谁见过地球绕着太阳转（一）

□ 葛云保

谁见过地球绕着太阳转（一）

□ 葛云保

谁见过地球在围绕太阳旋转？

没有，从来也没有。地球的绕日运行轨道直径有三亿千米左右，设想一下吧，如果我们想亲眼看见地球围绕太阳的转动，那就必须站在与地球运动轨道平面相垂直的，离太阳中心数亿公里以远的地方，看上一整年时间。就像看一个巨大的钟，必须站在钟的正面，离得足够远，才能将这个巨大的钟尽收眼底。到目前为止，人类还远做不到这一点。

那么你还相信地球真的是在围绕太阳旋转吗？

早在五百多年之前，哥白尼（Copernicus）指出，地球是太阳系的一颗行星，除了自转还在不停地围绕着太阳旋转，但是那个时候的科学技术还很不发达，人类还根本无法离开大地，甚至连望远镜都还没发明，他是怎么知道的呢？他有什么理由这么说呢？其他人为什么会相信呢？更令人吃惊的是，远在二千多年以前的古希腊，在人类的活动范围非常有限、技术非常简陋的年代，有人无须凭借任何仪器就能指出大地是圆球形的，而那之后不久就有人论证应该是地球在围绕太阳旋转，而不可能是太阳在围绕地球旋转。这是一群什么样的天才人物？他们有着怎样的眼光与智慧？

我们可以把人类早期认识宇宙的过程比喻成解一道初中的几何证明题，已知条件是什么呢？已知条件就是展现在我们眼前的浩瀚的天空（图1），这个天空对古今中外所有的人都是开放的，那要证明的结果是什么呢？结果就是：宇宙的真实模样。如今这个结果早就家喻户晓了，但是这个精彩趣味的论证过程很多人却不清楚。

图1 天似穹庐，笼盖四野

寻找发现规律，做出基本推断

当人类第一次抬起头仰望星空的时候，就被那浩瀚而神秘的星空震慑了，从此便开始了无穷无尽的追问、探索。

经过极其漫长的观测、记录，人们渐渐发现日月星辰的诸多运动规律。最为明显的莫过于太阳每天的东升西落，还有月亮的圆缺变化。人们发现，太阳每天的升起与降落点是在一定的范围内缓慢移动的（图2），同样，月亮的升起与降落点也是在一定的范围内移动的，但它的移动速度相对于太阳来说快多了。满天的繁星总是保持着固定的相对关系，整个星空在围绕我们慢慢旋转，约一天转一圈（图3）。

进一步地仔细观测，人们发现，星星每天都会比前一天

图2 冬夏日落，上图摄于2010年12月17日，下图摄于2011年5月6日

图4 火星逆行轨迹

图5 圆球形天空

图3 北斗七星旋转，左图为某日入夜时，右图为某日半夜时略早一点升起；月亮在星空的背景下沿着大致固定的路线由西往东行走；星空中还有几颗神秘的星星，它们竟然也在星空的背景下缓慢移动，它们的行走路线与月亮大致相同，在大多数时候，它们也是由西往东走，但有时候它们会停下脚步，往西走一小段，然后又停下来，再继续往东走（图4）。

月食与日食是天空中最奇异、最令人恐惧震撼的现象，尽管古代的绝大多数人都把这视为神的旨意，但天文学家们还是渐渐发现了其中的规律：月食总是发生在月亮最圆的时候，而日食总是发生在看不见月亮的日子里。

经过长期的思考和分析，一些基本的判断被推演出来了。

白天也有星星，星星布满整个天空，只是因为太阳的光芒过于强烈，所以人们白天无法看到它们。布满星星的天空，构成了一个完整的圆壳，这就是我们后面会经常提到的天球。天球作为一个整体在围绕着一根看不见的轴线旋转，这根轴线就是我们观察者与北极点的连线，轴线的一端就是我们晚上能够看到的北天极，而另一端就应该是轴线向另一个方向延长和天球相交的点，天文学家称之为南天极（图5）。

既然天空布满星星，那么太阳一定在星空的某个位置上。人们通过观测日落时接近西方地平线的星座，以及观测第二天早晨日出前东方地平线上的星座，大致判断出太阳的位置，并由此发现了太阳在恒星背景下，由西往东慢慢行走。当然，天文学家们还想出多种办法（包括偕日法、冲日法、望月法、中天法等）尽可能精确地推断出任何时刻太阳在星空中的位置。把太阳的各个时刻的位置用假想的线连接起来，在天球上构成了一个封闭的大圆，这就是天文学上常说的黄道，通俗地说，黄道就是太阳在天球上由西往东缓缓行走的道路。

月亮每天都在改变它的模样，根据月相的特点，人们发现，月亮自身不会发光，它柔和的光亮来自太阳的照射。尽管月亮在我们看来有圆缺变化，但它实际上是一个完整的圆球。

除此之外，室内卧室周围的排水管道在选择管材方面，往往会以塑料管作为排水管设施。但是需要注意的是，一旦排水管道隔音设计未能达到规定标准，或者处理不当，很容易产生噪声问题。最主要的是，噪声会沿着墙体或者管道传递，打扰用户的正常生活。

根据日、月和行星由西往东绕大地运行的周期，人们对七个天体的远近做出了大致的判断：最远的应该是土星，它绕的圈子最大，所需时间也最长，在它下面是木星，然后是火星。月亮转一圈的时间最短，离地球最近，转的圆圈最小。太阳、金星和水星绕地球一周都是1年，它们应该在月亮与火星之间。但是，太阳、金星和水星谁近谁远呢？那是一个非常难解的谜，一个世界难题，它考验着天文学家的智慧。

对大地的困惑

人类在仰望星空的时候，会有许许多多的疑问与好奇，其中有一个疑问最为简单，却又非常难以回答，那就是：太阳每天从西边落山以后，是怎么从地下跑到东边去的呢？这是一个农夫，一个牧羊人，甚至一个孩童，只要有点好奇心都会问的问题，也一定是古代人（不管是哪个民族，哪个国家的）十分困惑的问题。

人们对此做出种种猜想，编出了许许多多的神话故事。

这是天文学的一道坎，一道很大的坎，越不过这道坎，天文学就不可能再有实质性的进步，最多只能是在某些测量工作上做得越来越精细而已。必须承认，世界上大多数民族都没能越过这道坎，因为限于当时的科技水平，人们的活动范围还很有限，更无法离开大地，要论证大地究竟是什么样子，这太难了。

带领人类跨过这道坎的，是古希腊那些杰出的哲学家、天文学家，是他们论证了大地的形状，将天文学的研究推向了新的阶段。

为什么跨越这道坎的是古希腊人而不是中国人或者其他文明古国的人呢？是偶然吗？这个问题很值得深思。

图6 月食过程

古希腊人重视平等，重视契约，重视个人自由。他们相信，自然现象有其自然的原因，有自己内在的秩序，有自己的发展变化规律，人们通过学习、思考和推理，是可以逐步认识这些规律的。古希腊的哲学家、科学家、艺术家带着质疑批评的精神和理性的态度对待别人的观点和理论，公开的、大胆地提出自己的观点和理论，包括并不成熟的猜想，同时也接受同行和公众的质疑、批评和判断。他们追求严密的逻辑，追求用完美的演绎推理体系组织知识，追求理论的和谐、简单和统一，而根本不在乎这些理论是否有实用价值，甚至他们更崇尚理论的“无用”。

毕达哥拉斯（Pythagoras）是古希腊的一位哲学家、数学家，他认为“数”乃万物之源。在自然诸原理中第一是“数”理，万物皆可以数来说明。他从美学观念出发，认为宇宙一定是和谐的，简单的，宇宙中所有天体的形状和它们的运动轨道都应该是完美的。他认为一切立体图形中最美的是球形，因为球面上的任何一点离球心的距离都相等，所以天体一定是球形的，太阳、月亮是球形的，恒星天球是球形的，大地也一定是球形的。毕达哥拉斯是第一个推断大地是一个球体的人。

雅典哲学家阿那克萨戈拉（Anaxagoras）指出，月食时，月球表面的阴影的外轮廓总是圆弧形状，那应该就是地球的影子，由此可以推断：大地一定是球形的（图6）。

亚里士多德是一位百科全书式的学者，在几乎古希腊所有的学术领域都留下了自己的总结和开创性见解。除了以月食为例外，亚里士多德还举了另外的例子：当我们朝北或朝南运动时，所看到的星体是不相同的。有些星体在埃及和库勃洛斯附近能被看见，但在希腊或更北边的地区却看不见，而且，在北方有些完全可见的永远在地平线以上的（即恒显区的）星体，在南方地区却会落入地平线（图7）。所以，地球的形状一定是圆的。

古希腊人还为地球是球形提供了第三个论据：为什么往远处驶去的船总是先看不见船身，然后才是船帆？如果地球是平的，当一艘帆船离开海岸越行越远时，它就会越来越小。最后变成一个小点而消失。然而，实际情况并非如此，目送帆船出海的人总是看到，首先是船体渐渐消失，海水好象淹没了船体，剩下的只是船帆，再然后只剩帆顶，最后整个帆船都消失了（图8）。这也说明大地一定是球形的。

图7 北极星高度变化

图8 远航船只渐渐消失

所以，大地是球形的，它孤悬在宇宙之中，日月星辰不是从“地下”钻过去的，而是在它们各自的圆形轨道上绕地球旋转。

这是天文史上第一个违背人类常识的重要推论。我们脚下的大地竟然是圆球形的，那么，在地球另一边的人不是头朝下吗？不会掉下去吗？再说地球怎么能孤悬宇宙之中呢？一个没有依托的东西不会往下掉吗？那时的人们一定非常疑惑，甚至感到不可思议。但总的来说，证明大地是球形的论据是合理的，球形的大地也是对“日月星辰是怎样从地下穿过去的？”这一问题的最合理解释，所以到了公元前三世纪左右，在古希腊以及它的文明所能影响到的地区，地圆之说已成定论。

几乎与此同时，古希腊人还认识到地球与天球相比非常之小。认识到这一点很不容易，但又很容易，因为只要稍微有一点几何常识就能理解下面的证明：我们任何时候任何地点所能够看到的都正好是半个天球，这种情况，只有当地球相比天球来说，几乎成为一个点，才会产生这种现象（图9）。

这是早期天文学上的重大突破，没有这个突破，不知道大地是什么样子，就永远无法解释日月星辰每天是怎么从“地下”钻过去的，就永远无法理解行星的诡异行踪，当然也更不可能了解整个宇宙的结构。这是天文学史上的一个重要的里程碑，只有在这个基础上，对于宇宙结构的探索才有可能真正开始。

假如没有古希腊那些哲学家天文学家的杰出证明，人类要等到什么时候才能真正知道大地是球形的呢？要等到麦哲伦环球航行结束那一天吗？但是如果没有先前对大地是球形的认识，哥伦布、麦哲伦敢贸然一直往西航行吗？他们会愿意“一去不复返”吗？

（作者根据本人著作《谁见过地球绕着太阳转》（科学出版社）改缩写而成）

（责任编辑 张长喜）

图9 地球与天球相比非常小