1.1　人类如何确定地球的形状和大小？

这场漫游太阳系的旅程，始于一张尽人皆知的图片。它就是我们打开微信时看到的那张初始图片的背景图。这是一张相当有名的太空摄影照片，名叫“蓝色弹珠”，是由阿波罗17号的宇航员于1972年12月7日在太空中拍摄的。显然，图中的那个蓝白相间的大圆球，就是我们的家园——地球（图1.1）。

质量：5.972×10 ²⁴ 千克

体积：1.083×10 ²¹ 立方米

与太阳的平均距离：1.496×10 ⁸ 千米

在太空中，很容易看出我们的家园是球形的。不过在压根去不了太空的古代，人们最早是如何得知大地是球形的？

很多中小学教科书中都是这么说的：1519年9月20日，航海家麦哲伦率领着一支船队，从西班牙的塞维利亚港扬帆起航；他们一直向西航行，花了近3年的时间，又返回了塞维利亚港，从而首次证明大地其实是球形的。

但我要告诉你，历史并非如此。早在麦哲伦环游地球的1800多年前，古希腊人就已经知道大地是一个大圆球了。世界上第一个科学论证出大地必然呈球形的人，是古希腊大哲学家亚里士多德（图1.2）。

亚里士多德是历史上最博学的人，或许没有之一。

公元前384年，亚里士多德出生在古希腊北部的一个叫马其顿的小国。他爸爸是马其顿国王的宫廷御医，但在他很小的时候就去世了。17岁那年，亚里士多德进入了雅典的柏拉图学院。在那里，他得到了古希腊著名哲学家柏拉图的赏识，并被后者称为“学院之灵”。

不过亚里士多德是一个很有主见的人，对柏拉图的学术观点并未全盘接受。有一次学院集会，亚里士多德甚至当着众人的面毫不客气地批驳了柏拉图的观点。有些人跳出来指责他不尊敬老师。没想到，亚里士多德直接回应了一句千古名言：“吾爱吾师，更爱真理。”

柏拉图去世后，亚里士多德离开他生活了20年的雅典，在马其顿找了一份教书的工作。他有个学生是一个矮个子的13岁男孩。过了没几年，全世界都将在这个男孩的脚下颤抖，因为他就是威名赫赫的亚历山大大帝。

此后的数年时间，亚里士多德一直陪伴在亚历山大的身边。除了向这个男孩传授科学文化知识，亚里士多德还致力于培养他征服世界的野心。事实上，他甚至教导亚力山大要成为“希腊人的领袖和野蛮人的暴君，把前者视为亲朋好友，而把后者视为飞禽走兽”。

8年后，亚历山大继承了马其顿的王位，并且很快就征服了古希腊的所有城邦。不久之后，亚里士多德作为国王的特使重返雅典，并在那里建立了自己的学院。

在雅典，亚里士多德很快就确立了在学术界泰斗的地位。基于自己的讲课笔记，他撰写了大量的学术著作；这些著作覆盖了当时人类所能涉及的一切领域，这也让亚里士多德成为世界上最博学的人。在其中一部名叫《论天》的著作中，亚里士多德第一次科学论证了为什么大地是一个圆球。

他是怎么发现这件事的呢？其实很简单。众所周知，在有太阳的日子里，我们总能在地面看到自己的影子。这是由于我们的身体挡住了太阳光，让它无法照射到我们身后地面的缘故。更重要的是，我们影子的形状和我们身体的形状差不多。换句话说，只要能知道一个物体影子的形状，就能大致推断出这个物体本身的形状。亚里士多德就想了，既然我们看不到整个大地的形状，那我们能不能看到大地影子的形状呢？答案是可以。只要发生了月全食，我们就能看到大地的影子。

图1.3就展示了其中的原理。如果地球运行到太阳和月球之间，就能挡住太阳光直接射向月球的路线。这样一来，地球的影子就会投射到月球之上。

2018年1月31日的晚上，就发生了一场中国绝大部分地区都能看到的月全食。图1.4是一位网友用多台摄像机的素材拼合而成的。图中红色的圆球是月全食，而白色的圆球是月偏食。在这张图片的正中间可以看到一个黑色的圆形区域，那就是地球的影子。很明显，它是圆形的。

在亚里士多德的时代，当然拍不出这么清晰的照片。但观察了数次月全食之后，亚里士多德还是发现了一件很有意思的事情：在发生月全食的时候，遮住月球的黑斑，其边缘总是呈圆弧形。据此，他推断出大地的影子应该是圆的；换言之，地球本身应该是球形的。

在接着游览地球之前，不妨说几句题外话。看了月全食的图片后，可能你会产生这样的疑问：“在月全食期间，太阳光已经被地球挡住了，那就应该完全看不到月球。但实际上，我们会看到一个红色的月球。这是怎么回事呢？”

为了回答此问题，让我们先从正常情况下看到的月球说起。众所周知，月球本身是不发光的，只能反射太阳光。太阳光的频率覆盖了可见光的所有频率区间。换句话说，无论是红橙黄绿青蓝紫，太阳光里都应有尽有。平时，这些不同频率的可见光，会经过月球的反射后射入我们的眼里；因为所有频率的可见光混合之后会变成白光，所以我们就会觉得月球发出的是白光。

那为什么在月全食期间，月球会变成红色的呢？奥秘在于地球的大气层。在日常生活中，我们经常能看到光的折射现象。它说的是，光从一种媒介进入另一种媒介以后，其运动方向会发生改变。比如说，光要是从空气中进入水中，其运动方向就会改变（图1.5）。同样的道理，太阳光从真空中进入地球的大气层以后，也会发生折射。这样一来，原本照不到月球的太阳光，就会向地球阴影区域内发生偏折；等它照到月球上以后，又会反射到我们的眼睛里。这就解释了为什么在月全食的时候还能看到月球。

除了能让太阳光发生折射，地球的大气层也能让太阳光发生散射。说得简单一点，地球的大气层会吸收部分太阳光，然后再把它们射向四面八方。很明显，被散射掉的太阳光就无法再照到月球上了。至于入射光是否会被散射，与它的波长密切相关：波长较短的蓝光，很容易就会被散射掉（这就是为什么我们看到的天空是蓝色的）；而波长较长的红光，则几乎不会受到影响。所以，当太阳光在地球大气层中穿行的时候，波长较短的蓝光会被散射掉，只留下波长较长的红光。这些红光会向地球阴影区域发生偏折，被月球反射后又射入我们的眼里。这样一来，在月全食期间，我们自然就会看到红色的月球了。

说完了地球的形状，下面我们再来聊聊人类如何测出地球的大小。事实上，世界上第一个准确测出地球大小的人也是一个古希腊人，他就是著名哲学家埃拉托色尼（图1.6）。

与亚里士多德一样，埃拉托色尼也是一个全才，在包括数学、物理、天文、诗歌、戏剧在内的诸多领域都作出了举足轻重的贡献。更重要的是，他最早提出了地理学这个名词，与大家熟知的经度、纬度的概念，因而被后世称为“地理学之父”。

这样的顶级大牛，人生之路肯定顺风顺水吧？错了。在雅典求学的时候，埃拉托色尼一直被别人戏称为“千年老二”。不过这个绰号一点也没有冤枉他。因为那个始终胜他一筹的人，就是被后世称为“力学之父”的阿基米德。

眼看自己超不过阿基米德，埃拉托色尼选择远走他乡，去埃及做了亚历山大图书馆的馆长。在那里，他终于找到了自己的用武之地。

埃拉托色尼上任之初，世界上藏书最多的图书馆还在古希腊。当然，在那个尚未发明印刷术的年代，所有的书都是手稿。在埃及法老的支持下，埃拉托色尼向古希腊的那些大图书馆付了很多钱，把它的藏书都借到埃及，好让自己的馆员抄写副本。这些副本临摹得特别好，完全达到以假乱真的程度。所以还书的时候，埃拉托色尼就特别奸诈地只还了那些书的副本，而把真品都留在了自己的图书馆里。靠着这样的手段，亚历山大图书馆很快成了当时全世界最大的图书馆。

在管理图书馆之余，埃拉托色尼也会利用图书馆的资源进行学术研究。他一生中最有名的研究工作，就是测出了地球的周长。

公元前2世纪的埃及南部，有一个叫赛伊尼的城市；它今天叫阿斯旺，是著名的阿斯旺大坝的所在地。在赛伊尼，有一口很有名的深井；在夏至日的正午时分，太阳光恰好可以直射井底。这意味着，此时此刻太阳正好处于赛伊尼的正上方；换言之，太阳与地球球心的连线恰好与这口井的井口垂直（用今天的眼光来看，之所以会有这样的现象，是因为西恩纳位于北回归线的缘故）。这个现象很有名，每年夏至日都能吸引不少的游客。而埃拉托色尼发现，还可以用它来测量地球的周长。

听起来似乎很玄幻，是吧？其实只要用一点最简单的几何学知识，就可以把它说清楚。

图1.7就是埃拉托色尼测量地球周长的原理图。此图展示了夏至日的正午时分，太阳光照射埃及的情况。

图中的紫色圆柱就是赛伊尼的那口深井。前面说过，在夏至日的正午时分，红色平行线所代表的太阳光可以直射到这口深井的井底。这意味着，这束直射井底的太阳光可以穿过地球的球心。与此同时，埃拉托色尼在亚历山大城测量一个很高的方尖塔（即橙色长条）的阴影长度，并以此算出这个方尖塔与太阳光之间的夹角（即绿色夹角）约为7.2度。运用简单的初中几何知识，可以知道此夹角恰好等于赛伊尼与亚历山大市之间的那段圆弧相对于地球球心的角度。因为环绕地球一圈的圆弧的角度是360度，所以这两座城市之间的距离约为地球总周长的1/50。

然后，埃拉托色尼派出了一个埃及商队，用尺子一点点地量出赛伊尼和亚历山大城之间的距离，结果大概是5000斯塔德。这样一来，埃拉托色尼就测出了地球的周长，约为25万斯塔德。

古埃及人的1斯塔德，相当于现代人的157米。所以埃拉托色尼的测量结果，换算成今天的长度单位，就是39 250千米。不妨拿它和今天的结果做一下对比。根据地球卫星的测量结果，地球的周长是40 076千米。换言之，2200多年前埃拉托色尼用尺子测出的地球周长，与今天科学家用卫星测出的结果，只有区区2%的误差。

我们来做个总结。早在2300多年前，亚里士多德就通过对月全食的观察，发现了地球的影子是圆形的，进而推测出地球本身是球形的。而在2200多年前，埃拉托色尼则利用尺子和一点基本的几何学知识，测出了地球的周长是39 250千米，这与今天用地球卫星测出的结果只有2%的误差。显然，即使在什么观测条件都没有的古代，人类依然可以靠智慧创造出令人难以置信的奇迹。

前面我已经介绍了人类如何确定地球的形状和大小。下一节要讲一个在科学史上更有影响力的问题，即人类如何测出地球的质量。 ohBLpJU1oqyFoJkCXtAee0s2Lw3KPEAHXpf0e4tzTs7lqdwnkj8mtr5L220PKjVw