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地球在太阳系中的位置

时间:2020-09-15    点击: 次    来源:986文章网    作者:佚名 - 小 + 大

地球在太阳系中的位置
23.地心说与日心说之争
如果说,科学是人类试图把握客观世界的一种努力。那么人们总是力图把自己对客观世界的各种感受用自己设想的一个“模型”加以概括解释。从这个意义上说,“神”也许就是最原始,最朴实的“科学”。雷电本来就令人十分恐怖,加之还常常击死人甚至引起火灾。人们或许从自己钻木取火的经验中感受到或许天上住着比地面上的人类更有力量的“神”,他可以用他的超人的力量来惩戒这个世界的不平。于是人们由此得到一种安慰和满足,并预言出一些人的行为规范。“你应孝敬父母,否则将会遭到报应!”这或许是人类的一种要求“预见”的本能,或许是“模型”的创立者为了证明自己的正确而下的某种“赌注”。不难设想,对于一些遭到雷击的不幸者总可能有这种或那种弱点。于是预言者胜利了!但日子一久,必然会有一些公认的圣人也遭不测,于是人们开始怀疑是否真有神的存在。但这时还没有出现科学。直到人们了解到电的性质,才想到用放电现象来解雷电,认为雷击和闪电可能是一种大规模的放电。这个模型今天看来不足为奇,但在当年要突破“神”对人们的束缚,得要多大的勇气和魄力啊。直到富兰克林通过用能导电的线所放的风筝,当天上打雷时,地面上的人用金属钥匙接近风筝线同样可以看到放电现象。这样,才使人们的“猜想”变成了受到实验证实的科学真理。但科学到此并未止步。一方面,技术上利用它制成了“避雷针”,确保人们不再遭雷击。另一方面又进一步研究电的性质以及它和磁的关系  今天“电”已成了现代化的象征,可以说是每一个人每天都享受到的科学成果。但又有多少人想到当年法拉第为了研究电磁感应面对毫无反应的线圈和磁棒长期所处的尴尬场面呢?的确,科学家的形象往往并不显得那么高大,他们很难激发起诗人的灵感,但他们的成果却深刻地影响着每一个人的思维和生活。
对于天象,生活在地球各地的人们,几乎都有他们自己独特的研究方法和习惯。天象的最大特点也许是他持久的稳定性。通过年长日久的观察和记录,人们逐步地掌握了太阳和月亮这两个最明亮的天体的运行规律,并根据这种运行规律,制定了他们各自的历法。以便更有效地掌握农事。大概也是人类要求“预见”的驱使.人类通过对天象变幻和人间生活间有着密切关系的体验,猜想既然日月的变化能确定农事,那么世上的人事或许由众多的群星变化所确定。因此人们在观测天象时往往更注意那些变化着的天体:流星的出现或预兆着某人将死亡,彗星的来临预兆着灾祸,日食和月食也是人们关心并感到恐怖的,特别是日全食的发生真有世界末日来临之感日月星辰的升落,给人们的直觉是:绝大部分星星像明亮的钻石,固定不动地镶嵌天球内表面上。整个天球就嵌着这些星星,绕着一根天轴,环绕着地面,由东向西不停地转动。我们所在的地球当然是宇宙的中心了!古代哲学家们也曾试图用种种方法来证明地球确实是宇宙的中心。最有力的证据就是关于重物和轻物的理论。他们认为,土是最重的元素,所有有重量的东西朝着它运动,趋向于它的中心。大地既然是球形的,重的东西又垂直于它的表面而运动,若不是被地面挡住,它们将一起冲向中心。那些向中心运动的东西,在到达中心后就不动了。于是整个大地在宇宙中心更加保持静止。大地接受了所有降落的物体,将由于自己的重量而保持不动。
亚里士多德的根据是运动的假想性质,认为,单个的简单的物体的运动是简单的。一个简单运动或者是直线运动或者是圆周运动。直线运动或者向下(即对着中心),或者向上(即离开中心);圆周运动则是绕着中心。天体则具有圆周运动。
上面的描述大体上还是符合人们的直觉感受甚至是粗略的观测的。但在长期观测中,发现行星的运行规律比较特殊,它们好像是在沿着黄道附近“兜圈子”,平时由西向东,有时好像在天空停着不动,然后又由东向西,经过一段时间,又折回它们平时运动的方向。图 8 给出 1896 年 8 月 1 日到 10 月 3 日的水星的运行轨迹。
几个行星的特殊轨道的反常当然会引起人们的注意。为了维护地球中心说,人们用了本轮一均轮体系,认为,行星一方面绕地球运动,其轨道形成“均轮”,另一方面又绕以均轮上的点为圆心的“本轮”运动。这是托勒密所创立的体系,它采用几何的方式比较正确地描绘了各个行星的运动,单在数学上是说得通的,但要把几个行星统一起来形成一个整体就显得十分混乱了。哥白尼直截了当地指出:托勒密的体系“好像一个艺术家为了画像,从不同的模特儿身上选取手,脚,头和身体的其他部分,每一部分画得都很好,但不属同一个人的身体,大小不能配合,结果不是人而是一个怪物了”。
哥白尼通过长期地观测和分析指出:行星本身在太空中运行时不会“兜圈子”。住在地球上的人之所以会看到行星兜圈子的现象,归根到底是因为地球在绕着太阳运动。行星的兜圈子只不过是地球围绕着太阳运动的实质在现象上的反映。只要假设地球围绕着太阳运动,这种行星在太空中兜圈子的现象立即就可以得到合理的说明。
如图 10 所示,如果地球在轨道 1 上绕着太阳运动,某行星在轨道 2 上运动,当地球和该行星各自分别在轨道 1 和 2 的 A、B、C 和 A’、B’、C’的位置上,而地球上的观测者所看到的行星则投影到相应的恒星背位置 A"、B"、C"、  它正好是一条兜圈子的曲线。所以哥白尼断言:“在地球运动的前提下,我经过多次持久的观察,终于发现,如果把其他行星运动同地球运动相比较,并按每个行星的轨道计算这些运动,那么就得到了对这些行星所观察到的现象;而且,所有星球,天体的序列和大小,以至于天穹本身,也都彼此密切相关,任何部分离开原来的位置就会使所有其他部分和整个宇宙产生混乱。”
哥白尼的日心体系后来经过市鲁诺、开普勒等人的工作又有了很大的发展,它的主要缺陷都被克服了。开普勒同时代人伽里略(161 年)把他独自发明的望远镜指向天空,从而发现了木星的卫星。在这里他看到了小规模的太阳系,这就用实物把哥白尼的思想演示为视觉可见的实在。但伽里略更伟大的功绩是他发展了力学原理。后来牛顿利用了开普勒关于行星运动的三定律再结合力学原理,发现了万有引力定律,阐明了行星(包括地球)为什么绕太阳运转的力学原因,并由此引
出了天文学中的一系列新的重大成就。此后,哥白尼的日心说才最终成为举世公认的科学理论。
1983 年,罗马教廷也不得不承认,17 世纪宗教裁判所对于伽里略的审判是错误的,宣布为 350 年前的冤案“平反”。
地球不是宇宙的中心,它只是太阳系九大行星中的普通一员。因此,星星乐团的各种演奏也决非专为地球而进行的。地球和其它天体一样,它自身也是一位表演者。
24.地球的自转和公转
我们所居住的地球,是太阳系的一颗行星。研究地球在天文学中有很重要的意义。这不仅有助于研究太阳系的其他行星及研究太阳系的形成和演化,而且有助于弄清从而消除源自地球的各种因素(如地球运动,地球大气和磁场等)对于天文观测和研究的影响。毛泽东有一诗句说:“坐地日行八万里,巡天遥看一干河。”的确,我们是乘坐着“地球”这个巨大的“宇宙飞船”在欣赏着来自各类天体的“交响曲”。
地有多大,它具有甚么形状?这可能是每个人在孩童时期都曾带着几分的“傻气”向父母提过的问题。不知道有多少人已得到了正确的回答?又不知道有多少人已得到了自己满意的回答?头一个根据观测来解决这个问题的是公元前 3 世纪的古希腊学者埃拉托色尼。他知道,6 月 21 日夏至那一天,就是太阳最接近天顶的这一天(当然是对北回归线以北的地区而言),在埃及的塞恩城(现在的阿斯旺),正午时分太阳正好位于天顶,他是看一口深井当时太阳直射井底。而在同一时刻,在塞恩城以北 800 公里的亚历山大城太阳位于天顶以南 7°12'的地方。
如果大地是平的,那么,太阳对于上述两个城市应同时位于头顶正上方。现在太阳在一处位于天顶,另一处却不是在天顶,这个事实本身就证明了这两个城市间的地面是弯曲的。地面的曲率越大,两地的天顶角差就越大。图
11  给出了计算地球大小的原理示意。读者如果学过几何就不难由知道一个扇形的弧长和园心角计算园的半径的公式,代入上面的两个数就可得到地球的半径为 6366.2 公里,大圆的周长为 40000 公里。而最新的测定给出地球赤道的周长为 40076.5 公里。两千多年前的古人就通过一些简单的道理得到人们十分关心而又对于了解自然十分重要的结果。人们常说:不识庐山真面目,只缘生在此山中。看来应改为:欲识庐山真面目,只能身在此山中。大自然把它的秘密平权地赋予每一个人,差别是你任它从你身边滑过去,还是有心去抓住它。而一旦抓住后得利用一些简单办法去揭示其中的奥妙。从这个意义上说来,想象力对于科学的发展也许是更重要的。
令人遗憾的是这个十分正确的结果当时并不被人所接受,而一些较小的不正确的数字反而被广泛流传,哥伦布就是利用的不正确的较小的数字来证明,凭借当时的船就能从西班牙向西航行到亚洲。以至他错把美洲当成亚洲而意外地发现了“新大陆”。这种“歪打正着”的事例,科学上也不仅一次。
直到 1522 年,麦哲伦的船队里唯一剩下的一艘返回之后,才无可辩驳地确定了地球的真实大小,证明了埃拉托色尼是正确的。
地球的运动分为公转和自转。地球绕太阳的周期运动称为公转,其轨道为椭圆。轨道长半轴即日地平均距离,历史上曾称为天文单位,作为重要的天文基本常数之一。据观测,目前地球于每年 1 月 3 日前后经过近日点,这时日地距离为 1.471×108 公里,公转速度达到最大值,为 30.3 公里/秒;大约 7 月 4 日左右经过远日点,日地距离增大到 1.521×108 公里,公转速度减低到最小值,为 29.3 公里/秒(见图 12)。观测还表明,地球接连两次经过近日点的时间间隔为 365.25964 日,在天文上称之为近点年,它比回归年长 25 分 07 秒。由此可知,每过 60 年,地球经过近日点的日期将推迟一天。这称为地球的近日点的进动。它是由于行星间的相互摄动,使其轨道偏离椭圆。利用摄动理论对行星轨道的精确计算曾导致海王星的发现,而水星近日点的进动问题,促进了爱因斯坦广义相对论的创立。
天体的周日运动是地球自转的反映。地面上可以通过很多现象和实验来证明地球在自转。如,落体偏东:由于地球自转的线速度随到地心的距离增大而增加。高处的物体向东的线速度大,因而其落点比原来的方位要稍稍偏东一点。力学理论中对于一个旋转系统中的运动物体将受到科里奥利力(简称科氏力)。地球自转引起的科氏力会造成很多特殊现象,我们这里不再介绍。
由于地球的自转,使之成为一个陀螺。又由于地球质量分布的不均匀致使太阳和月亮对地球的引力并不集中于地球的球心,甚至不是在一个固定点,因此有力矩作用于地球,使之产生进动和章动。所谓地球的进动是指地轴环绕垂直于黄道面的轴线作缓慢的圆锥运动。而由于地球、太阳和月亮三者间的距离在不断变化引起天极和春分点更复杂的运动,这类运动可以用一些小幅度短周期的振动加以描述,这类运动称为章动。这些运动的效果是改变了地球运动的回归年,而地轴的缓慢移动会造成各地星空状况的变化。图
13  给出了地轴的进动和章动的示意图。
地球的运动实际上是一个十分复杂的过程,就地球自转而言,由于潮汐,
大气流动及水的流动会造成地球自转速度的不均匀的变化。这类变化有复杂的周期结构,观测和分析这些变化是当前天文学中的热门课题之一。
25.地球的卫星—一月球
除了流星,陨星和少量的人造天体(卫星,火箭及其碎片)外,月亮是离地球最近的天体。月球是地球唯一的天然卫星。因此,研究月球也为研究天然的卫星世界提供了一个难得的样品。
月亮的轨道也是一个椭圆,其形状和取向都在不断地变化。其偏心率 e的变化范围是 1/15~1/23 相应的月地距离变化范围为 358774~410028 和363297~405505 公里。
由于距离近,因此就很容易用各种方法来确定月地间的距离。公元前 3 世纪,古希腊学者阿利斯塔克巧妙地做了第一次科学的尝试。他的原理十分简单,利用月球上、下弦的机会去测量太阳和月亮与地球间两连线的夹角∠ SEM 的值。然后可用几何方法估计月地和日地距离之比。由于当时技术的落后他测得的∠SEM=87°(实际应为 89°51')和实际相差较大,但他却由此得到一个极其精辟而重要的结论:太阳比地球大,应当是地球绕太阳转而不是像地心说那样说的太阳绕地球转。如果他的发现能及时得到人们的承认,那么日心说的创立会提前两千多年创立了。
差不多一个世纪以后,又一个古希腊天文学家喜帕恰斯从日食时地球投在月球上的弧状影子,用几何方法测定月球的距离。他得到了比较准确的结论:月地距离值是地球直径的 30 又 1/6 倍。可惜他并不知道埃拉托色尼关于地球半径的测量结果,否则他真可能第一个计算出月地间的准确距离了(如果真是这样可得到月地距离为 384072.8 公里)。前面我们已提到了,这个距离直到 1752 年由两个法国天文学家拉卡伊和拉朗德利用三角视差法得到为 384400 公里。(对比刚才设想的计算真是相差不多,不过那可要早两干多年啊!)这里我们请读者记住,这个数后来怎么被牛顿巧妙地利用。
知道了月地距后人们就可以进一步测量月球的大小。其半径为 1738 公里,它相当于地球半径的 0.2728。按体积而言仅及地球的 2%。质量的测定可只能是现代科学的事了。因为它必须借助万有引力的观念。但仍可用几何方法来估算月亮和地球的质量的比。一个可行的办法是测定地月系统的质心 C 的位置。质心 C 是通过精确测定太阳在天球上的位置,由它的黄经的细微变化中算出质心到地球的距离 EC=4671 公里(它小地球半径,因此地月的质心是在地壳内)故,月亮的质量仅为地球的 1/81.30。月亮上的重力加速度也可由此估算为地球上的 1/6。所以如果您想创造跳高的“世界记录”而您目前水平又只有一米,你可不用着急,你只要申请到月球上参赛,就可轻易地越过 6 米的栏杆。这里可能是个笑话,但阿波罗登月飞船上的宇航员在月球上的行动中感到在月面上,最有效的动作就是像袋鼠那样双脚离地的跳跃前进。
月球绕地球的运行周期为 27 日 7 小时 43 分 12 秒=2360592 秒=2.36× 106 秒。
在莎士比亚的《雅典的泰门》中,疯狂中的泰门说道:“月亮是个无耻的贼,她的惨白的光辉是从太阳那儿偷来的。”泰门还说:“(我的疯狂)正像月亮一样,因为缺少可以照人的光;可是我不能像月亮一样缺而复圆,因为我没有可以借取光明的太阳。”我想莎翁已经借用“疯人的狂言”说明了月亮反射太阳的光辉和圆缺变化的道理。我想这里就不必再多赘述了。
随着空间技术的发展,人类可能更多地登上月球,甚至是其他行星。那么,登上那些星球的人们将用地理学的方法去研究它们。他们还可以用天文学的方法来重新研究地球。
26.年、月、日和太阳的十二宫
时间和空间可能是和天文学一样是一个最古老而又是最前沿的课题。人类所从事的一切甚至人类自身无不与时间和空间相关。昼夜和季节的变化无疑是人类最先感受到的天象。似乎是时间更先被人们认识。但人们自身的存在就必然要占有一定空间。实际上,这三者是不可分割的整体。任何事物具有僵死不变性和漂浮不定性。所谓僵死不变最实质的表现就是永恒地占有确定的空间更进一步就表象出永恒不变的外形,于是产生了点、线、面,和体积等的一类空间的概念。反之,事物的任何变化,包括空间位置变化(机械运动)和内部状态变化则表象了时间。可见,任何一种事物的出现,必然意味着他占有特定的空间并开始了本身的演化。与每一个天体相关的演化过程则给出了与其相关的时间。
地球绕太阳的公转给出了“年”的概念它可以通过气候的变化或观测太阳在恒星背景的相对位置标志。如果没有别的运动过程加以比较,则“年”的利用是极为不便的。幸好地球本身还在自转,它使地球上的每个区域不断地交替地面、背太阳而形成昼夜现象。将二者加以比较则可发现地球每绕太阳转一周,它自身已转动了 365,2564 周。于是地球上的一年是 365.2564日,但每年都加个 0.2564 日确实很不方便,因此每一年定为 365 天,而每四年来一个闰年加一天为 366 天以避免误差的不断累积。但由年到日跳跃太大,恰好月相的圆缺变化填补了这个空缺,于是我们用年、月和日来计量时间。所以年、月和日计量的全是天文时。也是地球诞生后由地球的特定运动所标志的“地球时”。如果地球一旦毁灭,“地球时”也随之消失。与此同时也是地球本身所占有的空间和其轨道空间,我们姑且把它总称为“地球空间”的消失。但决不是时间和空间的消失。它仅意味着组成地球的物质由现在的近似为“固体球状围绕太阳不断地公转和自转的状态转化为另外的状态”;即占有另外形式的空间,并开始了另外形式的演化,即诞生了新的空间和时间。
为了在一昼夜内得到更短的时间间隔,人们创造了各种计时装置。人们利用各种简单稳定而又易于实现的周期运动作为时计(其实这仅是为了计量方便而非必要的,实际上任何变化过程均可作为时计,像沙漏就是非周期运动的时计)。有了计时的时钟,人们一方面可以合理地安排一天的活动日程,另一方面通过更精确的计时,人们发现了地球运动的某些不均匀性从而为进一步研究地球(甚至其他天体)的运动和演化提供了依据。
任何时钟的计时是以运动所展示的空间位移为基础的,也就是说时间的度量是以空间度量为基础的。钟表是以表盘的空间刻度为计时的基础。地球的经度线,就好像时钟刻度。实际上,各地的时差就是按每 15°差一个小时而划定。如果我们在太空也做出某种标记,则它也可以作为时间指示。也许读者认为我在开玩笑吧!的确的,这并非玩笑,天空的星座就为我们提供了这种标志。由于地球绕太阳作公转运动,而地球上的人则看到太阳在恒星背景上作相对运动。太阳的视运动轨道就是“黄道”。黄道在天球上的位置基本上是固定的,它穿过 12 个星座,这些星座分布在黄道南北各 8°宽的带内,称黄道 12 宫。从春分点起,每宫冠以星座的名称。它们是:
白羊宫 金牛宫 双子宫
巨蟹宫 狮子宫 室女宫
天枰宫 天蝎宫 人马宫
摩揭宫 宝瓶宫 双鱼宫
图 15 显示了 12 宫在黄道上分布的示意图。它不是很像一个大钟的表盘吗?如果太阳系一形成大体上就是今天这个样子,那么,这口钟已经稳定地运行了 50 多亿年了!不过它还不能算是宇宙中最老的“时钟”。

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