从一到无穷大:科学中的事实与猜想

第十章　不断扩展的视野 一、地球与它的近邻 现在，让我们结束在分子、原子与原子核世界里的徜徉，回到我们熟悉的世界中来。我们还要去旅行一次，不过，这一次的方向与之前相反，是向着太阳、行星、星云以及宇宙的深处。科学在这个方面的进展，也与在微观世界中一样，让我们越来越远离自己熟悉的世界，获得越来越宽广的视野。 在人类文明发端的时候，所谈论到的宇宙只有很小的尺度。在人们的意识里，大地就是一个扁平的盘，四面被海洋所环绕。大地就在海洋上漂浮着，下面是深不见底的海水，上面是神灵的居所天空。这个扁平的盘几乎囊括了当时所知道的所有地方，包括地中海与欧洲和非洲濒临海洋的一部分，还有亚洲的一小部分。大地的*北端横着一条极高的山脉，那就是海洋与陆地的界限，夜间，太阳就会静静地在山后的海面上休息。图104准确地还原了古代人对于世界面貌的认知。不过，在公元3世纪，有一个人对这种被人们普遍接受的简单世界观提出了异议，他就是著名的希腊哲学家（当时这个名词是指科学家）亚里士多德。 图 104　古代人认为世界就是这么大！ 亚里士多德在《天论》这本著作里，提出个理论：大地其实是个球体，一部分是陆地，一部分是海洋，外面被空气包裹着。他借助了很多现象来证明这个观点，现在我们再看这些观点的时候，都会感觉有些熟悉甚至是有些琐碎。他举例，一艘船在从地平线上消失的时候，往往是船身先看不见了之后，桅杆才慢慢消失。这就表明，海洋不是平的，而是弯曲着的。他还举例，月食一定是地球的阴影在拂过月球表面的时候造成的。既然这个阴影是圆的，那么地球自身也应该是圆的。不过，当时并没有多少人赞同他的观点。假如他的观点是正确的，人们就无法理解了，住在地球另一面（即对蹠点，对我们来说是澳大利亚 ）的人难道是头朝下在走路吗？那他们不会掉下去吗？那水为什么不会流入天空呢？（图105） 你看，人们当时还没能理解，物体的下落是由于受到了来自地球的引力。对他们来说，“上”与“下”是个绝对的空间方向，不管在哪里都是一样的。他们所认为的，在我们这个世界走出一半远，“上”与“下”就会相互转换，简直是大错特错。彼时人们对亚里士多德观点的看法，就如同此时一些人对爱因斯坦相对论的看法。那时，重物坠落的现象，被解释为一切物体都天然存在向下运动的倾向，而不与现在相同，认为是受到了地球的引力。因此，你若胆敢冒险跑到地球的另一半去，就会朝下掉入蓝色的天空里！摒弃旧思想的工作极为困难，新的观念遭到了强烈的反对，甚至直到15世纪，也就是亚里士多德去世后两千年，仍旧有人用地球对面的人头朝下站立的画作，来嘲笑大地是球体的这个理论。即便是伟大的哥伦布，在出发寻找通往印度的新航道的时候，可能也并不认为自己的计划是完备的，后来他的航路受到了美洲大陆的阻隔，并没完全实现自己的计划。直到麦哲伦完成了那次著名的环球航行之后，人们才*终消除了对大地是球体的质疑。 图 105　反对大地为球形的论述 当大地首次被人们意识到是球体之后，人们自然而然会问自己这样的问题：这个球体究竟有多大？与当时已经知道的世界相比呢？而且显然，古希腊的哲学家们没有办法进行环球旅行，那该如何来度量地球呢？ 哈，真的有个办法，这个办法*早是由古希腊著名科学家埃拉托色尼在公元前3世纪时发现的。当时他住在古希腊的殖民地，埃及的亚历山大里亚城。那里有个地方叫塞恩城，位于距离亚城南部五千斯塔迪姆远的尼罗河上游。他听那里的原住民讲，在夏至日那天正午，太阳会正悬当头，所有竖直的物体都不会有影子。并且他还知道，这种情况在亚历山大里亚城就从不会发生。在夏至日那天，太阳与天顶（即头顶正上方那个）有7°的角距离，这大概是整个圆周的1/50 。埃拉托色尼以大地是圆形的为出发点，很简单地为这种现象做出了解释，从图106可以很容易看懂。实际上，既然两座城市之间的地面是弯曲的，那么竖直射向塞恩城的光线就必然会与北面的里亚城产生一定的交角。从地心做两条直线，一条连接塞恩城，一条连接里亚城，从图中可以看出，两条连线的夹角与通过亚历山大里亚城的那条引线（即天顶方向）和正射向塞恩城的光线之间的夹角是相等的。 由于这个角度是一个圆周的1/50，所以整个圆的周长就应该是这两个城市之间距离的50倍，也就是25万斯塔迪姆。一斯塔迪姆大约等于1/10英里，所以，埃拉托色尼算出的结果大约是25 000英里，也就是4万公里，这与现代测量的数值的确极为接近。 不过，**次对地球进行测量得到的结果，其重要性并不在于它有多精确，而是在于它让人们意识到了地球的广博。你看，它的总面积比当时知道的全部陆地的面积还要大出几百倍有余。这是真的吗？如果是真的，那么，未知的世界有什么呢？