當前位置:
首頁 > 健身 > 科學家怎麼知道地球是圓的?怎樣測量的?又遇到怎樣的困難?

科學家怎麼知道地球是圓的?怎樣測量的?又遇到怎樣的困難?

2019諾獎頒獎典禮

上個星期,12月10日,在瑞典舉行了諾貝爾獎頒獎典禮,國王、科學家、紳士、美女、禮服、樂隊、晚餐,一切都是那麼的皇家范、典雅、富麗。

12月初,中科院高能所王貽芳獲得了未來科學大獎的百萬美元獎金,他宣布把這獎金捐獻出去,成立超級對撞機建設基金。這又再次引發了公眾對超級對撞機建與不建的口水。不建的最大障礙是經費,需要200億美元。

看上去好像科學的周邊已經是:鮮花、名流、金錢。其實科學可不是這些,在很長時間裡,那是一種自我虐待、苦行僧般的、甚至要丟掉生命的一種活動。

我們今天先來聊聊有關地球周長測量的故事。

地球是圓的

人確實是一種了不起的生物,自己身高不到2米,不能離開地球表面半米,但天天思考著那些宏大的問題。從有人類文字記載的歷史開始,我估計沒記載時就在考慮了,地球是平的還是圓的?地球有多大?地球下面有沒有東西撐著?月球和太陽離地球多遠?有多大?

這些問題中,地球是圓的,最好得出結論。從畢達哥拉斯到柏拉圖,最後到亞里士多德,亞歷山多德讓地球是圓的,成為大家的共識。他提煉了幾個理由。

一個是有對照物,太陽和月球都是圓的,地球是圓的可能性很大。

月食原理

第二個是根據實際經驗來的。古時候對天象都是非常重視,在觀察月食的時候,發現月食缺的部分都是圓弧形狀。月食的原理是太陽光照到月球上的光被地球擋住了,所以月食黑的部分就是地球的影子,那麼地球就應該是圓的。

還有,我們極目遠眺海的時候,如果天邊駛來一艘船,船一定是先出現桅杆,再出現船身;如果船離開視線,肯定是相反,先消失船身,再消失桅杆。

不過,地球是圓的,也只是猜測。有不能解釋的地方,如果是圓的,海水怎麼會在地球表面,不會流走呢?要知道,在生活中,我們可沒辦法用球來盛水。現在我們知道了,是因為萬有引力,把水吸引在地球的表面。那時候的人們就會想,地球也許就是個上半部圓,下半部是平的一個東西。

後來到了16世紀,人們對於這個問題按捺不住,想要自己走上一遍看看。眼見為實,不是更好嗎?於是,麥哲倫在1519年開始環球航行,花了2年多的時間,人類第一次真實地感受到了地球是圓的。用眼睛真正看到地球是圓的,是在人造衛星上天之後。

麥哲倫

麥哲倫出發時,帶了5艘船的艦隊,等回到了西班牙,則只剩下一艘船、18個人。麥哲倫本人也在途中跟菲律賓土著人的鬥爭中死掉。冒險確實不容易,不過他們並不是單純的科考隊,他們是一路搶劫、一路殖民,借著這些人,西班牙成為了當時的世界霸主。這個先按下不表。

麥哲倫環球之旅

地球周長的測量

平地球理論

好了,地球是圓的,已經得到公認了。其實,現在世界上還有一撥人,認為世界是平的,不過不是主流,我們就不管了。那麼第二個問題就出來了,地球的周長有多長?

偉大的古希臘學者們,在討論地球是否圓的時候,就開始計算地球的周長了。這真是了不起的思維,那時普通人一生都走不了上千公里,但他們有雄心計算地球究竟有多大。

最早計算地球周長的人叫埃拉托色尼(公元前公元前275一前193),古希臘的天文學家、數學家和地理學學家。他是地理學之父,發明了地理這個詞。

埃拉托色尼博學多才,就被當時的古埃及皇帝邀請,去當皇家老師,還當了亞歷山大博物館的館長。

埃拉托色尼測量原理

他測量地球用的是非常簡單的一個方法。他發現離亞歷山大城一個約800公里遠的塞恩城裡,有一座井,夏至那天,太陽能一直照射到深井裡。這是一個很有名的景觀,很多人去參觀。埃拉托色尼作為科學家,想到的則是,陽光能直射入深井,表示光線跟那點垂直;在亞歷山大城,方尖塔是有一小段影子的,說明光線跟方尖塔有一個夾角。如果認為地球是圓的,從地心引兩條線到亞歷山大城和塞恩城,這個夾角就等於光線跟方尖塔的夾角。知道了兩個城市的距離,就能算出周長來。

埃拉托色尼算出地球的周長是4萬公里,跟現代結果非常接近。是一個很了不起的結果。其實當時的測量沒這麼精確,但錯誤遇上錯誤,互相抵消,結果就正確了。

地球是個扁球體

注意,我剛才一直是在說是圓的,沒有說是球體。地球是個三維物體,二維是圓的物體,在三維上有多種多樣的形狀,最簡單的是球體。在畢達哥拉斯時代,大家認為它是球體。

牛頓

不過也有人有不同看法,哥倫布就認為地球是個梨形。最重量級的則是牛頓、惠更斯的意見。

牛頓最偉大的著作:《自然哲學的數學原理》。這本書取名叫數學原理,就是牛頓用了自己創造的微積分來描述了物體的運動、物體間的相互作用力。據說,牛頓有意把它寫得晦澀難懂,這樣那些不懂數學的人就不會去糾纏他了。

對於那時的人,確實晦澀難懂,現在微積分也是大學才開始學,好多人還掛科。要知道,這可是17世紀的東西了。

雖然牛頓想讓大部分人看不懂,但這本書異乎尋常地熱銷,牛頓也成為當時的科學家網紅,第一個因為科學而成為爵士的人。

原因是這本書太偉大了,宇宙間大大小小的物體、不同類型的運動都可以很清晰地得到解釋。有人這麼稱讚牛頓:

世界處於黑夜中,

上帝說讓牛頓去吧,

於是一切處於光明中。

大家興緻勃勃地用牛頓的原理來解釋各種現象,像潮汐啦,蘋果不飛天上而是掉地上啦,等等。

有一個問題,大家發現不對了。就是說地球不是完美的球體了。因為根據牛頓運動定律,非常簡單,地球在自轉,會產生離心力,那麼不動的兩極就相對赤道要扁平,赤道要鼓起,是一個扁球體。

當時的測繪已經跟2000年前埃拉托色尼時代不一樣了,在17世紀的人看來,他們應該可以做得更多。從文藝復興時代開始,歐洲就處在地理大發現的狂熱之中,他們熱衷於探險沒有去過的土地,也熱衷於測量地球的各種數據。

從牛頓力學推出了地球是個扁球體,很容易推理出,在地球上,不同地面的曲率半徑不一樣。尤其在赤道和兩極附近,差別很大。

在牛頓學說被大家越來越認可的時候,法國的天文台長喬瓦尼·卡西尼和雅克·卡西尼父子宣稱,牛頓錯了。地球鼓起的地方是在兩極,不是在赤道。

卡西尼父子都是法國科學界的著名人物,牛頓更是神一般的科學家。誰對誰錯?於是法國科學院派出去了兩支科考隊,一支去南美洲測量,一支去北極測量。

法國南美洲科考隊

安第斯山脈

那時候的科學家跟冒險家一樣,真的不畏艱難險阻。大家覺得去哪個地方會好測量一些?這兩個地方都很不容易,不過麻煩的是南美洲。

美洲是哥倫布在15世紀發現的新大陸。美洲發現之後,就被西班牙和葡萄牙佔領,建造殖民城市。當時歐洲主要勢力就在南美洲。

法國科考隊去的是安第斯山脈。他們挑選的理由是,需要靠近赤道的地方測量,還有他們認為山區的視野比較開闊。實際上,秘魯的大山經常雲霧繚繞,這個小組經常要等上好幾個星期,才能等到一個小時的晴天來進行測量。

而且,他們選了個地球上幾乎最難的地形之一。安第斯山脈是除亞洲山脈之外,世界其他地方最高的山脈,平均海拔是3660米,最高峰是南半球和西半球的最高峰。科學家們自己挑選了一個不可能完成的任務。

他們怎麼測曲率呢?就是沿著一條直線,從現在厄瓜多的首都基多附近的雅羅基到厄瓜多的昆卡附近,測量1度經線的長度。經線就是連接南北極的線,這是人們繪製在地圖上,用來標明位置用的。如果地球是扁球體,赤道附近的1度經線比較短。

亞馬遜河

這個測量首先在自然環境方面就特別惡劣,他們必須要翻過幾座極高的山,科考人員,關鍵需要攜帶裝備,而騾子都爬不上那些山。而且,在爬山之前,他們就必須要在熱帶叢林里跋涉,穿過幾條湍急的河流。

大家注意,亞馬遜河發源於安第斯山脈,亞馬遜熱帶雨林是世界上最大的熱帶雨林,地形、氣候非常複雜,裡面的動植物也極為豐富,豐富的意思就是野獸、毒蟲也不少。而且,這些地方也沒有人去過,沒有詳細的地圖,也沒有當地人的幫助。科考隊憑著對科學的熱情,自己堅韌的意志往前推進。

其實,他們不僅沒有當地人的幫助,而是遭到了當地人的追殺。

他們一開始,在基多的時候,惹惱了當地人,被拿著石頭的人趕出了城。隊里的醫生被謀殺,有人生病死了,有人爬山掉下去死了,有人受不了旅途的折磨,精神錯亂了。最可笑的是隊里的第三號人物,是位非常博學的傢伙,跟一位13歲的女孩私奔了。隊伍變得越來越小。當地人也越來越不信任他們。真是難以理解,這些衣衫襤褸的人,竟然是半個地球外的人,他們來的目的不是侵略、殖民,而是來測量地球是不是球形的?

基多

換我,我也不信。因為厄瓜多原來屬於印加帝國。大家都知道印加帝國的滅亡。印加帝國是南美洲最大、最富庶的帝國,有600萬人口,可是被區區168名西班牙人佔領、殖民了。在整個南美洲,基本都是西班牙的天下,法國曾經想要殖民巴西,但沒有干過西班牙和葡萄牙,退出了這塊地方。所以,當地人對科考隊有疑慮也非常正常。

不管如何,這個科考隊,隊里主要的人物是皮埃爾·布格和拉孔達明,他們倆人最後也鬧翻了,互相不合作,花了9年半的時間,終於測出了結果,發現牛頓是對的。

在得出結果之前,去北極,瑞典斯堪的納維亞半島測量的科考隊已經有結果了,在兩極附近,1度經線確實要長。

皮埃爾·布格

布格和拉孔達明花了將近10年的時間,只是驗證了別人的結論,比較沮喪。不過,他們還是做了不少其他工作。布格還測量了當地的地球重力,確實要小於理論值,也是赤道鼓起來的結果。布格後來成為英國皇家學會的院士。拉孔達明則是第一個勘探亞馬遜流域的歐洲人,他帶回去了很多南美的植物。

米的來歷

由於法國持續地在測量中的熱情,法國科學家們覺得有必要要統一下長度單位。法國度量衡委員會規定:1米等於通過巴黎的子午線上從地球赤道到北極點的距離的千萬分之一。定義好說,難點在測量。

法國科學家們再次上路,這是已經在法國大革命時期,科學家們測的是法國敦刻爾克到巴塞羅那這段子午線的長度。兩位科學家也是歷經千辛萬苦,法國大革命、法國和西班牙在打戰,他們要躲避各種追捕,經過7年,他們勝利完成任務。這時候,內戰也結束了,大家熱烈歡迎他們的成果。1米的長度就定了下來,就是米原器。

不過,後來發現測量中出現了一個失誤,使1米比理論值少了0。02毫米。測量的一位物理學家發現了他的錯誤後,極為不安,精神都出了問題,他決定重測,在路上得瘧疾去世了。

現在,已經不用這個定義了,因為不精確,地球不是個球體,換用更為精確的光走過的路程。

雖然定義換了,我們對地球的了解也更為精確,實驗條件也更好了,但這些科學家的精神還是值得我們學習。

喜歡這篇文章嗎?立刻分享出去讓更多人知道吧!


請您繼續閱讀更多來自 周邊測量法 的精彩文章:

2019年二建《機電實務》高頻考點:測量要求和方法
測量入門知識:坐標系