2017年12月27日

世界的形狀—宇宙的故事

余海峯/天體物理學家、科學專欄作家。瑞典皇家理工學院博士後研究員,研究興趣為伽瑪射線暴輻射機制。


數千年前,沒有電視、沒有網絡。夜幕低垂,人類抬頭仰望星空,也許會問:世界到底是什麼形狀的?從前,我們認為「世界」就是我們居住的地球。直到今天,「世界」這個詞的意思仍多指「地球」,與科學認知的整個「宇宙」意思不同。

地球的形狀
那麼,世界……噢不,那麼宇宙究竟是什麼形狀的?宇宙的邊緣在哪裡?宇宙有多老?宇宙有終結的一天嗎?這些人類史上從古至今的宇宙大哉問,其實全是最前沿的科學研究題目。讓我們首先來看看從前人們是如何看這個地球的吧!

幾千年前,人類就認識到地球不是平的。古希臘人發現能看見遠方帆船的帆但卻看不見船身,發現地球表面是彎曲的。另一個證據就是月食,很早的時候,古希臘人就已經發現月食形成的原因,是因地球影子投影於月球之上所形成。他們發現月食時的陰影永遠都是正圓形的,而只有當地球是球狀三維立體時,投下的影子才會出現這個情況。

不過在那時候,仍然有很多人認為地球是平的。一部分原因是直觀的日常感覺,我們看不出地表有曲率。另一方面,由於當時科學只是屬於有錢人的玩意,一般百姓很難獲得最新的知識,導致科學資訊不流通。(畢竟當時可沒有臉書和谷哥大神啊!)

人類是好奇心很強的生物,我們渴望知道、害怕不知道。有時候,我們甚至不惜虛構出神話故事去填補心靈上的空虛。其中一個耳熟能詳的古代「宇宙模型」,即地球是一塊平的陸地,放在一隻巨大的象或烏龜的背上。而為什麼要放在動物的背上?原來原因也非常科學,因為古人要解釋海浪和地震!對比現代的地平論者,古代的地平說可算是非常有科學精神的啊。

然而,埃拉托色尼(Eratosthenes of Cyrene,西元前276~前195/194)知道並理解地球不是平的。他認為地球是個正球狀的立體,而且做了一個美麗的實驗——測量地球圓周,而且是在西元前200 多年!雖然埃拉托色尼的著作《測量地球》今已佚失,我們仍能夠從其他學者的著述得知埃拉托色尼測量地球圓周的方法。

由於地球自轉軸並非垂直於公轉平面,因此位於北回歸線及南回歸線之間的所有地點,太陽每年都會在其中一天的正午運行到天頂。換句話說,當天正午時,位於該地的所有東西都是沒有影子的。埃拉托色尼發現在夏至當天,在埃及古城賽恩城(Syene)的井裡可以看見太陽的倒影,即太陽剛好運行至賽恩城的天頂。於是他就在另一年的同一天在埃及的另一個城市亞歷山卓(Alexandria)垂直地面放一支杆,量度了它影子的長度,派人測量了賽恩城與亞歷山卓的距離,用相似三角形定理算出地球的圖周。

埃拉托色尼計算的結果是:地球圓周長約25 萬「斯塔德」,換算做現代單位約為40233 公里。現在,我們當然不用派人徒步測量城市距離,因為人造衛星在太空上可以非常精確地測量地球圓周。現在,我們知道地球的平均圓周約為 40075 公里,這與埃拉托色尼的數值誤差只有0.39%!埃拉托色尼能夠在兩千多年前得出地球是正球狀的結論,並做出這個簡單而準確的實驗,其意義非常深遠。他告訴我們,物理世界是可以利用邏輯和計算去理解的。

而我之所以說地球的「平均」圓周,是因為其實地球並非正球狀的。由於地球會自轉,重力的一部分會用來提供向心力,因此赤道附近其實是些微凸起的。地球的赤道半徑為6378.1 公里、南北極半徑為6356.8 公里,相差了21.3 公里。聽起上來,23.1 公里差距好像蠻大的,但這其實只有地球平均半徑 6371.0 公里的 0.36%,這就好比一個桌球凸起了1.5 條頭髮那麼多的厚度。因此,地球其實是非常接近正球狀的。那麼,宇宙的形狀呢?

太陽系的形狀
很早以前,人類就已經發現夜空中點點繁星當中,有幾顆與別不同。有別於一般星星,有時候我們發現這幾顆光點會反方向運行,古人稱呼這現象做逆行運動。而會逆行的光點,就稱為行星,又稱為「漫遊者」。在哥白尼(Nicolaus Copernicus, 1473~1543)之前的時代,人類只發現了5 顆行星(當時行星之列並不包括地球),分別為水星、金星、火星、木星和土星。

日心說其實並非由哥白尼首先提出,最早的日心說記載,是古希臘的阿里斯塔克斯(Aristarchus of Samos,西元前310~ 前230)。然而,他關於太陽是宇宙中心的論文亦已經失傳。他認為太陽與恆星的位置是永恆不變的,而地球則以圓形軌道環繞太陽運行。太陽位於宇宙的中心,亦是地球軌道的圓心。從恆星與太陽在天上的位移,他推斷恆星與我們的距離是非常遙遠的。
哥白尼。(Wikipedia)

在西方16 世紀以前,有整整千多年的時間稱為「黑暗時代」。因為宗教迫害,很多古希臘的科學和數學理論失傳。......【更多內容請閱讀科學月刊第577期】

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