吴忠良 陈运泰 2005年01月24日 13:48
 |
| 哥伦布 |
 |
| 测量地球的径圈周长 |
 |
| 地球 |
吴忠良：1963年生，中国科学院研究生院教授，主要从事地震学研究和教学工作。
陈运泰：1940年8月生于福建厦门，中国地震局地球物理研究所研究员，中国科学院院士，第三世界科学院（TWAS）院士。地球物理学家。
首先，问一个有趣的问题：设想有一群蚂蚁，生活在一个比它们大很多很多（比如，大2000万倍）的巨大的球体上，试问，它们有办法知道它们的球形“家园”到底有多大吗?
然后，我们再进一步问：如果前面所说的这个球体就是大地，而前面所说的蚂蚁就是人类的话，那么人类是怎样知道大地的大小的呢?
比较一下现在所知道的地球的赤道周长（4万千米）和人类的特征身高（1－2米），那么便知道这两个问题还是具有可比性的。实际上，不要说整个大地，就是一座大山，要知道它的大小甚至形状都是很不容易的事情，否则，怎么会有“不识庐山真面目，只缘身在此山中”的感叹呢。
可以说，如何克服人与大地之间在空间尺度（或者“个头”)上的巨大反差来认识大地的形状，如何克服人与大地之间在时间尺度(或者寿命)上的巨大反差来认识大地上发生的过程，是地球科学中的两个带有“形而上”意义的壮观与美感的问题。而地球科学家的了不起之处就在于，他们把这两个几乎是“不可能”的哲学问题，变成了可以操作和可以检验的科学技术问题。
早在近代意义上的自然科学出现之前，人们就已经对地球的大小这个问题开始了卓有成效的探索，尽管那时很多人甚至不相信大地是球形的。
对地球的尺度的第一个成功的测量方法，是古希腊的埃拉托色尼（Eratosthenes，公元前284年－公元前192年）留下的。他选择了亚历山大里亚城及与亚历山大里亚城处在同一子午线上的另一座城市塞恩（Syene，在现在的阿斯旺附近）做测量。夏至那天，太阳光直射进塞恩城里的一口枯井，照亮了井底。而同一天在亚历山大里亚城，太阳的天顶距是7度12分。这个值是他用一根垂直标杆的影长测得的。这个角度就是两座城市之间的纬度之差，大约等于地球经圈长度的1/50。商队告诉他，这两座城市之间的距离是5000古里。因此埃拉托色尼算得地球的经圈周长约为25万古里，换算成现代的单位，这个值非常接近于实际地球的经圈周长。
埃拉托色尼得到的结果，是一个用极为粗糙的方法得到的“歪打正着”的结果。也正因为它的“歪打正着”的性质，所以后人在进行了种种改进之后，所测得的数值反而偏离了地球的真实情况。
古希腊时期是西方科学文化的一个高峰。后来，西方的思想观念出现了很大的倒退，到了中世纪时，甚至连大地为球形这一概念本身，也受到一些宗教势力的质疑。事实上，西方世界直到1522年麦哲伦完成环球航海探险之后，才完全接受球形大地的概念。
历史上，包括哥伦布在内的很多探险家挑战大海的动机，其实是为了找到能够从欧洲通往中国和印度的一条海上通道。当强大的穆斯林占领了君士坦丁堡，从而切断了欧洲通往中国和印度的陆上通道时，寻找一条海上通道就成为一个迫切的“国家需求”。有趣的是，使哥伦布对自己的探险充满信心的，竟是波希多尼（Posidonius，公元前133年－公元前49年）用“改进的”（也许，应该叫“改退的”）埃拉托色尼方法测得的一个过小的地球周长(18万古里，比实际小l／4)。所以也不奇怪，当1492年10月12日哥伦布船队认为自己已经到达了印度，并把当地的土著居民称为“印第安人”时，他们看到的只是南美。
由于地球的半径的测量结果有问题，所以地球对月球的引力的计算结果也就很成问题。这使得牛顿在发现万有引力定律之后，不得不把他的计算结果搁置了很长时间。当时公认的地球半径，比实际的地球半径小百分之三，因此月球运动的计算结果就与实际不符。1669－1671年，法国天文学家毕卡(Picard，J．，1620－1682)领导测量了巴黎和法国另一城市之间的子午线的长度。这次测量的原理与埃拉托色尼方法几近相同，只不过是用恒星代替了太阳。由此而求得的地球半径是6372千米，已经非常接近真实的结果（6371千米）。在此基础上，牛顿终于得到了关于月球运动的与实际相符的结果。万有引力定律的发现则提供了测量地球形状的一种可能的方法，因为钟摆的运动与重力加速度有关，而重力加速度与当地距地心的高程有关，所以用重力测量的方法，可以得到关于地球的局部形状的重要信息。
公元1672至1673年，法国天文学家里歇尔（Rieher，J．，1630－1696）发现，在巴黎校正得很准的时钟，在南美卡晏却每昼夜慢2分28秒。里歇尔认为，出现这种情况，是因为地球并不是一个理想的球体。法国人将里歇尔开除巴黎科学院，作为对这一假说的“奖励”。
牛顿却坚信地球是一个赤道凸起、两极扁下去的椭球体，他的想法与惠更斯不谋而合。但是在科学界内部，也有另一种看法，认为地球的形状并不是赤道凸起两极扁下去，而是赤道扁下去两极凸出来。这一争论在科学界持续了很长时间。为了确定究竟哪一种说法是正确的，法国皇帝派出两个远征队对地球形状进行重新测量。1734年，大地测量学家布格（Bouguer，P．，1697－1758）率一支远征队赴南美；1735年，大地测量学家莫培督(Maupertuis，M．de，1698－1759)领导的远征队进人芬兰北部。两个远征队的测量结果证明牛顿和惠更斯的看法是正确的。
而作为在南美的大地测量的一个“副产品”，布格发现，大的山体对小的物体的引力是可以测量出来的，这样，用重力测量的方法来探测地球内部的结构，便作为一种重要的探测手段，进入科学的视野。
这里所讲述的几个故事，不过是人类认识大地的形状和大小的科学历程的若干片断。故事的最终结局，似乎像我们耳熟能详的“从此过上幸福生活……”一样，也已太过平常。今天，飞机在天上穿梭，从地球一侧的北京飞到地球另一侧的纽约，只需要十几个小时的时间。人类已经能够站在月球上眺望自己的故乡，而“大地是球形的”这件事早已成为普通人的常识。大地测量学家今天已经能够给出精度非常高的关于地球形状的测量资料，这些资料在能源和资源开发、减轻自然灾害、保护国家安全等方面，都具有重要的意义。我们今天所看到的很多类型的导弹的制导，就需要高精度的大地测量资料。没有高精度的大地测量资料，即使能把卫星发射上天，也无法控制它的轨道和运行方式。
但是，认识我们的“家园”地球的形状和大小，却耗费了人类上千年的时间，调动了人类顶尖级的智慧。从历史的眼光来看，人类终于知道了比自己大2000万倍的大地的形状和大小，这是一件非常了不起的事情。
