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1、立表测影
% v. s: ?3 I8 \2 j" }5 \ 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。 * y5 s; c5 r! B- S/ B4 A6 A
室外立表，可得日影，日影的长度，可通过圭上的刻度读出。 7 `( O$ y- h/ Z- f9 A
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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。
3 R! T! ^) N A5 [% `6 f/ Y 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。 6 Z; S5 I( d, G5 S, }# a- J
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。
- N% x) F* R+ J+ G' G. ? 2、中华日影记录数据支持大地是个球面
. z6 T/ Z6 e1 F3 q4 r 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。
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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。 ; @* l* @% F( J
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； ' K) z! E4 R% O* ?
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。 ( }) ?3 ^! r0 e# J- J
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。
; `2 D+ P% E7 m5 `2 N 在所谓的平面大地上，日射倾角可不是这样变化的。
1 E$ j6 E6 F% c1 s5 b% v 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： " j0 {; d3 O0 [8 g& \/ }1 q
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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。
* r4 M5 o7 \0 ? 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°。 ) A5 L# w$ X" w, N1 E, [
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 z2 U+ X/ A( y! m3 z% s0 {' w 见下表：
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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。 4 e/ x# E+ L4 \9 }
3、圭表测天地
- F2 ]6 z! m8 U/ |5 |7 b: H! N 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。
0 o) A) f9 O$ I G( X! P) z 大地到底处在球面上还是龟背曲面上，靠圭表测量来验证。
H w; [7 }& j+ A+ v9 M# ? 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。
3 s1 G5 W/ y7 {3 n6 Q" o 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： . C7 B* ~5 w$ K4 A+ O! d
1 \. u z2 G9 L2 I' z* Y 而在龟背曲面上立表测影？就有以下两个问题：
% O! c9 w3 U' k6 D8 y2 X2 Y: _ 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。 * Y2 S" M5 l" S5 V+ p
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。 $ i1 W" b8 l2 ]: J. U. L6 q9 w1 z/ F
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。 : j. A9 [, Y2 k" X' @, i. \' `
中华立表测影的规律找到了，跟着就是实测，四海测验。 & {1 e6 U1 M& w
4、四海测验可验证大地滚圆
9 H4 G9 z2 P# n0 @5 t' t: r2 X 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。 2 z8 L) O$ |% x* }: B, {
这一圈的证据够吗？ + Q1 O: d4 _& ]5 R7 b$ A
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。 & @, H, [) u2 `1 p1 D
证据不足。 ! Q b7 w8 k7 }5 h' Q
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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：
' C2 L3 l" Y5 x+ u8 R5 g 《郭守敬传》中四海测验的故事：
0 m% A; n' w% z 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 p. o3 ~- [8 `) K. O
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。） - u7 V7 Z9 A/ \4 j$ n7 N% [+ [
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“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。 1 B, q2 N0 @! \
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。
% u0 z; @) e7 K5 L1 y2 m; p 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？
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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。 ! m5 r( g% N- E8 h0 r
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。 * }5 H' s+ x( j# p3 E7 x
将四海测验得到的日影数据和昼夜时长数据整理如下： / R4 E1 t2 j9 v
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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。
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7 Z& s6 T7 H! K( A0 ^ 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？
' |, ^5 Z# D, \3 Q 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？ 4 o _- z& A+ o9 U
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。 ) o6 U( m0 ~& ]- g" o, ~* \% R
这就是中华天文人观天测地，领科技文明之先。
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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？
& E! ]0 y. W) z+ o/ r! B* `( e 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。
1 s; _4 b. r/ \ 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。 ; ~# w: j1 C x
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。
7 p1 t2 b! y& ~+ C8 M) b I% ^; { 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。
1 m4 n: K# s H$ K1 f; J, e0 ~ 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。
$ h. D( B& l) [# Z) j 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 & _, o5 y/ y, q d1 f0 H
1679.3公里，每秒466.5米的线速度自西向东旋转（超音速）。 : o, S( }) i7 V3 }
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？ v) f/ V: j' X' Z( p
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）。 - w& B; S X b8 P) W4 O' i
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？
8 M" L+ F8 `; V- |! \ 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？
n' p0 o, ^, c% {& b5 { 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？ . i a/ H: a$ W8 N, n( S( w2 E
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。 ! A O3 S" ^% t5 }9 m' h
典型的疑虑：地球高速运动，公转又自转的，不会不稳吧？ ' A2 B( o$ r+ P% b0 x! K; @
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。
3 O+ b, |% s1 t" c7 p 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。 ( K& X U0 Z" s
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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