地球认识史上的先知

江　晨

自从人类在地球上诞生以来，人类就无时无刻不在研究与人类息息相关的地球。期间，出现了一批智慧超群的科学家。他们在人类还处于蒙昧状态的时候就独具慧眼，凭着敏锐的观察、丰富的想象、严密的思考，提出了许多超越时代的真知灼见，使人类对地球的认识发生质的飞跃。

毕达哥拉斯——第一个提出地球为球形的人

公元前580年～公元前500年，人类对地球的认识极为浅薄。古埃及人认为地球是放在四只大象背上的平板，而大象则站在一只大龟背上，龟浮在海上。古巴比伦人认为大地像只圆盘。在我国古代，也有大地如棋盘之类的说法。总之，都认为地球是平面的。

古人产生地球是平面的想法是很自然的。因为那时的社会生产力很低下，人类的活动范围很小，地球对当时的人来说实在太大了。人类无法直观地认识它的总体，只能从自己生活的那个地方所体验到的一些现象来推断地球的形状。水从高处往低处流，物体从上往下落，这是人类观察到的最大量、最基本的现象。人们便由此认定上与下、高与低是绝对的，当时的人们却很难想象地球是球形的。

可就在这个时候，古希腊著名的科学家毕达哥拉斯突破了传统与直观的局限，在距今约2500年前，第一个明确地提出地球是球形，实现了人类对地球认识的一个飞跃。

毕达哥拉斯的地球球形说，是以充分的观察结果为基础的。他观察到，月光不是月亮自己发出的光，而是反射的太阳光。进而他又发现月面上的阴暗交界处有一道弧线，这种现象只有光线照射在球形物体上才能产生，这就说明月球为球形。由此，他推想到地球和其他天体都是球形。他的另一个根据是，每当月食发生时地球投射在月球上的影子也是圆形的，这就进一步佐证了地球为球形。

毕达哥拉斯还从“科学—美学”角度论证了地球，甚至包括各种天体都会是球形。他认为圆形、球形是最完美的几何形状。宇宙是完美、和谐的，因此构成宇宙的各种天体必然为球体，并在圆形轨道上运转。他的这一“科学—美学”思想，虽然带有一定的神秘色彩，但却深刻地影响到而后的天文学发展。伽利略、哥白尼等无不受其影响。哥白尼公然认为毕达哥拉斯的天文概念就是他的太阳中心说的先驱。

埃拉托色尼——第一个量出地球大小的人

埃拉托色尼是古希腊的科学家，生活在约公元前3世纪，他对毕达哥拉斯、亚里士多德提出的关于地球是一个球体的论述深信不疑，并千万百计地要测出地球的大小。

埃拉托色尼生活在埃及亚历山大里亚城。他发现，每年从春到冬，太阳从没有在这座城市的天顶上停过。即使在每年6月22日的正午即夏至这一天，太阳光线与垂直地面的标杆之间的夹角也有7.2°。他同时又听说，在亚历山大里亚城以南约5000斯塔季亚(古埃及长度单位，1斯塔季亚约等于1/10英里)的塞恩城(今阿斯旺大坝附近)，情况与此大不一样：在那里，每年夏至这天正午，太阳正好挂在天顶，阳光可以笔直地照射到井底，所有的直立物体都没有影子。这种现象引起埃拉托色尼的极大兴趣。他想，从远处投来的太阳光是平行光，如果地球是平面的，那么就不可能出现这种差异，这种差异的产生，不正好说明地球是球形了吗?根据现有的数据不就可以计算出地球的周长了吗?

亚历山大里亚城和赛恩城，一个在正北，一个在正南。太阳光在亚历山大里亚城与标杆的夹角应相等于以地球为圆心、以两城之间的距离为弧长的这一圆弧所对应的圆心角，即均为7.2°(如图所示)。根据几何学中关于在一个圆里，多大的圆心角对应多大的圆弧的道理，就可以测出地球的周长。

即：地球的周长=5000斯塔季亚×(360°÷7.2°)=250000斯塔季亚，约合39816公里。数据与今人测量地球经线长40009公里非常接近。

这是一个生活在距今3000多年前的人测得的地球的大小。其测量方案的科学，测量结果的精确，都令今人叹为观止！

卡文迪许——第一个称出地球重量的人

自从埃拉托色尼计算出地球的大小以来，不少人都设想利用质量等于密度乘以体积的方法来计算地球的质量。但由于地球的平均密度无法确定，所以用此法求地球的质量就成了一条死胡同，无法走通。

到了17世纪末期，英国科学家牛顿发现了万有引力定律。这个定律指出，宇宙间任意两个质点都有相互吸引力，其大小与其质量的乘积成正比，与其距离的平方成反正，用公式表示为：F=GM₁M₂/R²。其中F代表万有引力，G为万有引力常数，M₁和M₂分别表示两个物体的质量，R表示两个物体之间的距离。从上面这个公式可以看出，只要测出万有引力常数G，就可以计算出地球的质量。这个公式就成了测算地球质量的一把钥匙。卡文迪许就是首先找到这把钥匙并利用它取得成功的一位科学家。

卡文迪许是18世纪末期的英国物理学家。他在一根细长杆子的两端各固定一个小铅球，做成一个形似“哑铃”的东西。然后用一根细石英丝把这个“哑铃”从中间悬挂起来。操作时，用另外两个较大的铅球去接近“哑铃”上的两个铅球。由于万有引力的作用，石英丝就会发生偏转。根据偏转的程度，就可以算出铅球间引力的大小，进而算出万有引力常数和地球的质量。可他在用两个较大铅球去接近“哑铃”上的两个铅球时，却未见石英丝发生偏转。

要想使实验获得成功，就必须提高装置的灵敏度。卡文迪许在一个偶然的机会中，发现小孩子用镜子反射阳光玩时，镜子只要稍微一动，反射出去的阳光在远处的墙上就发生极大的移动。他深受启发，心想，我如果在测定装置的石英丝上安一块小镜子，把一束光线射到镜面上，让镜面再把光线反射到一个刻度尺，那么，即使石英丝只有极微小的偏转，也会明显地在刻度尺上表现出来，这不就可以大大提高装置的灵敏度了吗?经过无数次的实践，他的实验终于获得了成功，测出了装置中铅球间引力的大小，并计算出万有引力常数为6.67259×10-11千克-1·米3·秒-2。这就是科学史上著名的卡文迪许“扭秤”实验。

测出了万有引力常数，地球的质量问题就迎刃而解了。假设地球的质量为M₁，地球另一已知质量的物体为M₁，M₂所受的地球引力为M₂g，g为常数，按980厘米/秒2取值。M₁与M₂之间的距离R为地球半径，为6.379×10⁸厘米。根据万有引力公式，地球的质量就可以轻易计算出来，即为5.976×10²⁷克，约为60万亿亿吨。

就这样，人类第一次测得了地球的质量，卡文迪许被称呼为“称”地球的人。但为此，他用了50年光阴，几乎耗费了他一生的精力。

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