第六章
地球运动在理论上和实验上的证据

古谚说：“聪明人不愿肯定他还没有证明的。”天文学在观测科学中是很精确的，它所表示的真理都建筑在事实上，谁愿意去研究它，谁就可以得到验证。

自然，这里有许多不是一般人所能了解的高等数学上的证明。幸而地球在空间的位置和它的运动的性质这些问题，基本上的证据是容易解说的，而且只需根据简单的推理便可以理解，而我们在这一章内所要说明的正是这些。我们所居住的地球的地位的确是我们应当首先明了的事实。一位相当聪明的法国科学院院士梅西耶（Messier）在1805年写道：“天文学家要使我相信我像一只烧鸡穿在铁棍上那样旋转，那真是枉费心机。”可是这位学者的偏见不能阻止地球的旋转，不论怎么说，我们真是在旋转。

但是在今天也还有些自信是受过教育的人怀疑地球在运动，并且列举理由说天文学家可能是弄错了，他们认为哥白尼的理论并不比托勒密的理论更有价值，将来科学的进步可以推翻我们现在的思想，正如近代科学推翻了许多古代的理论一样。很明显，这样的人没有仔细研究过这个问题。我们把所有关于地球运动的证据列举在这里，不但是有益的，而且也是有趣的。

地是球形的这个事实，似乎已不需要向读者举出证据了。400年以来，人们已经沿着各种方向，随同地球不知道转了多少圈。测量的人已经测量过地球的大小和形状，这些粗浅的知识已经列入小学的课程内，无人怀疑地是球形的了。

今天还有一些人不承认地球像气球那样没有支持点而虚悬空中，其困难在于对引力有一种错误的见解。古代天文学史告诉我们，在昔日观测者开始明白地球是无依靠地浮在空中的这件事实后，不明白这样重的球为什么不掉下去。因为人类寄居在地球上面，所以他们为此感到焦急。巴比伦人以为地球是像船那样空凹的，浮荡在空气的大海里；古希腊人以为地球负在阿特拉斯（Atlas）神的肩头上；古埃及人以为地放在四只象的背上，象立在龟上，龟浮在海上……还有一些古代人以为地球系在它两极的枢轴上；更有人以为在我们脚下的地是无限深远的。为了消除古人的这些幻想，我们应当明白地心引力不过是万有引力的一种表现。地面上的万物都倾向地心，地面上所有的铅垂线都指向地心，地球像磁铁那样吸引住它上面的东西。地球会掉下去这种恐惧是无根据的。那么，地球究竟落到哪里去呢？ 如果我们假想有一些人围绕地球站着，手中各提着一根铅垂线，这些铅垂线代表地心引力的方向，汇聚于地心，那便是我们所谓的下方，这些人的头部自然代表上方（图81）。如果我们了解地球是无依靠地悬在空间，便不会想到它会掉到哪里去了的问题。宇宙中原来没有什么上方或者下方。设想如果宇宙中只有地球，那么因为缺少了标志，它的任何运动也就都不能被辨识出来了。

现在我们再研究一下运动这个问题。我们看到，天上的星每24小时围绕地球转动一周。有两种假说可以解释这个现象：或者说，那是因为天上所有的星由东向西绕着地球在转动；或者说，那是因为地球由西向东绕着自己的轴在旋转。这两种情形，在我们眼里的现象都是一样的，因为不参与地球运动的天体作了地球运动的标志。打个比方，假使有一个人坐在一条航行的船上，有人告诉他，而且他也相信他所看见的现象是真实的，即他的确看见两岸的树木和山岭缓缓地在他两旁走过。如果要叫这个人改变他的见解，实在有相当的困难，我们向他说理，也难立刻说服他，使他改正错误的见解。他必须加以仔细考虑后，才会明白两岸的树木和村庄是不动的。

地球也像一条船，我们坐在这条大船上面。怎样能不假思索便确信这个现象的原因，不是天绕着地转，而是地绕着自己的轴在转动呢？

在天绕地转那个假说下，你们将会得出怎样的结果呢？ 最接近地球的星球是月亮，月地距离是38. 4万千米，所以在24小时内，月亮要走过长241万千米的圆周。因此在每一秒钟里它须走28千米。月亮和地球当中的距离是用三角网的方法确切地测量过，正如巴黎和罗马间的距离那样可靠。还不仅如此。太阳距离地球1. 49亿千米，在24小时内太阳要围绕地球经行长9. 39亿千米的圆周，那么每一秒钟它便需飞行1. 09万千米！ 这样，太阳在一日里所走的路程，等于地球在一年里绕太阳所走的路程了。这个假说之不合理，从力学的观点也可以看出，只需将大小悬殊的日地两球表示在一起（图82）便可以明白了。太阳的直径是地球直径的109倍，至于日地间的距离，曾经根据几个不同的方法确切测定过。由这种比例悬殊的尺度看来，如果还以为是太阳围绕地球转动，那才真是缺乏常识呢！ 这正像歌剧《西哈诺》（Cyrano de Bergerac）中那位主角所说的那样，我们把一只鸟放在铁叉上，我们不把鸟儿固定而转动铁叉，相反要去转动的是火炉、厨房、整个房子和整个城市！ 这岂不是大笑话吗？

行星离地球的远近曾经精确地测定过，它们也都参与周日运动。如果采取天动的假说，它们在空中运行速度之大更难想象。古人所知的最外的一个行星（土星），距离太阳是日地间距离的9. 6倍，假使它在24小时内环绕地球转动一周，那么它将走过长90亿千米的圆周，它的速度便是每秒10万千米了。

现在所知道的最远的行星——冥王星〔在2006年国际天文学联合会大会上，冥王星被降格为矮行星。——编辑注〕，在这种假说下，24小时内就应运行长380亿千米的圆周，速度每秒应是44万千米了！

还有恒星呢？ ……距我们最近的一颗恒星，距离我们是日地间距离的27. 5万倍，换句话说，等于41万亿千米。如果这颗星在24小时内环绕地球运转一周，它便走过258万亿千米长的圆周，它的速度应是每秒30亿千米！ 这还是最近的一颗恒星。比这远差不多两倍的天狼星，在这个假想的圆周轨道上运行的速度，当是每秒60亿千米！ 五车二（即御夫座α星）与地球的距离是天狼星与地球的距离的6倍，在这种假说下，它的速度当是每秒360亿千米，竟是光速的12万倍了！ 还有许多星和星云，它们的距离更是无可比拟的遥远呢！

你看，这两个假说，该取哪一个？ 把整个宇宙看成是每天绕着地球运转一周，还是让宇宙不作这样的运动，而假设地球绕着它的轴旋转呢？

如果我们明了天空的辽阔，其中有若干万亿颗星，距离在不能想象的远方，再回想一下地球的渺小，我们便不会假设这一切天体都以相同的速度，在24小时内围绕像地球那样小的一颗原子在转动了。天上所有的星在23时56分的平时里围绕地球运行一周这个假设，不但是不可能，而且可以说简直是荒谬的，除非蒙昧无知的人绝难相信。这些各自独立、距离遥远的天体，能够在每日里不约而同地围绕一个枢轴，像一个整体那样转动，它的真实性实在是很难想象的。难道这还不足以证明地球的自转实在是没有丝毫可以怀疑的吗？

这些星当中有一些比地球要大若干万亿倍，它们之间并没有什么紧密的联系足以形成我们所见天球的运动，而且它们远近悬殊，天穹上的星结构非常复杂，不可能像机械那样整体地联系着在自转。那么，我们只好放弃“地心系统”这个荒谬的见解，而承认我们所居住的小球在23时56分里，绕着自己的轴在旋转了。有不少直接的证据证明地球的自转，我们将要在下文叙述。即使没有直接的证据，根据常识的推理，也使哥白尼发现了这个真理。地球绕轴自转时，地球赤道圆周为4万千米，需要24小时转动一周，因此，赤道上的一点的速度为每秒465米；在巴黎的速度是305米；愈近两极，这速度愈小，因为转动的圆圈也愈小了。

哥白尼死后一个世纪，人们发现了许多现象可以证实地球自转这个假说，这才使人相信它是一个真理。望远镜发明后证明，像地球这样的行星，都有绕轴的自转运动。例如，我们的近邻火星，自转一周需时24时37分23秒；离我们愈远的行星，自转的周期就愈短。即使太阳也不例外，它也有自转，自转周期在赤道附近是25日。因此，从简化机构和类比推理两个观点来看，都不得不承认地球的自转。还须加上一句，只有地球自转才能符合天体力学的定律，如果以为整个宇宙围绕地球转动，便与这些定律大大地违背了。

古人在承认地球的自转运动的问题上，有下面所说的一种困难：如果地球在我们的脚下自转，那么，假使我们离开地面，并在空中停留几秒钟再落下，我们便将落到原出发点以西的某一点上。譬如在赤道上，如果我们有办法在大气里停上一分钟再落下，着陆点将会距离原先升起的那一点有28千米那么远。这好像是一个最好的旅行方法，西哈诺就是这样认为的。他认为如果他驾驶着气球停留在空中几小时以后，着陆的地方将不再是法国而是加拿大了。还有一些多情的人以为地球如果自转，斑鸠便不敢出巢飞翔，因为转眼它便不能看见它的小斑鸠了。但是读者不难答复这种反对的论调，只要你们想到，凡是地上的东西都参加地球的自转运动，即使是大气的最外圈，地球也还是带着它和其他所有的东西一同运行。

如果我们在一艘速度很快的船上玩球，两个球在两个相反的方向上将会碰撞得一样有劲。如果在这样航行的船只的桅杆顶上让一块石头落下，它将垂直落在桅杆脚下，就像船在静止时的情形下一样〔18世纪有人造了一种名叫斯太兹（steiz）的仪器，可以使人看见运动的合成。一辆装有弹簧的小车，在室内地板上行驶。弹簧上面的盆里盛有一枚小球，弹簧一弹，将球抛在空中，与此同时，小车还在迅速地行驶着。小球上升又复下落，虽然小车已经前进，但小球仍然落在原先出发的盆里，好像小车并未行驶的情形那样。我们看得明白，小球并未直起直落，而是走了一段抛物线路程，即从车中升起的一段和从顶点落在车中的一段，这是在车子行程中所形成的。这样看来，小球的运动显然是由车传给球的水平运动和弹簧给予球的垂直运动这两种运动组合而成的。小球同时遵循这两种运动所合成的运动而运动。有一天，本书作者弗拉马里翁乘气球经过奥尔良城（Orléans）的上空，他写了一封信给该城的主要报馆，信件系上一个重物，盼望它能垂直地落在城里的一个广场上面。他满心以为这封信好像沿着系在气球上的一根线一样，一溜就下去了。可是因为这位飞行家飞得很快，这封信不但没有落在广场上、城市里，却淹没在洛瓦河里。弗拉马里翁说道：“我竟把我在中学时学过的‘关于同时运动的独立性’的课程都忘记了！”〕。船的运动传给桅杆、石头和船上的一切东西，唯有当船推开水面的阻力时，才使船中的人明白船是在运动着。火车、气球和飞机上的情形都与这个情况一样。

因为地球没有遇见外边的任何阻碍，所以在自然界里没有什么东西会因其阻力、运动或碰撞而使我们感觉到地球的运动。地上的东西都参与了这种运动，即使它们高飞空中，也不能例外，因为它们同样具有地球运动的方向和速度，它们即使到了大气的最外层，仍然跟随着地球在运动。

垂直向天顶射击的一颗炮弹，仍然会落到炮管里来，虽然当炮弹在空中的时候，炮管已随地球向着东方前进了几千米。理由是很明显的：当炮弹射出在空中时，并未损失掉地球运动所给予它的速度，且它所接受的这两种运动并不互相抵触。它可以在它向上升1千米的同时，向东走6千米，即走了一段抛物线路程；又因地心引力的作用，它再沿着这抛物线坠落到炮管里去。这在地面上的旁观者看来，它始终维持在一根垂直线上。

因风的干扰和炮身难于放成垂直两个原因，这个实验是不易进行的。17 世纪梅森（Mersenne）和帕蒂特（Pettit）曾经做过这个实验，可是他们并没有找到他们的炮弹。瓦里农（Varignon）在他的论文《地心引力的原因的猜测》一文里，给这个实验画了一张插图，我们把它转载于此（图84）。图上的两个人站在瞄准天空的大炮旁边，一个是军人，一个是教士，他们望着天空，好像在寻找刚才射出的炮弹。图上印了几个字：“它会落下来吗？”图中的教士是梅森神父，军人是军需官帕蒂特。他们把这个危险的实验做了好几遍，由于他们的技术不高明，没有能够使炮弹落在他们的头上，他们便断定炮弹留在空中了。瓦里农没有追究事实，只是叹息道：“一颗炮弹悬在我们的头上，也未免太可怕了！”这两位大胆的实验者把他们的实验和结果告诉了笛卡儿（Descartes）。笛卡儿在这个他们信以为真的结果上得到了他对于地心引力看法的证明。这个实验后来又在斯特拉斯堡市做过，炮弹在数百米之外觅得。这是因为炮身没有完全直立，加以风的干扰、炮弹的旋转、空气的阻力，使得炮弹的轨道改变了方向，造成了弹道学上的所谓“偏差”。

此外，还有一些现象给予地球自转无可怀疑的证据，试举例如下。由于地球的旋转，便产生了一种离心力。这个力在两极为零，在赤道上为极大；距离地轴愈远的物体，所受的这种离心力便愈大。事实上，如果我们把物体由两极带到赤道，因离心力的缘故，这些物体便损失了一部分重量。而且因为地球的赤道带特别突出，物体离地心较远，所以，它更是要轻一些了。

摆钟的摆动也证明了这个事实。在巴黎，一个长一米、放在真空里的摆，一日24时内摆动86 136 次；若把这个摆带到两极，它却要摆86 236 次；如果带至赤道，它只摆86 009次了。每秒摆动一次的摆，在巴黎它的长度是994毫米，在赤道是991毫米。

从巴黎五层楼上落下一块石头，第一秒所走的距离是4. 90米；在两极，因引力大一些，它落得要快一些，所走的距离是4. 92米；在赤道要缓慢一些，所走的距离是4. 89米。

因地球自转而产生的离心力，在赤道上能抵消引力的1/289，这种离心力是按自转速度的平方而增加的。因为289恰好是17的平方，假使地球旋转17倍快，那么离心力抵消了吸引力，赤道上的物体便不会有重量了。

因离地心愈远离心力愈大，一块石头在地面上要比在深井里向东移动的速度更大。如果我们使一个小铅球掉落在一个深井里，它不走铅垂线的路径，而却向东方偏移一些。卡西尼（Cassini）曾在巴黎天文台的深井里做过这个实验，别的人在矿井里也曾做过。他们都观测到这种向东偏移的现象，但是实验中的物体受了种种干扰，如物体初落时所获的速度和它所经过的空气的运动〔1903年，弗拉马里翁从巴黎国葬院离地68米高处扔下几粒钢丸，根据计算应偏东8. 1毫米，而实际结果是偏东7. 6毫米〕，使实验不能得到预期的效果。

地球物理学也提供了许多有关地球自转的证据。地球的形状是一个略呈椭圆的球，赤道突出，两极扁平，这恰是旋转的流体所应有的形状。

还有一些现象，例如和江河里旋涡相似的旋风以及赤道带的季节风，它们旋转的方向也可说明是由于地球的自转而形成的，但是，这些现象没有以上几个例证那样有力，因为它们也可由太阳运动的假设去说明。

这里我们应当提到1851年傅科（Foucault）在巴黎国葬院所做的有名的实验（图85、图86）。这个实验使我们亲眼看见地球在自转，而不能加以否认。一根钢丝上端嵌在置于屋顶的金属板上，下端拖着一个相当沉重的金属球，球的下方嵌上一枚尖针。这样制成的摆，在运动的时候，摆尖在两个沙盘上划出了痕迹。摆在连续多次的摆动里，针尖所划的痕迹并不互相重合。这些痕迹只在中心相交，显然表现摆的摆动面有由东向西的、缓慢的、持续的移动。事实上，摆的摆动面是不动的，我们所看到的现象，是由于地球由西向东转，把地面上的沙盘带动的缘故。在这个实验里，在摆的摆动面周围作为标志的东西，应该是在运动着。

假想有一个摆悬在地球的一个极上（图87），一经摆动后，它的摆动面是固定不变的（不考虑钢丝的扭力），但是地球在摆的下面转动，因此摆的摆动面好像沿着与地球自转的相反方向转动，在一个恒星日里转动一周。

如果把这个摆放在赤道上，它的摆动面便不会有这样的转动了。如果在赤道面上我们使摆的摆动沿东西向进行，摆便没有理由向任何方向偏转；如果使这个摆沿着其他的方向，例如南北向摇摆，我们可以断定也有同样的结果，摆的摆动面总是不变的。

在既不是赤道也不是两极的其他纬度的地方，由理论可以说明，摆的摆动面转过的速度是与纬度的正弦成正比的。在巴黎，傅科摆的摆动面旋转一周需要31时47分。因为摆的摆动受阻力而渐渐趋于停止，实验只能进行几小时，但是只要装置得好，已足够证明理论所需要的结果了〔傅科在巴黎国葬院所做的实验，1902年弗拉马里翁在法国天文学会的主持下复演了一次〕。

长67米的摆来回摆动一次需时16. 5秒。摆底尖针在离心4米的沙上所划的连续两条痕迹，相差达3. 6毫米。

这些便是地球绕轴自转的实际证据。地球绕日公转的证据也是很有说服力的。

首先，所有的行星都围绕着太阳在公转，地球不过是一颗行星，当然不会例外。古代天文学家为了在地球是不动的假说下解释五大行星（水、金、火、木、土）在天球上的视行，把行星的体系弄得异常复杂，甚至想出有72个晶体的圆周互相地嵌合着！ 一直到哥白尼，才说明地球和所有的行星一样，都是围绕着太阳在运动。地球在它大圆圈的轨道上所看出的景象的变化是不难想象的。当我们前进的时候，有些行星好像在后退，有些时候，这两种运动的组合使得某一时刻行星在天球上仿佛固定不动。在地球绕太阳公转的理论下，这些变化便很容易得到解释，而且容易计算。如果采取相反的地心不动的假说，这些现象的解释则极其复杂。在18世纪所达到的复杂的程度，使得精通天文的君王阿方索（Alphonse）十世竟这样说：“如果上帝在创造世界的时候要找人来提意见的话，我可以劝他采取更简单而不用这样复杂的方式。”可是这位君王为什么不抛弃前人的见解呢？ 自18世纪以来，人们研究了在空中各个方向运行的彗星的轨道，虽然这些披头散发的彗星十分奇特，可是它们却一致地与前人假设的体系不符，正如丰特奈尔（Fontenell）所说：“它们早已打破天空的这些晶莹的轨道了。”人们计算彗星的轨道日益准确，已能预测它们在天空再度出现的方位，可是如果把地球当作是不动的，计算就会变得异常的复杂。18世纪末，在土星轨道之外发现了天王星，19世纪中叶发现了海王星，1930年又发现了冥王星。它们都是围绕太阳而不是围绕地球在运行，而且最后这两颗行星，还是数学家按照万有引力的定律首先计算出在50亿千米之外有这两颗大星，然后才经人用望远镜观测到的。还须说明在火、木两星之间，我们曾经发现2 000 多个小行星，它们都毫不例外地围绕太阳在运行。可见太阳系是一个大家庭，只有太阳才是稳坐在中心的统治者。不仅如此，由于地球每年绕太阳运行一周，使我们看见一些由此而反映在天空中的现象。恒星并不是在无限远处，有一些恒星和我们相当接近，距离我们只有几万亿千米。地球绕日运行在空间走了一个直径长3亿千米的轨道，如果我们在一年里仔细地观察一颗近星，而把这颗近星附近的另外一颗远星作为它的背景，我们将会看见这颗近星因地球的自转所形成的现象，即看到这颗星不是固定的，而是于一年内在天上走了一个小小的椭圆。事实上，天文学家就因为测量这些小小的椭圆而算出恒星的距离，关于这些，在本书后面还要讨论到。自哥白尼、第谷、伽利略（Galileo）以来，因为人们未能找到恒星的这种视运动，被人引为反对地球公转的有力论证。但是天文观测的精确度不断地提高，这个论证也和别的论证一样已经被驳倒了。

还有一个证据。由于地球绕日每年运行一周，在天球上将会表现出另一种名叫 光行 差 的现象。星光沿直线以地球公转速度的一万倍向我们射来，如果地球是静止的，我们将直接接收这些光线而没有偏差，但是我们在这些光线下面奔跑，正如在垂直落下的雨点下奔跑一样。我们跑得愈快，愈是应该把雨伞向前倾斜，才不会使我们的衣服淋湿。我们在火车内时常看见，车行方向的速度和雨点落下的垂直速度的两者组合使雨点斜向地落在车厢的玻璃上。那么，我们可以把我们指着星光的望远镜比拟成向着雨点的伞。地球运动的效果，就使我们不得不把望远镜稍微倾斜一点去接收星光。因为地球绕日公转，不断地在改变它的方向，而且在一年之内扫过了整整的一个椭圆，所以我们看见，在天球上每颗星每年内也走了一个椭圆。这椭圆的大小，不但随星与地球的距离有所不同，而且随星和黄道的相对距离也有所不同。这种在前一节已简略谈过的远景效应上的现象，是近代天文学上的一个重要的发现。借着光行差这一发现，天文学家证明了两件事实：既证明了光线的速度是每秒30万千米，也证明了地球绕日公转是一个真正的事实。假使地球是静止的，恒星的这两种位移便绝对无法解释。但是这些现象一旦得到解释，又是多么的简单而又清楚呀！

以上所说的地球运动，反映在天象上，使人们可以察觉，除非人们宁愿闭着眼睛而不愿认识真理。今天已经证明的，不单是我们这颗行星有这两种运动，在空间中和我们的地球相似的姊妹星也有这些运动。这些运动的理论根据，就是万有引力定律，它已经被近代天文学上的一切事实所证明而成立了。牛顿发现了这一定律以后，今天便可利用它来预测天体间互相吸引的细微影响，甚至可利用它来发现未曾见过的天体。海王星和冥王星就是根据它计算求出，然后才用望远镜去发现的；天狼星的伴星也是这样先由计算发现，以后才被观测加以证实的；而且有100多颗恒星的伴星都是这样被证实其存在的（因它们和主星过于接近，人们不一定会看见）。科学上所有的事实都证明了近代天文理论的真实性，并没有一件事实和它们发生矛盾。所以我们敢说，地球的运动是无可辩驳的真理。 TtLMWKHUBugRHKYaleNuy5ygcd1Yyc1euOJVm+fOqYE6ES7triTCfU3oWaeX0bAT