四海测验-中华天文人的科学实验-大地滚圆 - 海洋天文学观测

1、立表测影

* x" m" x6 x5 d) {$ ]# p8 f

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。

室外立表，可得日影，日影的长度，可通过圭上的刻度读出。

1 f+ F$ E2 [* ?6 o! F! d

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。

/ A/ r% P6 X7 d6 b

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。

) W i$ Z( a$ b5 h3 \; o

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。

% M& S, |- C7 x( f- B1 ^( {

2、中华日影记录数据支持大地是个球面

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。

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。

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；

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 X8 ]1 S8 H1 {4 |. z* Y N, F

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。

6 c. z7 s: T: {& {/ y7 H, j

在所谓的平面大地上，日射倾角可不是这样变化的。

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：

) _) L+ t; f4 `( L9 _3 W

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。

0 G- i5 Y+ G" `

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°。

+ {' ]# X, _* A: r( z% u' H

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。

, H+ Z3 }7 q, [ z, m8 l& A

见下表：

) b% K( d! X/ r: T

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。

3 L: i: n6 \2 X* F& m( g3 ^6 M

3、圭表测天地

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。

　　大地到底处在球面上还是龟背曲面上，靠圭表测量来验证。

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。

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：

( \( R1 }: c- B T8 [/ f) s% a

而在龟背曲面上立表测影？就有以下两个问题：

3 f; v: p+ w; v+ T

　　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。

6 y2 Y# G4 W. n/ 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。

　　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。

. E1 A6 h7 o v+ @" h

中华立表测影的规律找到了，跟着就是实测，四海测验。

4、四海测验可验证大地滚圆

! d& D; @$ V9 w5 a# j |& 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。

, y2 B2 t. |2 E; E

　　这一圈的证据够吗？

　　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。

% Q( T9 L! `# u- m

证据不足。

Z4 |9 b3 P5 \; |; y4 U: l

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： ( s/ x) X& i% W8 v$ I0 n$ P

　　《郭守敬传》中四海测验的故事：

* ^, ~" _3 N- p

　　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。）

　　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。）

8 |2 D! m$ G3 h3 R9 X2 S

“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。

6 i* @- ?% P, b/ \: `

　　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。

　　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？

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。

　　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。

8 S6 w! e( _! i

将四海测验得到的日影数据和昼夜时长数据整理如下：

$ a6 i9 W N* ^' N

9 c; Q+ a* c2 |: S! N1 ^ L

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。

9 K0 ?! h, b8 e$ v6 C3 O( R

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？

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？

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。

f0 G6 P1 ?& ?- l6 [0 |6 { ]9 a

这就是中华天文人观天测地，领科技文明之先。

*************

& ]5 |. ^/ }$ t1 Z- y

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？

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。

# J) i; B$ k) U/ _6 l

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。

& v$ \$ m( n' G$ C$ w) S; M" _9 V

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。

8 U3 P" u1 ^* w# z

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。

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。

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

1679.3公里，每秒466.5米的线速度自西向东旋转（超音速）。

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？

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）。

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？

3 Y, {1 x5 T8 N; _; k. F

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？

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？

/ ]$ W, ^+ y! s& L! V! A

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。

/ H8 u: f" ], I+ c- j

典型的疑虑：地球高速运动，公转又自转的，不会不稳吧？

8 {1 F6 m; ^ p0 i. R8 O

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。

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。

# T% w( \! F4 ~! W+ s: q- _/ B

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。

* |9 J# S: r% H8 P - q- v+ a- Z2 P- ]2 V+ K