科技改變生活 · 科技引領未來
科技改變生活 · 科技引領未來
“在哥倫布時代，人們認為地球是平的，大西洋里有吞噬船只的巨大怪物，以及地球邊緣有令人恐懼瀑布，脆弱的船會在那里墜入無盡的深淵。但哥倫布確信地球是圓的，他決定帶著水手一起航行，與那些愚蠢的信念作斗爭。”——-1919年美國作家艾瑪·米勒·博勒紐斯
哥倫布的故事家喻戶曉，也是我們兒時成長過程中最美的神話，他是航海時代的英雄，年輕時候的偶像就是有名的馬可·波羅。
因此他立志要成為航海家，哥倫布也是當時那個時代唯一一個相信地圓說的人，它看過偶像的《馬可·波羅游記》所以十分向往遍地是黃金的中國。
他堅信只要一直向西航行就一定能到達中國和印度，不過他至死都沒能來到中國，卻在半路登上了美洲大陸。
現在讓我們想象一下1492年的水手們有多么的勇敢，所有人都說地球是平的，你們可能會掉入無盡的深淵，但他們依然冒死前往世界的邊緣，將生死置之度外。
那么這里有個問題：歷史上都說哥倫布和后來的麥哲倫都堅信地球是圓的，他們有沒有依據呢？是誰第一個用嚴謹的理論證明了地球是圓的？今天就聊下這個問題。
有個有趣的事實是，在古代文獻中全人類一致認為地球的形狀是平的，我國也有天圓地方一說，其實地方真的還沒有地圓更科學。
為什么呢？這是古人對地球最直觀的判斷，其實也不是古人不夠智慧，如果放在現代，我們只知道天空中兩個最重要的天體太陽和月球，也會得出同樣的結論。
如果我們在新月后一兩天的日落時分出門，我們將會看到這樣的景象。
月亮呈現出細長的月牙狀，我們可以看出明亮的發光部分似乎與一個球體陰影重合，我們也可以清楚的看到未發光的部分呈現出圓盤狀。
在接下來的幾天里，我們繼續在日落之后出去看月亮。事實上，如果我們每天晚上在相同的時間看天上的月亮，就會注意到兩件事，再日復一日地發生著變化。
從左往右看哈
每天晚上月亮只會移動大約12度也就是一個手掌的寬度，并且在逐漸遠離日落的位置，月亮也從一開始的小月牙慢慢變大!假如今天晚出去看到的是半月，那么往后的每天晚上我們會看到越來越完整的月亮，直到滿月。
作為優秀的天文學家，我們可能會得出這樣的結論:月球在繞地球運行，其明顯的相位變化是由太陽照射到球形月球不同部分的光線引起的。
事實上，這就是古代和現代關于月相成因的觀點。那么我們能不能判斷出地形的形狀呢？
一年中在滿月期間會發生大約兩次特殊的天文想象，那就是月食！當出現滿月時，如果月球、地球和太陽恰好在一條直線上，那么地球的影子就會投在月球的表面上！
如果我們觀察月球表面的陰影，就可以清楚地看到地球的陰影邊緣是彎曲的，形狀像一個圓盤。如果我們把地球在月球上的陰影拼接在一起，我們甚至可以拼湊出地球陰影在月球表面的相對大小。
但很遺憾，這并不能告訴我們地球是扁平的圓盤還是球形；它只能告訴我們地球的影子確實是圓的。原則上，從月球上的陰影看，地球可以是平的，也可以是圓的。看下圖
所以哥倫布當時堅信地球是圓的，或者是幾年后的是麥哲倫第一次完成了人類的環球航行，并首次證明了地球的形狀。只能說這是藝高人膽大的冒險行為，畢竟航海家都有冒險精神！麥哲倫曾經說過：
“教會說地球是平的，但我知道它是圓的，因為我在月亮上看到過地球的影子，我對影子比對教會更有信心。”
從左往右
在北半球，沿著太陽白天的軌跡，我們會發現太陽在天空的東部升起，在南部上升到頂點，然后在西部下降和落下。一年中的每一天都是這樣，日復一日。
但是太陽并不是每天都走同一條軌跡;在夏季，太陽在中午會到達天空中最高的位置，白天的光照時間更長。
而在冬季，太陽會到達一個相對較低的位置，白天光照時間短。為了生動地說明這一點，看上圖的延時拍攝的照片，這是冬至期間，太陽在天空中的路徑。
如果繪制出太陽一年中每天在天空中走過的的路徑，我們會發現在冬至(通常是12月21日)太陽的軌跡線最低，白天日照時間很短，不經意間又要關燈睡覺了。在夏至(通常是6月21日)太陽軌跡線最高，基本就在頭頂，真的是太陽當空照，花兒多我笑，白天日照時間最長。
如果用一臺照相機拍攝一年中太陽穿過天空的路徑，我們會看到一系列漂亮的弧線，其中最高、最長的弧線是在夏至時形成的，最低、最短的弧線是在冬至時形成的。下圖：
在古代，來自埃及、希臘和整個地中海最偉大的學者和科學家都在亞歷山大圖書館工作。其中一位科學家是古希臘天文學家，他就是埃拉托色尼。
在亞歷山大港生活期間，在夏至的時候埃拉托色尼收到了來自埃及南部城市西恩納的信件。信件上提到：
有些物體在中午沒有影子
換句話說，如果太陽在各個方向上沒有偏差一度，直射頭頂。如果一個完全垂直的物體，它絕對不會產生陰影。
埃拉托色尼清楚他生活的亞歷山大港物體影子的情況并非如此。在亞歷山大夏至的正午時分，太陽比一年中任何時候都更接近正上方，但垂直物體仍然會投下陰影。
埃拉托色尼就做了一個實驗。在夏至的中午影子最短的時候，他測量了一根垂直木棍投下的影子的長度，算出太陽與亞歷山大港垂直地面方向上的角度。
他得到的答案是1 / 50，即7.2度。那么在西恩納一根一模一樣，垂直與地面的棍子與太陽光的角度為什么是0呢!這是什么原因?
也許是天才的靈感迸發，埃拉托色尼意識到太陽的光線是平行的，那么地球就是彎曲的，否則所有地方太陽光應該與物體的夾角是一樣的。
如果埃拉托色尼能算出亞歷山大到西恩納的距離，并且他還知道這兩個城市的角差，就可以算出地球的周長!但是當時想測量兩地的距離并非易事。要是埃拉托色尼當時有一群助理的話，他就可以派他們去出差了，慢慢的測量距離了!（哈哈）
但是，由于當時的條件限制他只能依賴于當時官方的測地資料。那么當時官方對距離“精確”的測量標準是什么?
騎駱駝測量，駱駝走完一段距離所需的時間，然后根據駱駝的速度，就可以大致知道兩地的距離。其結果是西恩納和亞歷山大之間的距離是5000斯塔迪亞。
斯塔迪亞是一種長度單位，問題是，一斯塔迪亞有多長?答案取決于居住在埃及的希臘人埃拉托色尼，使用的是希臘斯塔迪亞還是埃及斯塔迪亞，目前歷史學家們仍在爭論這個問題。
不過希臘斯塔迪亞的使用更為普遍，按現代標準是185米。使用這個值的話，可以得到地球周長為46，620千米，這個數字只比實際值大了16%。
然而，一個埃及斯塔迪亞是157.5米，如果當時埃拉托色尼依照這個距離的話，我們得到的值為39375公里，與現代值40041公里相比，相差不到2% !
不管實際值是多少，埃拉托色尼是世界上第一位地理學家，他發現了地球是圓的，并且第一次準確地計算出了地球的大小!還發明了我們今天仍然使用的經緯度概念，并建立了第一個基于球形地球的模型和地圖。
但是在隨后的幾千年里，這些東西并沒有流傳下來，今天我們任何人都可以在相同經度的兩個位置上做同樣的實驗，同時測量影子的長度，也可以算出地球的周長!
但是直到1946年我們人類才獲得了第一張關于地球曲率的攝影證據。
再回到哥倫布，他當時雖然堅信地球是圓的，但是他對地球的大小做出了一個錯誤的估計，他曾說服其他人相信他可以直接從歐洲航行到印度和中國。
當時所有認為他是騙子，不過最后還是說服了西班牙王后，并得到了國王的支持，哥倫布帶著國王給印度和中國皇帝的國書就出發了。
所幸中途有個美洲大陸，不然哥倫布真的要被餓死在半路。哥倫布直到死的時候都認為自己已經到過印度了，其實他踏上的是美洲大陸，中間還差十萬八千里呢！
高悅華