地球和它的邻居们
在人类文明的早期，所谓的宇宙真的很小。人们认为地球是一个大平面圆盘，四面被海洋所环绕，大地漂浮在这个海面上。大地下面是深不可测的海水，上面是众神的天空。这个大圆盘的面积足以容纳当时地理知识所知的所有地方。它包括地中海和临海的欧洲部分以及非洲和亚洲的部分地区；这片土地的北部以高山为界，晚上太阳落在山后的“世界海洋”上。
图1 相当准确地展现了古人关于世界的概念。然而，在公元3 世纪，有一个人对这种简单而普遍接受的世界观提出异议。他就是著名的希腊哲学家（当是“哲学家”这个名词也用来表示“科学家”）亚里士多德（Aristotle）。
亚里士多德在他的著作《论天》中表达了这样的理论：地球实际上是一个球体，其中一部分是土地，其中一部分是水，整体被空气包围。他引用了许多现象来证明他的观点。这些现象在今天人们都很熟悉，似乎有些微不足道。他指出，当一艘船在地平线上消失时，当船体不再可见时，桅杆仍暴露在水面上。这表明海洋表面不是平坦的，而是弯曲的。
他还指出，日食必然是由于地球的阴影经过卫星表面引起的。由于阴影是圆的，因此地球本身也应该是圆的。然而，当时很少有人相信他的话。人们无法理解，如果他的理论是真的，那么生活在球体的另一端（即所谓的“对跖点”1，对我们来说就是澳大利亚2）的澳大利亚人，难道头朝下走路吗？他们不会掉下去吗？为什么水不会流向他们的天空呢（如图2 所示）？
1 “对跖点”是一个地理学上的专用名词，指的是球面上任一点与球心的连线会交球面于另一点，亦即穿过球心，位于球体直径两端的点。——译者注
2 此处作者是站在美国的角度而言的，对中国来说，对跖点位于南美洲巴西等国家。——译者注
你看，当时人们并不明白物体的下落是由于地球的引力作用。对他们来说，“向上”和“向下”是空间的绝对方向，无论在哪里都是一样的。在他们看来，如果是说我们走着走着走到一半，“向上”会变为“向下”，“向下”会变为“向上”，这简直就是胡说八道嘛。当时，人们对亚里士多德观点的看法，就像今天有些人对爱因斯坦的相对论的看法一样。
那时，重物掉落的现象被解释为所有物体向下移动的“自然趋势”，而不是像现在一样被解释为被吸引到地球上。因此，当你敢于冒险到达地球的下半部分时，你会堕入蓝天之中！调整旧观念的工作极其困难，新概念受到极大反对。即使在亚里士多德去世两千年后的15世纪，仍然有人拿地球另一面人头朝下站着的照片来嘲笑地球是球形的想法。
即使是伟大的哥伦布（Christopher Columbus）也没有意识到，他找寻前往印度 “另一条路”的航海计划竟然如此“完善”，毕竟他的行程计划中并没有被美洲大陆所阻挡这回事。直到麦哲伦（Ferdinand de Magellan）进行了一次著名的环球航行后，人们对“大地是球体”的怀疑才最终消失。
当人们第一次意识到地球是一个球体时，他们很自然地问了自己一个问题：这个球到底有多大？与当时已知的世界相比如何？然而，古希腊哲学家显然无法环游世界，那么又该如何衡量地球的大小呢？
你别说，还真是有一种方法。这种方法最早是由著名的希腊科学家埃拉托色尼在公元前3世纪发现的。他当时住在希腊殖民地，埃及的亚历山大里亚城。在亚历山大里亚以南5 000斯塔德姆远的尼罗河上游有一个塞恩城。他听那里的居民说，在夏至的那天中午，太阳正好在头顶，任何直立的物体都没有影子。此外，埃拉托色尼知道亚历山大里亚城里从未见过这种事情，即便在夏至的那一天，太阳也与天顶（即头部正上方）之间有7°的夹角，即整个圆周的1/50 左右。
埃拉托色尼从“地球是球形”这个角度对这一事实做了一个非常简单的解释，从图3 中很容易理解。事实上，由于两个城市之间的地面是弯曲的，直射到塞恩城的阳光必然与北方的亚历山大里亚城呈一定的角度。从地球中心画两条线，一条与塞恩相连，一条与亚历山大里亚相连，从图中可以看出，太阳光正好直射塞恩城时，两条引线之间的角度等于通过亚历山大里亚的引线与太阳光线之间的夹角。
由于这个角度是整个圆周的1/50，因此整个圆周应该是两个城市之间距离的50倍，即250 000 斯塔德姆。1斯塔德姆约为1/10英里，因此埃拉托色尼的结果相当于25 000英里，即40 000公里，这与现代的测量值非常相似。
然而，第一次测量地球得到的结果，重要的不是它的精确程度，而是让人们发现地球太大了。看，它的总面积必然会比当时已知的总土地面积大几百倍。这可能是真的吗？如果这是真的，那么在已知世界之外的又是什么呢？
当涉及到天文距离时，我们首先应该熟悉一下所谓的视差位移（简称视差）。这个名字听起来有点可怕，但实际上，视差是一个简单而有用的东西。
我们可以从穿针这个简单的事情来认识视差。试着闭上一只眼睛来穿针，你很快就会发现这非常困难：手中的线头要么跑到针眼背后去，要么就是跑到针眼前端，总之就是没法判断出针和线之间到底距离有多远。但是，如果你睁开双眼，穿针就很容易做到了，至少很容易学会如何做到这一点。当用两只眼睛观察物体时，人们会自动将双眼的视线聚焦在物体上；物体越近，两只眼睛转动得越接近。进行此调整时眼睛肌肉的感觉就会非常可靠地告诉你距离是多少1。
1 双目视差的产生与人眼辐辏角等因素有关，同时涉及大脑对双目信息的处理过程，此处作者对此作了大量简化。——译者注
如果你不同时间用两只眼睛看它，而是用左眼和右眼分别看，你就会发现物体的位置（以上述事例中的针为例）相对于
背景（如房间中的窗口）是不同的。这种效应称为视差位移，你一定对这种现象很熟悉。如果之前没注意过，请务必亲自尝试一下，或者看一下图4 中所示的左眼和右眼分别看到的针和窗的样子。物体越远，视差位移越小。因此，我们可以使用此效果来测量距离。
视差位移可以用弧度表示，这比简单靠眼球肌肉的感觉来判断距离的方式更精确。不过，由于我们的两只眼睛只相距约3 英寸，所以当物体距离几英尺远时，测量就不是很准确了。这是因为物体越远，两只眼睛的视线愈加倾向于平行，视差位移越小。为了测量更远的距离，可以通过将眼睛分得更远来增加视差位移。当然了，可不能用手术的办法来实现，只需使用几面镜子就可以了。
在图5 中，我们可以看到，在雷达发明之前，海军使用这样一种装置来测量敌舰的距离。这是一个长管结构，每只眼睛前面都有一面镜子（A/A’）。长管两端各有一面镜子（B/B’）。从这样一架测距仪中，确实相当于B和B’处各有一只眼睛了。这样一来，就相当于双目之间的距离——即所谓的光学基线——就显着增大了，因此可以估算的距离就会远得多。当然了，水手们不会仅靠眼部肌肉的感觉来判断，测距仪配有特殊组件和刻度盘，可以非常准确地确定视差。
这种海军测距仪，即使是出现在地平线上的敌舰，也能够测量得非常准确。然而，使用这种装置测量哪怕最近的天体，效果也并不是那么好。事实上，为了观察月球在恒星背景上的视差，光学基线（即眼睛之间的距离）必须在数百英里以上。
当然，我们没有必要搭建一套光学系统，使我们用一只眼睛在华盛顿看，另一只眼睛在纽约看。只需从两个地方同时拍摄星星的照片，并将这两张照片放入立体镜中，我们就可以看到月亮漂浮在星星前面。天文学家就用这样的方式，从地球上的两个位置同时拍摄月亮和星星照片（图6），计算出地球两端的月球视差。可以得知从地球直径两端来看月球的视差为1°24'5''，可以计算出地月距离为地球直径的30.14 倍，即384 403 公里，或238 857 英里。
根据这个距离和观测到的角直径，我们可以计算出月球的直径是地球直径的1/4。它的表面积是地球面积的1/16，大致相当于非洲大陆的面积。
同样的方法可以用来测量太阳与我们之间的距离。当然，由于太阳太远，测量更加困难。天文学家测量得出的距离为149 450 000公里（92 870 000英里），是地月距离的385倍。所以太阳看起来才和月球差不多大。而事实上太阳要大得多，其直径是地球直径的109倍。
如果说太阳是一个大南瓜，那地球就是颗豌豆，而月亮则是一粒罂粟种子，纽约的帝国大厦只不过是一个在只能在显微镜下才能看到的极小的细菌。顺便说一句，古希腊有一位进步的哲学家阿那克萨戈拉（Anaxagoras），仅仅因为在教学时提出太阳是一个像希腊那样大小的火球，就遭到流放的惩罚，并受到死亡的威胁！
天文学家使用相同的方法计算出了太阳系中各个行星与太阳之间的距离。最远的行星冥王星1于1930年被发现的，距离太阳的距离约为地球到太阳距离的40倍。确切地说，这个距离是3 668 000 000英里。
1 1930年首次发现冥王星时，对其质量与大小作出了错误的估算，因此将其纳入了“九大行星”范畴。后来经过进一步观测和探测，科学家认为冥王星不符合行星标准，因此2006年8月24日下午，在第26届国际天文联合会通过决议，天文学家以投票方式正式将冥王星划为矮行星，自行星之列中除名。——译者注
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