約5000斯塔季亞(古埃及長度單位，1斯塔季亞約等于1/10英里)的塞恩城(今阿斯旺大壩附近)，情況與此大不一樣：在那里，每年夏至這天正午，太陽正好掛在天頂，陽光可以筆直地照射到井底，所有的直立物體都沒有影子。這種現(xiàn)象引起埃拉托色尼的極大興趣。他想，從遠處投來的太陽光是平行光，如果地球是平面的，那么就不可能出現(xiàn)這種差異，這種差異的產(chǎn)生，不正好說明地球是球形了嗎?根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)不就可以計算出地球的周長了嗎?

亞歷山大里亞城和賽恩城，一個在正北，一個在正南。太陽光在亞歷山大里亞城與標桿的夾角應相等于以地球為圓心、以兩城之間的距離為弧長的這一圓弧所對應的圓心角，即均為7.2°(如圖所示)。根據(jù)幾何學中關于在一個圓里，多大的圓心角對應多大的圓弧的道理，就可以測出地球的周長。

即：地球的周長=5000斯塔季亞×(360°÷7.2°)=250000斯塔季亞，約合39816公里。數(shù)據(jù)與今人測量地球經(jīng)線長40009公里非常接近。

這是一個生活在距今3000多年前的人測得的地球的大小。其測量方案的科學，測量結(jié)果的精確，都令今人嘆為觀止！

卡文迪許——第一個稱出地球重量的人

自從埃拉托色尼計算出地球的大小以來，不少人都設想利用質(zhì)量等于密度乘以體積的方法來計算地球的質(zhì)量。但由于地球的平均密度無法確定，所以用此法求地球的質(zhì)量就成了一條死胡同，無法走通。

到了17世紀末期，英國科學家牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。這個定律指出，宇宙間任意兩個質(zhì)點都有相互吸引力，其大小與其質(zhì)量的乘積成正比，與其距離的平方成反正，用公式表示為：F=GM₁M₂/R²。其中F代表萬有引力，G為萬有引力常數(shù)，M₁和M₂分別表示兩個物體的質(zhì)量，R表示兩個物體之間的距離。從上面這個公式可以看出，只要測出萬有引力常數(shù)G，就可以計算出地球的質(zhì)量。這個公式就成了測算地球質(zhì)量的一把鑰匙?？ㄎ牡显S就是首先找到這把鑰匙并利用它取得成功的一位科學家。

卡文迪許是18世紀末期的英國物理學家。他在一根細長桿子的兩端各固定一個小鉛球，做成一個形似“啞鈴”的東西。然后用一根細石英絲把這個“啞鈴”從中間懸掛起來。操作時，用另外兩個較大的鉛球去接近“啞鈴”上的兩個鉛球。由于萬有引力的作用，石英絲就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。根據(jù)偏轉(zhuǎn)的程度，就可以算出鉛球間引力的大小，進而算出萬有引力常數(shù)和地球的質(zhì)量。可他在用兩個較大鉛球去接近“啞鈴”上的兩個鉛球時，卻未見石英絲發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

要想使實驗獲得成功，就必須提高裝置的靈敏度。卡文迪許在一個偶然的機會中，發(fā)現(xiàn)小孩子用鏡子反射陽光玩時，鏡子只要稍微一動，反射出去的陽光在遠處的墻上就發(fā)生極大的移動。他深受啟發(fā)，心想，我如果在測定裝置的石英絲上安一塊小鏡子，把一束光線射到鏡面上，讓鏡面再把光線反射到一個刻度尺，那么，即使石英絲只有極微小的偏轉(zhuǎn)，也會明顯地在刻度尺上表現(xiàn)出來，這不就可以大大提高裝置的靈敏度了嗎?經(jīng)過無數(shù)次的實踐，他的實驗終于獲得了成功，測出了裝置中鉛球間引力的大小，并計算出萬有引力常數(shù)為6.67259×10-11千克-1·米3·秒-2。這就是科學史上著名的卡文迪許“扭秤”實驗。

測出了萬有引力常數(shù)，地球的質(zhì)量問題就迎刃而解了。假設地球的質(zhì)量為M₁，地球另一已知質(zhì)量的物體為M₁，M₂所受的地球引力為M₂g，g為常數(shù)，按980厘米/秒2取值。M₁與M₂之間的距離R為地球半徑，為6.379×10⁸厘米。根據(jù)萬有引力公式，地球的質(zhì)量就可以輕易計算出來，即為5.976×10²⁷克，約為60萬億億噸。

就這樣，人類第一次測得了地球的質(zhì)量，卡文迪許被稱呼為“稱”地球的人。但為此，他用了50年光陰，幾乎耗費了他一生的精力。

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