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《漫话星空》
时空测量
风起天阑    来源社团:浙江理工大学科普协会...
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先看评语
· 本文作者想介绍天文学发展历程及相关知识、古今中外科学大师的主要科学成就特别是与天文学相关的成就的意愿非常强烈,而且努力用通俗易懂的语言来阐述,这些都很值得肯定。由于太想全面、系统地进行介绍,似乎忘了这是写给谁看的,重点内容、主线、主要的读者对象都不够突出。对古代的科学大师及相关成就介绍的篇幅在全文中占的比例也偏大了。 · 一篇主要介绍太空观测历史的科普文章,开头用FAST引出现在人对宇宙的观测,然后追逐人类的对于宇宙观测的历史。文中科普了很多古代天文学家和一些古人对于宇宙认知的理论。文字通俗易懂,传达的科学信息也基本正确,是篇还不错的科普文章。 · 作者用朴实流畅的语言,介绍了近7000年天文学发展史上走在前列的科学家、哲学家,以及他们的科学精神、科学思想和方法,同时用大量的篇幅介绍了关于时空的测量、万物本原、浑天说、日心说、恒星的演化、大爆炸宇宙论等等理论,并在描述时融入自己的思考。可以看出,作者在写作之前做了大量功课,是下了一番功夫的。 但是,作为科普文章,“漫话星空”这个标题太大,作者希望读者籍此文了解星空的方方面面,却恰恰失去了重点,给人感觉是泛泛而谈。若不是星空迷,这长篇大论的,很难一口气读完。话说回来,若是星空迷的话,这些知识恐怕早已了解。 建议作者在今后创作科普文章时,选取一两个科普点,用细节、用人物、用故事去阐述。 · 科学史是科普的宝库,也是科普创作值得推荐的起步经验。由在校大四学生撰写的《漫话星空》,体现了作者对与天文学史掌握的全面性。古代天文学研究最重要的使命是确定时间和空间,在时空测量方面,作者讲述了古希腊时期和中国古代如何测量大地形状、研究尼罗河泛滥、十二星座、圭表测影、测量地球周长等;在宇宙的组成方面,从古希腊哲学家朴素的四元素论,逐渐发展到原子学说和元素周期表的出现;在宇宙观方面,讲述了中国古代的盖天说、西方的地心说、日心说,再到现在的宇宙大爆炸理论。作者对这些从古到今的科学史娓娓道来,传递出科学并非真理,而是不断更新、不断演化的认知过程。本文的一个特色是,多处恰到好处地引用了南仁东、爱因斯坦等中外科学家的经典语句,为本文增设不少。

你知道什么是大河文明吗?你可能不知道。但如果问你四大文明古国有哪些,或许你可以不假思索的说出来。没错,古代世界四大文明皆是大河文明。大河文明就是由河流流域孕育的文明,但世界文明并不是全由河流流域所孕育的,较特殊的有希腊文明,它的诞生与地中海息息相关,故称海洋文明。

文明的起源

                                                        图2.1 文明的起源

星座和星期的由来

大约7000年前,在幼发拉底河和底格里斯河流过的美索不达米亚平原上就诞生了古巴比伦文明。这是亚洲西部的一片沃野,最早居住在这里的是苏美尔人。他们发明了犁,制造了用动物拖动的轮车,建造了船舶,还建立了古代最早的城市国家。苏美尔人创造了楔形文字,他们把这些文字写在泥板上。这些泥板大部分比人的手掌还要小,但是却记载着古巴比伦人超越他人的智慧。

刻有楔形文字的泥板

                                                 图2.2 刻有楔形文字的泥板

古巴比伦人的天文学盛极一时,他们的知识都是从天上星辰中得到的,有一群喜欢看星星的天文学家正在推动着天文学的发展。星座就是从此时发展来的。你是哪个星座的?我是射手座的。说起星座,一般懂科学的人都不会去相信这些,他们会认为星座说是占星术,是伪科学,是迷信。其实也不尽然。像白羊座、金牛座、天蝎座、狮子座、双鱼座、摩羯座等共计十二个星座,被称为黄道十二宫星座。

黄道十二宫

                                                          图2.3 黄道十二宫

十二星座是怎么得来的呢?我们想象一下,地球一年环绕太阳公转一周,而对于地球上的我们来说,相当于太阳环绕我们转了一周。我们把假想的太阳绕我们旋转时在天空中所经过的历程(或运行轨道)称为黄道(黄道为一个假想轨道,实际并不存在,黄道一圈为360°),再将黄道分为12个等份(一份为30°),每一等份为一个宫,将每一宫中较亮的星星连在一起,把它们想象成各种形状,再按照这些形状来给各个宫命名,这就是黄道十二宫。

我们知道,每一个星座正好是对应一个月的。难道星座还和月份有关系?你没有猜错。十二星座最早的用处就是制定历法,1年为12个月,每月30天。历法的制定在农耕时代是极其重要的,它不仅让我们了解到日月五星的运行规律,还能够合理的安排年月日时等的时间次序。这样我们就可以熟知四季运行规律,有效地应用到粮食生产当中去,至少在那个年代,如何生存、填饱肚子是需要考虑的头等大事。每年3月21日,太阳进入白羊座,这一天被定为春分点,也被视为是一年的开始。原来的星座与宫是相对应的,但数千年过去了,由于太阳和月球引力的作用,地球的自转轴发生了变化,这就导致我们看到的黄道十二宫与原十二星座发生了分离,不再对应。现在当春分来临时,太阳进入的是双鱼座,而不再是白羊座。古巴比伦人的十二星座连同历法(月份)的创造为今天通用的计时系统奠定了基础,星空划分和命名原则一直沿用至今。

为什么七天是一星期?你有想过这个问题吗?我觉得大多数人不会去想这是为什么,因为你会把它当作一种约定俗成的、一出生就在使用的东西。就像一年12个月一样,谁会去关心呢?造成这种现象的最大原因,可能是今天人们过着富足、无忧的生活吧!我们超越了古人,至少不用再去过食不果腹的生活,可以向着更高的科学成就前进。不过,如果你想有所超越,你应该从身边的事物出发,善于观察,勤于思考,向你所了解但不知其原因的事情发问。

月亮的阴晴圆缺

                                                        图2.4 月亮的阴晴圆缺

星期这种计日制度就是苏美尔人在对月亮阴晴圆缺的观察中创造出来的。我们知道,月亮绕地球一圈即由缺到圆、再由圆到缺的循环过程为一个月,大约29.59天。在每个月的月初日,太阳、地球、月球几乎处于同一直线上,月球背面对着地球,所以地球上的人们看不到月亮。在剩下的28天中,苏美尔人发现由圆月至半圆月需要七天的时间,同样的,由半圆月至月消失、月消失至半圆月、半圆月至圆月,均需要七天的时间。所以,他们就把七天定为一个周期,并且用日、月、火、水、木、金、土这七颗星星为这七天命名,这就是“星期”的由来。星期制由犹太人传到古埃及,又由古埃及传到罗马,随后被广泛地传播到欧洲各国,并在工业文明时代传至全世界。

尼罗河的赠礼

你了解胡夫金字塔吗?就那个高146米的锥形建筑,你可不要小看这个高度,它可是建成4000年以来世界最高建筑,被誉为“古代世界七大建筑”之首。如果你仔细研究过金字塔的历史,你可能会发现,胡夫、哈佛拉和孟考拉三座金字塔和尼罗河的位置,对应着银河与猎户座三颗星的位置。有研究者认为,这可能表明古埃及人对天地之间关系的想象和对生命永恒意义的追求。

胡夫、哈佛拉和孟考拉三大金字塔

                                      图2.5 胡夫、哈佛拉和孟考拉三大金字塔

尼罗河流域孕育了辉煌的古埃及文明。游历过埃及的古希腊历史学家希罗多德曾感慨地称埃及为“尼罗河的赠礼”。为什么会这样说?是因为每年尼罗河的定期泛滥给古埃及人带来了天文学和几何学知识。为了生存,埃及人被迫调整自己的生产和生活活动与之相适应。每当尼罗河水位上升淹没了整个河谷,他们就迁移到高地上建筑房屋,等待河水消退;当河水消退时,他们就开始耕地、劳作,直到庄稼成熟。经过多年有规律的生产活动,他们基本掌握了河水泛滥的确切日期,确定了季节:三季,一季为洪水泛滥期,一季为作物播种期,一季为收获期。他们将每个季节划分为4个月,其实这也就形成了早期的历法,但是这种方法比较粗糙,还不精确。

你听说过天狼星吗?它是全天最亮的恒星。一般情况下,往南方天空看去,在地平面之上不高的地方就能看到。它与参宿四、南河三两颗恒星组成了著名的“冬季大三角”。巧合的是,每当天狼星和太阳共同出现在东方地平线上时(又称“天狼星偕日升”),尼罗河水就开始泛滥。聪明的埃及人注意到了这一不同寻常的现象,就把这一天定为一年的开始(这一天在公历的7月)。确定了一年的开始和季节的更替,埃及人也就开始着手准备它的第一部精确的历法了。

冬季大三角

                                                          图2.6 冬季大三角

注1:不知你是否注意到,什么叫做天狼星与太阳共同出现在地平线之上?我们知道,在地球上看来,天狼星本来就处于南方星空之中,而太阳每天周而复始地东升西落,难道不是天狼星每天都和太阳同时出现在地平线之上?这其实是一种错觉。古埃及人认为天狼星偕日升那天,在黑夜与白昼的交换时刻,太阳正升起的时候,太阳的光芒并不是最强,是能看到天狼星的,从而造成天狼星与太阳共同升起的错觉。同时埃及人认为,天狼星的光和太阳的光合在一起,这是夏季天气炎热的原因。

埃及人经过长时间地仔细观察,在公元前2781年前后,得出天狼星偕日升的周期大约为365天,再根据已确定的三季12个月,他们最终规定:一年共365天,分为三季12个月,每月30天,剩下的5天为宗教节日。后来他们发现这一历法每年会有0.25天的误差,但是他们并没有把这一误差补进去。

说到这里,让我想起了曾经在一门叫做“计量史”课上,老师讲到古埃及一年365天的历法不置闰日,他们发现每年0.25天的误差在1461年后总误差会成为1年,即365.25:0.:1,而这个1461年的周期被称为索特周期(又称“天狗周”)。这太神奇了!但是好奇心来了,这个周期是怎么来的?是通过计算得到的,还是观测得到的?在古代科技不发达的情况下能不间断的测量1461年吗?遗憾的是,从现在的记载来看,我只知这一周期的存在,但未曾找到证据证明这一周期的由来。

这让我想到了中国古代的四分历,它规定回归年的长度也是365.25日,这是中国古人进行了连续四年的日影观测取得的平均值。在《后汉书·律历志》中有记载:“日发其端,周而复始,然其景不复。四周,千四百六十一日而景复初,是则日行之终。以周初日,得三百六十五日四分日之一,为岁之数。”意思就是经过4年1461日后的日影和四年前的日影是一样的,那么就可得每年为365.25天。可见,古埃及人和古中国人都用自己的方法确定了一年的长度,只是所用时间长短不一样罢了。

注2:中国古代应用圭表测得的日影长短来判别方位、测定季节、全年日数、推算历法等;而日晷的应用,主要是根据日影的位置,来指定当时的时辰或刻数,是一种较为普遍的计时仪器,其功能类似于今日的钟表。

古埃及的历法,是世界上第一部依据太阳的变化并结合天狼星制定出来太阳历,是今天大多数国家通用公历的原始基础。公元前45年,古罗马的凯撒大帝依靠居住在埃及亚历山大城的索斯吉斯,引进了埃及历法,推行了每年为365.25天的儒略历。在公元1582年时,罗马教皇格里高里对儒略历进一步改进和完善,制定了格里高利历,并重新规定了置闰的方法,规定每年为365/366天,400年置97闰(比如公元1600-2000年间,每4年为一闰年,每年366天;但是1700、1800、1900这三年为平年,每年365天),这便是现在大多数国家通用的公历。

大地形状的初识

1519年9月20日,葡萄牙人麦哲伦在西班牙王室的资助下开始环球旅行。他带着265名海员组成的队伍浩浩荡荡地驶入了茫茫大海。先是到达了美洲南端,然后进入了太平洋,途径菲律宾群岛。尴尬的是,麦哲伦想征服菲律宾的土著居民,但他也因此丢了性命。他的丧生并没有让剩下的船员失去重返家乡的斗志,终于,经过了3年的漂泊,仅剩的18名船员驾驶着最后一艘帆船回到了西班牙。麦哲伦没有看到这一幕,但是他完成了航海史上的一次壮举,也可以说他用实际行动证实了人们千年来关于——大地是球形——的猜想。

这一切还得从古希腊说起。希腊人很早就认识到我们脚下的大地不是平的,而是一个球形。但是他们最初得出这个结论并不是像麦哲伦一样来一次环球航行,他们没有这个条件。他们是从哲学的角度产生的这个想法,是的,希腊人很聪明。举个例子吧!希腊的毕达哥拉斯学派曾认为球形是一切几何图形中最完美的,是最简约的图形,所以他们认为大地、甚至宇宙天体都是球形的。这样有点随意吧?

这种哲学意义上的猜想终究还是要在实践中得到验证。如何实践?观察,有目的、有计划的观察。这种观察不是说你只用准备你的双眼看就可以了,而是要有思考,必要时还要有测量。希腊人很好的做到了这一点,他们也获得了一些观察上的论证,尽管这些在今天看来还不足以支撑“大地是球形”的猜想,但是在当时已经足够了。

不知你是否也做过如下的观测呢?当帆船出海时,站在岸边,你会看到船体逐渐消失,桅杆后消失,返航时桅杆先出现,船体后出现;在地表面向北方向远行时,会看到北极星升高,向南远行时北极星降低;在地表面向南远行时,南部天空原本看不到的星星会逐渐从地平面升起,北部天空看得见的星星会逐渐消失,向北移动时情况相反;月食时,投影在月亮表面上的阴影的边缘总是圆弧状的;月亮是圆的,太阳也是圆的。自然界的这些现象勾起了古希腊人的好奇心,在当时希腊人能有这样的观测和认识,真让人敬佩。

你可能想不到,希腊人不仅在观测方面认识到了大地是球形的,还具体测量了地球的周长。

在公元前3世纪,古希腊亚历山大城的埃拉托色尼坚信地球是球形的,他成为了历史上首次测得地球周长的人,时至今日,他的方法仍在使用。他是怎么做的呢?每年6月21日是夏至日,太阳光几乎直射到北回归线(在北半球,太阳能直射到的最远的位置,位于北纬23°26′上)上。埃及南部有一个名为塞恩城的地方,在夏至日正午时分,太阳光会直射进城中的一口深井里,不会留下影子。这就说明塞恩城位于北回归线上。

埃拉托色尼

                                                       图2.7 埃拉托色尼

巧合的是,埃拉托色尼所在的亚历山大城与塞恩城大致位于同一子午线上,并且他观察到了亚历山大城中有太阳照射到房屋、树木上的影子。于是他意识到,如果测量出太阳光投射到亚历山大城一个垂直杆子上的影子的长度,就能得到太阳光与垂直杆之间的夹角(测得为7°);如果再知道亚历山大城和塞恩城的直线距离(测得为5000希腊里),就可以推测出地球周长了。最后,他测得地球周长是25万多希腊里,按照现在的换算单位可得周长为39690千米,相当接近于它的实际值。

测量大地周长的解法图

                                               图2.8 测量大地周长的解法图

注3:如图所示,θ角即为太阳光与垂直杆之间的夹角,根据平行线的性质:两条平行线被第三条直线所截、同位角相等,可得亚历山大与塞恩城之间SA弧所对应的圆心角SOA的角度为θ,按照比例360°:7°=x:5000,就可得周长x=257143希腊里=39690千米。

埃拉托色尼被誉为希腊地理学之父,他测量地球周长的实验也因此成为经典。在今天复杂的学科背景下,他所使用的方法确实简单至极,但是这个简单的方法在当时却得到了几乎是天文数字般的数据。他不仅独创了地理学,同时还将天文学、几何学等融入到地理学的研究之中,这对于我们今天的知识交融也起到了很好的借鉴作用。

-完-
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本文作者想介绍天文学发展历程及相关知识、古今中外科学大师的主要科学成就特别是与天文学相关的成就的意愿非常强烈,而且努力用通俗易懂的语言来阐述,这些都很值得肯定。由于太想全面、系统地进行介绍,似乎忘了这是写给谁看的,重点内容、主线、主要的读者对象都不够突出。对古代的科学大师及相关成就介绍的篇幅在全文中占的比例也偏大了。

2018-01-24 15:18 匿名 ——

一篇主要介绍太空观测历史的科普文章,开头用FAST引出现在人对宇宙的观测,然后追逐人类的对于宇宙观测的历史。文中科普了很多古代天文学家和一些古人对于宇宙认知的理论。文字通俗易懂,传达的科学信息也基本正确,是篇还不错的科普文章。

2018-01-25 14:49 匿名 ——

作者用朴实流畅的语言,介绍了近7000年天文学发展史上走在前列的科学家、哲学家,以及他们的科学精神、科学思想和方法,同时用大量的篇幅介绍了关于时空的测量、万物本原、浑天说、日心说、恒星的演化、大爆炸宇宙论等等理论,并在描述时融入自己的思考。可以看出,作者在写作之前做了大量功课,是下了一番功夫的。 但是,作为科普文章,“漫话星空”这个标题太大,作者希望读者籍此文了解星空的方方面面,却恰恰失去了重点,给人感觉是泛泛而谈。若不是星空迷,这长篇大论的,很难一口气读完。话说回来,若是星空迷的话,这些知识恐怕早已了解。 建议作者在今后创作科普文章时,选取一两个科普点,用细节、用人物、用故事去阐述。

2018-01-28 20:50 匿名 ——

科学史是科普的宝库,也是科普创作值得推荐的起步经验。由在校大四学生撰写的《漫话星空》,体现了作者对与天文学史掌握的全面性。古代天文学研究最重要的使命是确定时间和空间,在时空测量方面,作者讲述了古希腊时期和中国古代如何测量大地形状、研究尼罗河泛滥、十二星座、圭表测影、测量地球周长等;在宇宙的组成方面,从古希腊哲学家朴素的四元素论,逐渐发展到原子学说和元素周期表的出现;在宇宙观方面,讲述了中国古代的盖天说、西方的地心说、日心说,再到现在的宇宙大爆炸理论。作者对这些从古到今的科学史娓娓道来,传递出科学并非真理,而是不断更新、不断演化的认知过程。本文的一个特色是,多处恰到好处地引用了南仁东、爱因斯坦等中外科学家的经典语句,为本文增设不少。

2018-02-08 23:46 匿名 ——

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