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8 K t5 L' f1 c3 D* Y 1、立表测影
; l) E w" ?4 ~, U/ V9 _! S 中华天文人使用圭表立表测影,圭表由两部分组成,垂直立于平地上的标杆称为表,水平放置的测影尺称为圭,两者以直角相接。 / [7 |8 x; {& ~6 i1 g* ]
室外立表,可得日影,日影的长度,可通过圭上的刻度读出。
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圭表的最早实物出土于山西襄汾陶寺夏代或先夏时代的遗存,至迟到到西汉时候,一种建置于露天的常设圭表开始出现。这类仪具以青铜制成,表高八尺,圭长一丈三尺。 7 ~5 D* t, K1 }' R/ N/ M6 Q) _) ?' E5 S
在北回归线以北使用圭表,一年中的冬至时,太阳照射地球位置最南,北回归线以北表影最长,一年中的夏至时,太阳照射地球位置最北,北回归线以北表影最短。 & X) u# `9 ^0 D7 Q7 S# `) C
通过圭表每日记录日影长度,通过多年累积的记录,便可确定冬至和夏至最可能出现的日期,进而确定二十四节气的日期。
+ J& E! T: T/ u8 e7 i5 R- W: k* C$ F 2、中华日影记录数据支持大地是个球面
* ?. V) D+ }( v1 D' x2 _ 选择春秋分,太阳直射赤道(纬度0度)时,天下立表测影,通过各纬度的日射倾角来分析:大地是个球面还是平面。 $ q2 k" f, s" {0 }5 s ?
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当阳光直射赤道的时候,在任一地点立表测影,得到的日射倾角度数,与当地的北极星出地仰角求和,都是90度。这是因为北极星对应的地轴垂直于赤道平面。 6 N& v: v& M; o
如阳光直射点北移到北纬10度,在直射点北方任一地点的日射倾角就会增加10度;
- | V# Y2 T2 r& }2 e& b0 l# v( T 如阳光直射点北移到北纬20度,在直射点北方任一地点的日射倾角就会增加20度。
% P; Q/ z/ l |1 Q' c6 y 你会说:这不是很正常吗?——这是与大地是滚圆球面对应的很正常。 % a# i. K/ x8 |9 n7 `7 m, N
在所谓的平面大地上,日射倾角可不是这样变化的。 2 D9 F. q1 u' j" x
我们假设在平面大地的北纬45°处有一个天文台,当太阳直射赤道的时候立表测影。日光如箭,如日影角度也是45°,可绘制下图: * R8 A4 Z& Q, w) a
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太阳高度距离平面大地的距离L,等于这个天文台到赤道的距离L。
& O7 C2 S& ]& w0 z D( x1 E 对这个平面大地,如阳光直射点北移到北纬10度,计算日射倾角等于arctan(45/35)=52.125°,增加了7.125°;如阳光直射点北移到北纬20度,计算日射倾角等于arctan(45/25)=60.945°,增加了15.945°。 0 v4 e% W% z; U7 B
推论:中华天文人士,通过日影长度变化计算日射倾角变化,就可推算出脚下的大地是个球面,不是个平面——平面大地上的日射倾角和日影长度与实际测量值不相符。 1 K' I: t6 }6 p: I e4 v, e
见下表: 3 |; u" s9 ?3 \" S
' }) k% l/ h+ W7 b! V# b 对每日观测日影的中华天文人士来说,要确定大地是个球面还是平面,就是这么容易。
2 N# Q2 D d+ J- O4 p" y+ D 3、圭表测天地
" f; S* F5 u! h8 z 上面的大地不是平面而是球面的分析,转发给别人看。有人答复说:古人是把大地看作在龟背上,是当作一个曲面。 5 Y! A- h% ~4 U+ X, i
大地到底处在球面上还是龟背曲面上,靠圭表测量来验证。
: C y- \0 ?8 {0 r* V5 {' [" z% e) } 由于地球自转轴垂直于赤道面,在赤道上做立表测影,直指向地心的表,与正午太阳光线平行时,水平放置的圭,正好指向北天极——圭表,是中华天文人在使用最简单的天地模型,做观天测地研究。 ! F# d( {: I/ a' N+ ^/ t2 g9 q) d9 x
不管在大地上往北走多少距离,只要表垂直指向地心、圭是水平,各地北极星出地增加的度数等于日影入射减少的角度数,北极出地角与日射仰角求和,都是90°。见下图: ) X H. k* @7 B
9 g) y4 N) c! c y* ?1 C6 B 而在龟背曲面上立表测影?就有以下两个问题: * H K. V! {3 y8 A" N1 s
1、龟背曲面不存在唯一地心可做测量中心,龟背曲面上的立表测影就无法指向一个中心。 9 J2 e! A6 Z+ b0 z
2、龟背曲面不存在自转轴与赤道面垂直,就没有“向北走,北极星出地增加的度数等于日影入射减少的角度数”这个规律存在。
' U# h" M4 }$ Z) |2 ~, o' p9 k& ]$ C' ` 在龟背曲面上的立表测影的日影长度,与浑圆球面上的立表测影会处处不同——原理上,从南到北测量一次就都清楚了。 # H+ U) ~0 i6 s8 s- {/ N, o
中华立表测影的规律找到了,跟着就是实测,四海测验。
7 U1 Z* z% f/ j- \- x2 d 4、四海测验可验证大地滚圆 " j( ~; v5 k2 ` k' }
西方人传说中是怎样去验证大地是圆的?所谓麦哲伦船队,最后有十八个人,在大海中环绕大地一圈回到西班牙,可用来证明大地是圆的。
7 n6 n! {, ]1 t6 D% Q4 M 这一圈的证据够吗?
& k5 T: X3 ^/ s3 i 这一圈,它可以是圆柱面绕出来,也可以是圆锥面绕出来,还可以是圆环表面绕出来。甚至任意形状立方体,都能围它绕一圈回到起点。 % V) t7 y/ c- k% [( n
证据不足。
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; [9 T- o7 _2 N8 |' o 西方人绕一圈,不能证明大地的形状,不能证明大地的滚圆。 接下来看看中华天文人做了什么来证明大地滚圆的:2 I p2 |% y% O; n
《郭守敬传》中四海测验的故事: 0 f- x. u& b( }+ S M, }
公元1279年(至元十六年),元朝天文学家郭守敬(1231-1316)为同知太史院事时,向元世祖忽必烈提出在全国范围进行大规模天文测量的建议。他指出唐朝开元年间天文学家僧一行曾命令南宫说带领人员,在全国13处观测点进行天文测量,现今元代的疆域比唐代还大,若不分赴各地进行实测,就不能了解日月食的时刻和食分数,各地昼夜长短的差距,日月星辰在天球上的位置等等(唐一行开元间,令南宫说天下测景,书中见者凡十三处。今疆宇比唐尤大,若不远方测验,日月交食分数时刻不同,昼夜长短不同,日月星辰去天高下不同,即目测验人少,可先南北立表,取直测景。) 8 y# O" T6 ?- { A* W
元世祖忽必烈接受了郭守敬的建议,派监候官14人分道而出,在东南西北27个地方进行四海测验,(帝可其奏。遂设监候官一十四员,分道而出,东至高丽,西极滇池,南逾朱崖,北尽铁勒,四海测验,凡二十七所。) x: s2 f$ v9 D; b1 |7 h0 G" z& S
3 O* f; P3 U; \% u8 q7 V- N “四海测验”从朝鲜半岛到川滇与河西走廊。南北总长5000多千米,南起北纬15度,北至北纬65度。东西绵延2500千米,东至东经128度,西到东经102度。
" K+ X. n9 j- I6 k( S 第3节“圭表测天地”中,我们找到“各地北极星出地增加的度数等于日影入射减少的角度数,北极出地角与日射仰角求和,都是90°”的规律,就是每向北走纬度10度,北极星出地高度增加10度,立表测影得到的日射倾角减少10度。 2 k( X C: Y* C+ Y- }
在《授时历》中的记录的七处的夏至日影长度,这七处地点的北极星出地角度,大家看看? , O; \1 g& q: R1 f: l, a/ o) z7 u
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在最南端,北极出地15度的南海开始,25度、35度、45度、55度、一直测量到北极出地65度的北海(再往北是北极圈,日影没的测),每向北10度设一测量点,再加上大都测量点共七处。
; m6 S8 F/ C3 F$ p- N; [6 n 郭守敬选择的测量点,每隔10°一测(365.2575周天度体系)。这就是个理工男在做实验,可丁可卯地选择测量点。 % S6 F& }$ n2 D* W
将四海测验得到的日影数据和昼夜时长数据整理如下:
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四海测验记录的七组立表测影数据,衡岳测量点是接近北回归线,在夏至正午应有接近89度的日射倾角,四海测验却记录“无影”。而其它测量点的日射倾角也存在1~2°的偏差。这有可能是在根据北极星出地角度确定测量点时出的偏差,也有可能是立表不够竖直出的偏差。 ) m& |! A ~8 M( w4 G/ R( i4 s
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但整体看这组立表测影数据,仍能够表明大地是处在一个滚圆球面上——所有立表对应共同的地心,才会每向北走10度,太阳的光线倾角减少10度——这不是比环游地球一圈来确定大地形状更加可靠吗? . F& T$ V- e1 {, u0 c2 l) O0 W
现在,你明白郭守敬为什么在《四海测验》的27处测验中,只列出这七处的日影观测长度了吧?
7 w9 ~% d% E$ r6 C/ l 因为这七处日影长度记录,可用来证明大地处在一个滚圆球面上。 . a: x5 w8 y( |: T7 W0 P
这就是中华天文人观天测地,领科技文明之先。 0 e4 n! w, ?! p0 S" B
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1 s2 q( f% U* A& n i/ ^+ Y- G1 X 元朝时的中华天文人,既然已经推算出来大地是球形的,为何不把推算结果公之于众,向所有人声明地球是圆球呢? ' l" D/ ~! [- ?8 C( H7 G
因为,地球是圆球,牵扯出来的问题比能够解释的问题还要多。 8 r$ O1 D' s4 h6 h$ \6 Z" F1 i4 P
1、最典型的问题,为什么地球浮在空中,地球上水不流干了。答案:万有引力。地心引力吸住了地球上的所有东西,让水不流干。
, V8 j0 X3 Z' j% E( I2 t 下一个问题:万有引力是从何而来?——这就难死所有人,包括所有物理学家了。引力好像与物体的质量有关,但引力从何而来的?是怎样跨越长距离实现牵引的?仍是谜,无解的谜。
& W' g2 L/ v4 u& n+ G" \ 爱因斯坦的广义相对论尝试着用时空场来解释,但好像解释过了,最终还是没解释清。相对论时空场引出的待定问题更多,到了无法理解的程度。 3 C* W. {) D. \* O
相关问题尚不可解,中华天文人不会急着将推算出来的地球是圆球说给世人听。
* w) J5 s6 G; _: R' h# l 2、地球的自转,坐地日行八万里。这就是处在赤道上的人和物体,以每小时
3 n( L+ ^) g, }& d 1679.3公里,每秒466.5米的线速度自西向东旋转(超音速)。
: w* A3 i" A# j 要是中华天文人计算出来了地球周长,地球转速就跟着出来了,他该怎么向大众解释这个旋转速度?只凭计算结果,谁会相信脚下的大地超音速旋转?却又是感觉不到?却又不能用仪器测量地球转速?
" O6 G; @9 F. |* u& q6 [ 如果脚下的大地在做匀速直线运动,还可以用“惯性”共同运动勉强解释一下,可脚下大地在做旋转运动。是什么带动你旋转的呢?是大地的附着摩擦力吗?(佛科摆实验,正是靠物体惯性证明不跟着地球自转的物体会逐渐偏斜)。
. R, e n) J& e# r' z" L V 空中的空气、云,还有脚下的水,都稳定跟随大地的旋转,没有相对运动。又是什么在推动空气、水随地球向东转? + C- P. x+ t4 k
如果用孔明灯/热气球飞上天空,脱离大地了,一样看不出大地哪里有每秒466.5米的相对运动。孔明灯/热气球的重力与空气浮力在上下方向平衡了,那孔明灯/热气球的向东转是被空气推着向东旋转?水中的船的重力与水的浮力在上下方向平衡了,那船是被水推着向东旋转?
7 w2 U9 Q- |9 m 在北纬60°位置,地球自转线速度比赤道少一半。那热气球往南飞,船往南走,旋转速度的增加是谁带动的?那热气球往北飞,船往北走,旋转速度的减少是谁带动的? : i2 Z, n m4 x9 m2 N. W
3、地球绕太阳公转轨道总长度是940,000,000公里,与一年365天5小时48分46秒的时间相除,可得出公转线速度是28.787公里/秒。地球以这样的速度高速公转,是不是更吃惊了?这都超过第三宇宙速度16.7公里/秒了。
; m$ Z) K9 m Q7 P) ]7 [ 典型的疑虑:地球高速运动,公转又自转的,不会不稳吧?
' D6 R. Z$ q% z( L 能怎么回答?因为地球高速自转,所以地球自转轴保持稳定。因为地球高速公转,所以地球不会被太阳吸过去——这个回答能消除对“不稳”的疑虑吗?——解释不清地球为什么这么稳的。 2 ]1 j0 \+ s% [ Q0 |
对于金星、木星、水星、火星、土星这五大行星绕日及月亮绕日,也有同样的稳定性问题。也是解释不了过去N亿年行星和卫星都稳定画圈,既不靠近太阳也不远离,只能说过去N亿年运气太好了。
4 W: M8 o9 \3 w 难题太多,元朝时的中华天文人宁愿保守一点,自己先开展研究,有结果了再公布。
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