證明地球是圓的10種方法 證明地球是圓的10種方法

證明地球是圓的10種方法

證明地球是圓的10種方法

莫里爾·肖特倫德是維基媒體基金會的軟體工程師。本文原刊於她2008年的部落格“Smarter Than That”,並在少量編輯後刊登於《大眾科學》。

人類幾千年來都知道地球不是平的,我一直想展示更多證明地球是圓的方法。我有一些想法,但菲爾·普萊特(Phil Plait,人稱“壞天文學家”)寫了一篇關於“地平說協會”的文章後,給了我一個有趣的動力。他認為反駁「地平說協會」簡直荒謬——我對此表示贊同。但我們人類的求知歷程本身就十分重要且引人入勝。你無需否定所有科學知識,也不需要相信陰謀論,就能享受一些關於人類探索太空的歷史趣聞。

接下來,我們將介紹10種無可辯駁、絕對肯定地證明地球不是平的方法。

1. 查看月亮上的陰影

如今人類已經非常確定月亮並非一塊起司或頑皮的神靈,因此圍繞著月亮的各種現象(從月相盈虧到月食)也都能得到很好的解釋。然而,對古希臘人來說,月亮卻是個謎。在他們探索知識的過程中,他們做了一些有洞見的觀察,幫助人類了解了地球的形狀。

亞里斯多德(他對地球的球形特性進行了大量觀察)注意到,在月食期間(當地球軌道運行到太陽和月球之間,從而在月球表面形成陰影時),衛星表面的輪廓是圓形的。這個陰影就是地球的陰影,這是地球是圓的強力證據。

由於地球在自轉(如果你對此表示懷疑,可以參考「傅科擺」實驗來獲得確鑿的證據),每次月食都會產生一個穩定的橢圓形陰影,這證明地球不僅是圓的,而且是球形的——絕對的、徹底的、毫無疑問的,而不是平的。

2. 跟隨地平線上的船隻

如果你最近去過港口附近,或者只是在海灘上漫步,茫然地凝視著地平線,你可能會注意到一個非常有趣的現象:駛近的船隻不會像地球是平的一樣從地平線上“出現”,而是看起來像是從海底升起。

但是,您可能會說,船隻不會像電影《加勒比海盜》那樣,在我們視線範圍內潛入水中又浮出水面(我們假設那是一部虛構的電影系列)。船隻看起來像是「從波浪中浮現」的原因在於,地球不是平的,而是圓的。

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想像一下,一隻螞蟻沿著橘子的表面爬進你的視野。如果你正面觀察橘子,你會看到螞蟻的身體因為橘子的弧度而從「地平線」緩緩升起。如果螞蟻不是沿著圓形物體而是沿著一條長路爬過來,效果就會有所不同:螞蟻會慢慢地「顯現」到你的視野中(具體效果取決於你的視力)。

3. 抬頭看看星星

這項觀察最初是由亞里斯多德(公元前 384-322 年)提出的,他根據人們在遠離赤道時看到的不同星座判斷地球是圓的。

亞里斯多德從埃及旅行回來後注意到:「在埃及和…塞浦路斯可以看到一些在北方地區看不到的星星。」他接著說,只有當人類從一個球形表面觀測星星時,這種現象才能得到解釋。他認為地球的球體“並不大,否則如此微小的位置變化就不會產生如此明顯的效果。”

離赤道越遠,「已知」的星座就越向地平線移動,最後被其他恆星取代。如果地球是平的,這種情況就不會發生。

4. 進行棍棒測試

如果你把一根棍子插進(黏性)地面,它就會投下影子。影子會隨著時間移動(這就是古代影子鐘的原理)。如果地球是平的,那麼兩根棍子插在不同的地方就會投下相同的影子。

但他們並沒有。這再次證明,地球是圓的,而不是平的。

埃拉托色尼(公元前276-194年)運用這一原理相當精確地計算出了地球的周長。要觀看演示,請參考我關於埃拉托色尼和地球週長的實驗影片。

地球曲率真美味

5. 爬山或登山

你站在平坦的高原上,眺望著地平線。你瞇起眼睛,然後拿出你最喜歡的雙筒望遠鏡,透過它,盡可能地眺望遠方(借助雙筒望遠鏡的鏡片)。

接下來,爬上最近的樹——越高越好,但要小心別把望遠鏡掉下來摔碎鏡片。然後再次觀察,瞇起眼睛,透過望遠鏡凝視地平線。

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爬得越高,看越遠。我們通常會把這和地面的障礙物聯繫起來——比如地面上的房屋或樹木會遮擋視線,而向上攀爬就能獲得開闊的視野——但這並非真正的原因。即使你站在一個完全開闊的高原上,沒有任何障礙物阻擋你與地平線的距離,你從高處看到的景色也比在地面上看到的要遠得多。

這種現像也是由地球曲率造成的,如果地球是平的,就不會發生這種現象:

6. 搭飛機

如果你曾經出國旅行,特別是長途旅行,你可能會注意到關於飛機和地球的兩個有趣的現象:

  • 飛機可以沿著相對筆直的航線飛行很長時間而不會偏離軌道邊緣。它們還可以繞著地球飛行而不停止。
  • 如果你搭乘跨大西洋航班,透過舷窗望出去,大多時候都能看到地平線上地球的弧度。以前在協和式飛機上能欣賞到最美的地平線弧度,可惜那架飛機早已退役。我迫不及待地想看看維珍銀河新飛機拍攝的照片——地平線應該會呈現出明顯的弧度,就像從遠處看那樣。

7. 勘察其他行星

地球與其他行星不同,這是不爭的事實。畢竟,地球上有生命,而我們(目前)還沒有發現其他存在生命的星球。然而,所有行星都具有某些共同特徵,因此,如果所有行星都以某種方式運行,或者展現出某些特徵——尤其是在這些行星位於不同位置或形成於不同環境下的情況下——那麼我們可以合乎邏輯地推斷,我們的星球也是一樣的。

換句話說:如果這麼多在不同地點、不同環境下形成的行星都具有相同的性質,那麼我們自己的星球很可能也具有相同的性質。我們所有的觀測都表明,其他行星都是球形的(既然我們知道它們是如何形成的,那麼它們為什麼會呈現這種形狀也就顯而易見了)。除非我們有非常充分的理由認為並非如此(而我們並沒有),否則我們的星球很可能也是如此。

1610年,伽利略·伽利萊觀測到木星的衛星圍繞著其旋轉。他將它們描述為圍繞一顆較大行星運行的小行星——這一描述(以及觀測結果)令教會難以接受,因為它挑戰了地心說,即萬物都圍繞地球運轉。這項觀測結果還表明,行星(木星、海王星,以及後來觀測到的金星)都是球形的,並且都圍繞著太陽運行。

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如果地球是平的(無論是我們所在的地球還是其他任何行星),那將是一個驚人的發現,它幾乎顛覆了我們對行星形成和運作方式的所有認知。這不僅會改變我們對行星形成的全部認識,還會改變我們對恆星形成(為了支持地球是平的理論,我們的太陽的運作方式必須截然不同)以及我們對宇宙中速度和運動(例如行星軌道和引力效應)的認知。簡而言之,我們並非只是懷疑地球是球形的,我們確信這一點。

8. 考慮時區的存在

此刻,紐約時間中午12點,太陽高懸夜空(儘管由於雲層遮蔽,難以看清)。北京時間凌晨12點,太陽早已不見蹤影。澳洲阿德雷德時間凌晨1點30分,比紐約早了13小時。那裡的日落早已結束,太陽很快就會再次升起,開啟新的一天。

只有假設地球是圓的,並且繞著自己的軸自轉,才能解釋這種現象。當太陽照射到地球的某一部分時,地球的另一部分就處於黑暗之中,反之亦然。這就造成了時差和時區,特別是超過12小時的時差。

關於時區、太陽和地球,還有一點需要說明:如果太陽是一束「聚光燈」(光線方向性很強,只照射在特定位置),而地球是平的,那麼即使太陽的光線沒有直射到我們頭頂,我們也能看到它(如下圖所示)。同樣地,即使你──觀眾──坐在黑暗中,也能看到舞台上聚光燈的光線。只有地球是球形的,才能創造出兩個截然不同的時區,一個完全黑暗,另一個完全光明。

9. 感受重力的作用

關於質量,有一個有趣的現象:它會吸引物體。兩個物體之間的吸引力(引力)取決於它們的質量和它們之間的距離。簡單來說,引力會將物體拉向其質心。要找到質心,你需要觀察物體。

想像一個球體。由於球體形狀恆定,無論你站在球體的哪個位置,你腳下接觸的球體面積都完全相同。 (想像一隻螞蟻在水晶球上行走。從螞蟻的角度來看,它唯一感受到的運動跡象就是螞蟻移動了它的爪子——球體表面的形狀根本不會改變。)球體的質心位於球體的中心,這意味著重力會將球體表面上的任何物體拉向球心。無論物體位於球體表面的哪個位置,都會發生這種情況。

想像一個平面。平面的質心位於其中心,因此重力會將平面上的所有物體拉向平面的中心。這意味著,如果你站在平面的邊緣,重力會將你向側方拉向平面的中心,而不是像你在地球上站立時那樣直接向下作用。

我非常肯定,即使對澳洲人來說,蘋果也是向下掉落,而不是橫向掉落。但如果你對此仍有疑問,我建議你試著丟點東西——不過要確保那東西不會摔碎或傷到你。

【相關閱讀:我們一直以來重力的測量是不是都錯了? 】

這裡有一些關於質心和品質分佈的延伸閱讀材料。如果你有足夠的勇氣去處理一些方程式(不涉及積分),你也可以了解更多關於牛頓萬有引力定律的內容。

10. 瀏覽太空圖像

在過去60年的太空探索中,我們發射了衛星、探測器和太空人進入太空。其中一些已經返回地球,一些仍在太陽系中(甚至接近太陽系之外)遨遊,還有許多向地球上的接收器傳回了令人驚嘆的圖像。在所有這些照片中,地球(沒錯)是球形的。國際太空站太空人拍攝的許多照片也清楚地展現了地球的曲率。您可以在國際太空站的Instagram帳號上看到一些近期的範例。

俗話說得好──一張照片勝過千言萬語。

本文已更新。原文發表於2016年1月。