1 球形大地理论

在分子、原子和原子核里的旅行结束了，让我们回到大小正合适的世界中。不过，我们还是要再次出发，但是我们这一次的方向相反，向着太阳、恒星、遥远的星云和宇宙等大物体的深处前进。科学在这个方向上的发展，也和微观世界一样，距离越远，视野越宽阔。

在人类文明的初始阶段，“宇宙”很渺小。起初人们觉得大地是圆的，像一个盘子，海洋包围着大地，大地漂浮在海洋之上。在我们的脚下是深不可测的未知大海，在我们的头顶是各路天神的居所，也就是天空。

亚里士多德（前384～ 前322）

古希腊伟大的哲学家、教育家，柏拉图的学生，人们称他为百科书式的科学家。他在伦理学、形而上学、心理学等多个领域都有研究，做出了巨大贡献。他是希腊科学的一个转折点，提出了完整的世界体系，在他之后的科学家都放弃了提出完整体系的企图，转入研究具体问题。他的著作构建了西方哲学的第一个广泛系统。

这个扁盘的空间刚好把那时人们所了解到的地理知识都囊括了进来，有地中海和沿海的部分欧洲与非洲，还有亚洲的一部分；大地的北部边界是高高的山脉，夜晚太阳躲在山后面的“世界海洋”上休息。图1相当准确地表示出古代人关于世界面貌的概念。在公元3世纪，有一个人对这种简单而普遍承认的世界观提出了质疑，他就是著名的古希腊哲学家亚里士多德。

亚里士多德在他的著作《天论》里阐述了这样一个理论：

大地实际上是一个球体，一部分是陆地，一部分是水域，它的外围有空气包围。

图1 古人认为的世界大小

他引用了许多现象来证明自己的观点，这些现象在今天看来大家已经很熟悉了，甚至会觉得有些絮叨。他说，当一艘船在地平线上逐渐消失时，总是船身先不见了，桅杆还露在水面上。这说明海面不是平的，而是弯曲的。他还指出，月食一定是地球的阴影投射在月球这个卫星的表面时才有的现象。既然这个阴影是圆的，那大地也该是圆形的。

但那时候人们不相信亚里士多德的理论。如果他说的是对的，人们无法想象，住在球体另一端（即所谓对跖点，对美国来说是澳大利亚，类似的，中国的对跖点在巴西）的人是不是头朝下地生活，他们不会掉下去吗？他们那里的河流湖泊不会流向天空吗（图2）？

那时的人们不能理解的主要原因是不知道地球引力的存在。在当时的认知中，无论何时何地，“上”与“下”是空间的绝对方向。如果像亚里士多德的“胡言乱语”所阐述的，沿着世界一直走的话，“上”就会变成“下”，“下”就会变成“上”，这是绝对不可能的事情。

当时，人们对待亚里士多德的观点就有如今日（这里指20世纪50年代，作者成书时间）的某些人看待爱因斯坦的相对论一样。因为那时人们对物体下落的理解是：所有物体都有向下运动的趋势，而非受地球引力的作用。所以，如果你有足够的胆量跑到地球的另一边，那你肯定会掉到天空中！

图2 人们不能理解地球是球形的理论

克里斯托弗·哥伦布（约1451～1506）

意大利航海家、探险家。在西班牙国王的支持下，先后4次出海远航，开辟了横渡大西洋到美洲的航路，也开辟了后续几个世纪的欧洲探险和殖民海外领地的大时代，对现代西方世界的历史发展有着无可估量的影响。

麦哲伦（1480～1521）

葡萄牙航海家、探险家。1519年～1522年9月，麦哲伦的船队进行环球航行，麦哲伦在环球途中死于菲律宾的部落冲突。船上的水手在他死后继续向西航行，回到欧洲，完成了人类首次环球航行。

新观念必定会遭到人们极强烈的抵触，一时间，人们不会将根深蒂固的旧观念迅速转变过来。即使是在距离亚里士多德2000多年后的15世纪，竟然还有人用头朝下站立的人的画作来嘲讽球形大地理论。就连伟大的哥伦布动身前往寻找通往印度的“另一条路”时，也未能认识到他自己的计划是可行的，而且他的行程也因美洲大陆的阻挡而未能全部实现。直到麦哲伦进行了著名的环球航行后，人们才最终打消了对大地是球形的怀疑。

人们开始意识到我们生活的大地是个球形之后，自然会有新的问题产生：这个球体有多大？我们的地球和宇宙相比大小如何？显然，那时候的古希腊哲学家无法进行环球旅行，但是他们是怎样测量地球尺寸的呢？

哎！还真有个好办法呢！这个办法是由公元前3世纪的古希腊著名科学家埃拉托色尼最先提出的。他住在当时希腊的殖民地——埃及的亚历山大城。当地还有个塞恩城，位于亚历山大城的南边，在尼罗河上游5000斯塔迪姆远的地方（大约有80千米远，即现今阿斯旺水坝附近）。他听那里的居民讲，夏至那一天正午的时候，太阳正好在天顶正上方，直立的物体都没有影子。

埃拉托色尼还知道，人们在亚历山大城从来没有见过这种景象，即使是在夏至那一天，太阳离天顶（即头顶正上方）有7°的角距离，也就是整个圆周的。

埃拉托色尼从大地是球形的假设出发，做出了一个非常简单的解释，从图3中可以看得很明白。两座城市之间的地面是弯曲的，垂直射向塞恩的阳光一定会和位于北方的亚历山大城有一定夹角。从地球中心引两条直线，一条到塞恩，一条则到亚历山大城。从图上可以看出，两条引线的夹角等于通过亚历山大里亚的那条引线（即此处的天顶方向）和太阳光垂直射在塞恩时的光线之间的夹角。

由于这个角是整个圆周的，整个圆周就应该是两城间距离的50倍，即250，000斯塔迪姆。1斯塔迪姆约为英里，所以，埃拉托色尼所得到的结果是25，000英里，即约40，000千米，这个数值非常接近现代测量的结果了。

第一次对地球的尺寸进行测量，结果是否精确并没有多重要，重点是人们通过这次测量了解到地球非常大。这个数值肯定比当时人们已经了解到的全部陆地面积大几百倍！事实真的如此吗？如果真的是这样，已知世界之外的世界又是什么样的呢？

图3 埃拉托色尼测量地标尺寸的方法