第一章 天空中的地球

本书是为喜欢了解周围的事物,且对于宇宙的情况想没有太多的付出就可以得到一些基本的、明确的概念的读者而编写的。我们是在什么东西上行走? 地球在无限空间里占有什么地位? 维持地球上的生命的太阳光是什么? 我们头顶上的天空是什么? 黑夜里发光的星星是什么? 要想得到解答这些疑问的知识,并不是无益的。如果没有关于宇宙的基本知识,我们便只能永远受着自然界的影响而不明白其原因。这样的基本知识,我们不但可以不太费神地获得,而且还可以从学习中得到无穷的趣味。天文学绝不是孤僻的、高不可攀的科学,它是和我们最接近的一门学问,在我们的一切知识里它是最需要的,同时它能使我们入迷,给我们无比的快乐。我们不能漠视天文学,因为只有它才使我们明白,我们在哪里,我们是什么,而且它并不像有些学者所说的那样,使你认为它充满了数字。数学的公式不过是像建造华丽宫殿的架子,当架子一经拆掉,这神圣的殿宇便在天穹上放出光辉,在惊奇的眼睛里,显现出它的伟大和辉煌。

这并不是说阅读这本《大众天文学》一书的人就不需要专心致志。这样的书虽然比一本小说更真实、更亲切,可是唯有你细心地去读,书中的基本概念才能成为你经久不忘的科学知识。读一本小说,有时候到最后一页,读者还是和开始一样,没有得到什么知识;可是任何人读了一本科学书,都会扩大他的认识范围,提高他的判断能力。我们简直可以说,在我们的时代里,如果一个人对近代天文学的伟大成就一无所知,那么他就不能叫作一个受过教育的人。

但是只需要稍微改变一下情况便不会有天文学了:如果我们的大气中水汽的成分稍微多一些,使地球披上浓云的外衣,或裹上一层不透光的被盖,把天穹和它上面发光的星星完全掩蔽起来,于是我们就生活在永恒的浓雾里,对于天上奇妙的现象全无所知了。这样一来,我们人类的生活、意识和哲学一定会和今天大不相同。

研究星辰的科学已经不是少数专家们的秘密,天文学启发了一切人的智慧,并且揭示了自然界。这说明如果没有它,人们便不知道自己在万物中所占的地位。即使是粗浅的一点天文学知识,也是人们所需要的,因为今天每一个人都有必要了解宇宙的真相。

天文学给我们揭示的一切真相里,对于我们来说,最重要而且也是使我们最感兴趣的,首先就是它说明了我们所居住的地球是一颗行星,并且说明了这颗行星的形状、大小、质量、位置和运动。要研究天,最好先懂得地,因为地球是和我们最接近的。古代天文学的发展,就是从研究我们地球的位置和运动出发的,但是必须依靠近代天文学,我们对于这颗行星才有确切的认识。天文学的观测表明:地球绝不是宇宙的中心,它在时间的洪流里,奔向一个我们不了解的目标,它迅速地旋转着,载着它表面上生死不已的人类在太空运行。

几千年来,人类关于地球的性质和它在宇宙中的位置以及宇宙的一般构造的认识是错误的。假使没有天文学,人类的有关认识到今天还会照样错下去。即使在今天,也还有许多人由于缺乏天文学的基本知识,对于我们居住的世界存在着荒谬的看法。

现在,上小学的孩子们很容易说出“地球是圆的”这个真理来。可是他们却想不到,人们经过多大的努力,借着几何学和天文学的帮助,才发现了这个真理。

我们放眼望去,大地是一个广阔的平原,它的表面有各种各样起伏的地形:青翠的山岭、美丽的峡谷、高耸的山脉、蜿蜒的河流、明媚的湖泊、辽阔的海洋以及千变万化的原野。大地又好像是固定地稳稳立在永恒不变的基础之上,上面是阴晴变化的天,它又好像是宇宙的不可动摇的基石,日、月、星辰都似乎在围绕着大地转动。根据这一切表面的现象,人们很容易相信地球是宇宙的中心,它是为了人类的居住而被创造出来的。这种浮夸的看法,只要没有人提出异议,就很可能长久地被人类保留下去。

原始人愚昧的生活经历了漫长的岁月,他们以全部精力忙于寻求食物。后来,他们的智力逐渐发展起来,想方设法地防备自然的灾害和抵御仇敌的袭击,以及增加他们物质上的财富。智慧是慢慢发展的,直到有一天,在东方宽阔的原野上,有人开始观测星辰的运转,于是就诞生了天文学〔引起天文学发展的主要原因,是我们想了解天文现象对于劳动生产的影响,而不是少数人因好奇而观测星辰的结果。——译者注〕。起初,只是一些牧羊人在黄昏日落、黎明日出时注意一些简单的天象。例如,月亮的盈缺,月亮比太阳和星辰晚一些升起,布满繁星的天空在我们的头上缓缓地变化,行星在星座里的运动,流星好像从天空中飞了出来,神秘而可怕的日食和月食,奇怪披发的彗星,这一切便是几千年前古代人观测研究的对象。天文学是最古老的科学,远在有文字以前,人类已经研究天象,还创造了一种原始的历法。原始的观测记录因战争而遗失,现今所保存的年代最久远的观测,首推中国历史的记载。例如,公元前2679年的新星,公元前2316年的彗星,等等。中国人还记下了公元11世纪冬至日太阳是在宝瓶座β星附近,而现在它却在人马座γ星附近,相距之差有40多度。古埃及人在公元前4200年左右已经有相当完备的历法,他们把惯用了几千年以360日为一年的历法改为以365日为一年的历法。 7天为一个星期的周法,也有了它在天文学上的根据。虽然它在公元3世纪才传至欧洲,虽然一周7天的名字和每月的名字一样,字源同样出于拉丁语,然而事实上,远在公元前许多年前,星期的制度已经创始于犹太或巴比伦了。这7天的命名,是根据古人所知的7颗运动的星辰:日、月、火、水、木、金、土。假使那时候人们已经认识我们在1781年、1846年和1930年陆续发现的天王、海王和冥王〔2006年8月24日国际天文学联合会大会的决议通过:冥王星被视为太阳系的矮行星,不再被视为大行星。——编辑注〕这3颗星,也许今天的一个星期是10天,而不是7天。时日的划分若有了差异,对于社会的组织就不能没有影响。

公元前800年左右,大约在荷马时代,人们以为地球的周围环绕着名叫俄刻阿诺斯( Okéanos)的海洋。海水充满下面的半球,只有上面的半球才对着天。太阳(赫利俄斯, Hélios)每晚落在这海里就熄灭了它的火,在海洋深处洗了一个澡以后,第二天早上重新点燃了它的火。

古人根据表面的观察,以为夜晚星辰闪烁的天空和昼间阳光普照的天空是两样的。如果那时有人敢说,白昼的天空也充满了星星,正和夜里一般,只是因为太阳的强烈光辉将星光掩蔽,我们才看不见星星,那么这个人一定是一位有才、有胆的理论家。

不久,人们便注意到太阳、月亮、行星、恒星都有东升和西落的现象,而且在落下去和升起来的时间间隔里,这些星辰都应该从地下面经过。地下面! 这三个字具有多么大的革命性的意义啊! 一直到了那个时候,人们还总以为我们脚下的地是无限的深厚,它一定是建立在坚实的基础上面,否则他们便不能设想为什么地是这样的稳定。可是,星辰在我们头上所走的弯曲的路径,既然在它落下地以后仍然继续进行,到第二天再从地下升起,那么我们便应该设想地下有广大的走廊,使天上的这些火炬通过。有些人以为地像一张圆桌,立在12根支柱上面;又有人以为地像一个圆顶,载于4个铜像的背上。但是世界需要支撑的这个看法,不管支撑的东西是柱、是铜像或是山,总不能消除掉疑问,因为这些支撑的东西也应该有它们的基础。天穹好像围绕着我们在旋转,于是使地球稳定的这个支柱便无处安放,而不得不打消有支柱的这个见解,因此,我们便不能不承认地是悬空无靠的。如果我们相信第欧根尼( Diogène de Laërt)的话,这便是阿那克西曼德( Anaximandre)在公元前500年左右所得出的结论。我们有理由把认为地球是悬空的这个看法当作是天文学上的一个大发现。与荷马同时代的赫西奥德( Hésiode)以为地是一个圆盘,处于天穹和地狱之间,其间的距离曾经被伏尔甘(火神,Vulcan)所测定,他的砧从天穹落到地面需要九日九夜,再从地面落到地狱也需要同样长的时间。关于宇宙构造的这种见解,在许多年代里一直支配着人们的思想。但进步的火炬已经点燃,便不会熄灭。地理学的发展与对月食的观测(图4)证明我们所居住的世界确实是一个球。于是人们便想象这个伟大的球处在宇宙的中心,别的天体——月亮、太阳、行星和恒星,从现象上看来,都围绕着地球,依照大小不同的圆周转动。

近年来,我们对于地是球形的这个论断已经得到直接的证据,这便是从很高的一点拍摄地平线的照片。 1935年有人用上升到平流层的气球,在高出地面22千米处拍照,最近更有人用火箭载着照相机射到100千米高处去拍照(本篇封面图,即图1) 。地平线的曲率在这第一张照片上已经可以看得出,在第二张照片上,更是非常的明显(参看本篇第七章)〔1961年以来,载人宇宙飞船已经从更高处拍摄了许多地面照片。——校者注〕。

天文学家细心观测天体的视运动已有2 000年的历史。在研究的过程中曾出现过很多奇特的不能解释的复杂问题,这些问题一直到他们明白自己对于地球位置的认识是错误的(和过去他们认为地球是稳定的一样)时,才获得了解决。不朽的哥白尼( Coperni-cus)反复地讨论了在他 2 000 年以前的古希腊人,如希塞塔斯( Hicetas) 、埃斯方特( Ecphante) 、斐洛劳斯( Philolaüs) 、柏拉图( Platon) 、赫拉克利特( Heraclitus)和阿利斯塔克( Aristarque)等提出的地球运动的学说,这一学说曾于1440年被尼科拉·德·曲萨( Nico-las de Cusa)主教重新提出,但总是不被人们接受。这位博学的波兰僧正(即哥白尼)在1543年与世长辞时,给科学留下了一本巨著〔指《天体运行论》 ( De revolutionibus orbium coelesti-um),旧译《天旋论》〕,明确地揭露了人类对宇宙长期的错误认识。

地球在24小时内绕着自己的轴转动一周,由这一运动所形成的现象,便是天穹围绕地球转动一周,这是哥白尼所说明的第一个真相,而且从此就被肯定下来。这也是我们首先要考察的事实。上面已经说过,我们对于天文学的学习,将从研究地球在空间的位置和它的各种运动开始。

地球绕着自己的轴旋转,不过是它的一种运动。它被太阳的引力控制在一个轨道上绕着太阳运行,日地平均距离是1. 49亿千米,在一年内绕了一个约有9. 4亿千米长的大圆周。

我们的地球要在日里绕这样大一个圆周,它在空中运行时,一天要走257万千米,一小时要走10. 7万千米,一秒钟要走30千米,这是很容易计算出来的。

我们在空中运行的速度比最快的火车还要快1 000 倍,而火车比乌龟要快1 000 倍。如果我们开出一列火车去追赶地球,那正像一个乌龟去追赶火车! 我们的地球在天空中运行的速度比炮弹的速度还要快30倍。

假想有人在空中距离地球轨道不远的地方,看见一个渐渐增大的星球滚滚飞奔而来,盖住了整个天空,然后又向空间深处飞驰而去,他该是怎样的惊诧!

我们住在这样一个运动着的球上,差不多就像附在射击到空中的炮弹上的灰尘一样。空气、水和我们周围的一切都参加地球的各种运动,所以除了去观测那些不参加这些运动的星辰以外,我们是不能够证明有这些运动的。这颗载着我们的行星的运动,既不受摩擦,也不会碰撞,绝对沉寂地在永恒的天空中运行着,这是多么奇妙的结构啊! 地球在它理想的轨道上庄严地运动着,比在澄静的湖面上划行的小船还要轻盈。

撇开现象不说,且来谈谈真相。地球实际上是一颗天空中的星,正如月亮或别的行星一样。行星的光都是反射太阳的光,实际上别的行星并不比地球明亮。在宇宙间,从远处望地球,它就像一面明亮的圆轮;再远一些看去,它就成了一颗星。在金星上看地球,它将是天空中最明亮的星了。地球围绕太阳的公转运动,使我们有季节、岁月的循环。它绕轴自转的运动使我们有昼夜的更替。我们对于时间的划分,就是根据这两种运动而来的。假使地球不动,假使宇宙静息,我们就没有时、日、星期、月、季、年和世纪了——可是宇宙是运行的。

我们刚才所说的两种运动对于我们是最重要的,但是地球却不仅仅只有这两种运动,事实上地球在天空中运行还有许多别的运动。我们现在举几种主要的来谈谈:

第三种运动是因为有月亮的存在,它把地球拉出绕太阳运行的轨道。事实上这个理想的轨道是地球和月亮两个天体的重心所走的,地球绕着这个重心每月转一周。这重心离地心约有4 660 千米,所以在地面下1 700 千米的地方,并常和月亮在相同的一边。因此地球的第三种运动使它每月走一个轨道,不过这个轨道的直径只有9 320 千米,比它绕太阳公转的轨道实在是微小得多。这种位移就是形成所谓太阳的月角差〔这几节内所用的专门术语,读者不必急于去求了解,因为这里不过是一般的叙述.以后一切专有名词都有详细的说明〕的原因。

地球并不像地面上滚动着的球那样,常常使它自己的旋转轴维持在水平面上;地球又不像在地板上回旋的陀螺那样,经常维持着自己的垂直的轴。地球的轴总是维持在一定的方向上,它的北端时常指向天空中接近北极星的一点,并且和地球绕日公转的轨道斜交。换句话说,地球的赤道和地球轨道平面(黄道)是斜交的。极点在众星中并不是绝对固定的,因为地球的轴好像一根指着天的拇指,经历若干世纪才缓缓地绕过一个圆圈。极点的转动之慢,大约需要2. 6万年才能绕行一周。地球的这种长期运动,叫作二分点的进动或叫作岁差。这便是地球的第四种运动。这种运动,比起上面所说的三种运动,实在是缓慢得多了。这种运动是由于太阳和月亮两个天体对地球赤道突出部分的作用而产生的。

第五种运动和第四种类似,是单单由于月亮对地球赤道突出部分的吸引而产生的,这叫作章动∙∙。它使极点在众星中移动,和岁差相似,不过轨道是一个很小的椭圆,大约需要18年零7个月才绕行一周。

第六种运动使黄道与赤道的交角缓慢变化。这个交角现在是23°27′,比直角稍大一些,但这个交角现在正在逐渐地变小,将来又会大起来。这种长期的摆动,叫作黄赤交角的变化。

第七种运动使地球围绕太阳所作的曲线产生变化,这条曲线不是正圆,而是稍扁的椭圆。随着不同的世纪,这个椭圆时多时少地接近于正圆。这种运动叫作偏心率的变化。

在这个椭圆上,太阳占着它的一个焦点。在轨道上和太阳最接近的一点叫作近日点,现在地球大约在1月2日经过这一点。第八种运动便是使这一点移动。公元前4000年,地球在9月23日经过这一点;1250年,地球在12月21日经过这一点;今后,在公元6400年的3月21日、在公元11500年的6月21日经过这一点;最后,在公元16000年(即自公元前4000年算起,经过了200个世纪) ,近日点才重新回复到公元前4000年的位置。这种运动叫作近日点的长期变化。

虽然我们讲了这么多的运动,可是还没有说完。

第九种运动是由于行星变化的吸引力所引起的。我们的邻居金星和庞大有力的木星起着主要的作用,它们干扰了地球的公转轨道,造成各种各样的摄动。

因为太阳应该围绕太阳系的公共重心而运动,这样就移动了地球公转的中心,于是使地球发生了第十种运动。

第十一种运动比以上的十种更令人注目,它使得太阳越过星空,地球和别的行星也随着太阳同时越过星空。自有地球以来,它从来没有两次在相同的位置上,它也绝对不会再回到我们现在所处的位置上来。我们在星空中沿着无穷尽而且时常变化的螺旋圈而运行。还必须指出,地球随着太阳在银河系里转动。所谓银河系,是指由1 000 亿个太阳组成的星系,它和别的以亿计的类似的星系分布在空间里。也许银河系在所谓总星系里,也是同样地在转动着。

最后,地球本身也在改变它自己的形态,这是它作为一个行星在不断地运动中所不可避免的结果。就以我们生活的短时间的尺度来说,这些变化,有日、月的吸引力所引起的潮汐,周期地不但吸起海面,也吸起了陆面;主要的气象现象,使大气里的空气团和水汽团移动;从地理纬度的变化而发现地极的移动,虽然微小,但却存在;还有地球自转速度长期的、不规则的和季节的改变以及地震、火山等现象。以地质史的长期尺度来说,这些变化有因地壳的变形造成了山岳,再因流水的冲刷削平了山岳,海洋和大陆的变迁,沧海桑田的改观。总之,在几亿年之间,地球的面貌已经是大不相同了。