地球和它的邻居
让我们结束在分子、原子和原子核中的远征，回到更熟悉的尺度上来吧，我们准备开启一趟新的旅程，这次朝相反的方向，朝着太阳、恒星、遥远星云和宇宙的边界进发。这里和微观世界一样，科学的发展也让我们离熟悉的日常领域越来越远，眼前的地平线越来越广阔。
在人类文明初期，被称为宇宙的东西几乎小得不可思议。人们认为大地是漂浮在“世界洋”上的一个大圆盘。大地下方是深不可测的水，天空是众神的居所。大地圆盘够大，足以容纳当时地理上已知的所有土地，包括地中海沿岸，临近的欧洲和非洲的部分地区以及亚洲的一小部分。大地圆盘的北侧是不可逾越的山脉，太阳入夜后就安歇在“世界洋”的洋面上。图10-1相当准确地反映了当时古人对世界的认识。但公元前3世纪，有一个人对这种简单公认的世界图景提出了异议。他就是著名的古希腊哲学家（当时被称为科学家）亚里士多德。
图10-1 古人的世界观
在《论天》一书里，亚里士多德称我们的大地实际上是一个球体，其中一部分是土地，一部分是水，周围环绕着空气。他提出了许多我们很熟悉的论据，其中有些甚至会让我们觉得很无聊。他指出，当船消失在地平线时，总是船身先不见，而桅杆似乎仍插在水中，可见，海面不是平的，而是弯的。他还指出，月食一定是地球的影子掠过这颗卫星表面时造成的，而由于阴影是圆的，地球本身也一定是圆的。不过，当时几乎没人相信他。人们理解不了，如果他的话是真的，住在地球另一端（所谓的对跖点，对美国而言就是澳大利亚）的人怎么能倒立着走路而不掉下去呢？那边的水又怎么不会流向他们的蓝天呢（图10-2）？
图10-2 反对大地为球形的论点
你看，当时的人们没有意识到东西掉下来是地球引力使然。对他们来说，“上”和“下”是空间中的绝对方向，应该放之四海而皆准。在他们看来，绕地球一半后，“上”就会变成“下”，“下”就会变成“上”，这简直是天方夜谭，这和当今许多人对爱因斯坦相对论的看法一样。当时，人们对于重物下落的解释不是地球的牵引，而是万物都有向下移动的“自然趋势”。因此，如果你胆敢踏足地球的背面，你一定会坠入蓝天。反对的声音如此强烈，对新观念的接受如此艰难，以至于直到亚里士多德去世后近两千年的15世纪，许多书中还能找到关于对跖点居民倒立的画面，以此讽刺地球为球形的想法。伟大的哥伦布试图“反其道”前往印度之时，恐怕也不完全确定自己计划的可行性；而最终，由于美洲大陆的阻碍，他也未能如愿抵达印度。直到著名的麦哲伦（Magellan）的船队完成环球航行后，人们对地球是球形的怀疑才彻底打消。
人们首次意识到地球是一个巨大球体时，自然要问，这个球体比当时已知的世界大多少呢？但对于古希腊哲学家而言，在无法开展环球旅行的情况下，又如何能测量地球的大小呢？
还是有一种方法的，这个方法由公元前3世纪的著名科学家埃拉托色尼（Eratosthenes）最先发现。当时他住在埃及的希腊殖民地亚历山大里亚。在距离亚历山大里亚约5 000视距的尼罗河上游地区，有一座名叫昔兰尼[1]的城市，埃拉托色尼听那里的居民说，春分日的正午，阳光是直直从头顶射下来的，此时垂直放置的物体都没有影子。而埃拉托色尼知道，亚历山大里亚并未出现这样的情况，在同一天的同一时刻，太阳光与垂直方向仍有7°的角度，即整个圆周的五十分之一。埃拉托色尼通过假定地球是圆的，给出了一个非常简单的解释，图10-3画得很清楚。因为这两座城市之间的大地是弯的，因此垂直射入昔兰尼的阳光必定会与更北边的亚历山大里亚的大地形成一定的夹角。从图10-3中还可以看到，如果从地心画两条直线，分别穿过亚历山大里亚和昔兰尼，那么这两条直线的夹角就等于穿过地心和亚历山大里亚的直线与太阳位于昔兰尼正上方时的光线之间的夹角。
图10-3
这个夹角是整个圆的五十分之一，所以，地球的总圆周长应该是这两座城市距离的50倍，即25万视距。1视距大约等于1/10英里，因此埃拉托色尼的计算结果等于2.5万英里（即4万千米），与现代人估算的数值很接近。
不过，首次测量地球的重点不是获得一个准确数字，而是让人们意识到，原来地球这么大。对当时的人而言，它的总面积居然比已知土地的面积大几百倍！这可能吗？如果是真的，那已知边界以外都是些什么呢？
说到天文距离，我们要先熟悉一个词：视差位移，简称视差。这个词听起来有点吓人，但它其实既简单又实用。
我们可以通过穿针引线的例子了解一下何为视差。请试着睁一只眼闭一只眼来穿针，你很快会发现很难穿进去。你不是将线拉过针眼，就是还没到就停下。只用一只眼睛，你无法判断针和线的距离。而使用两只眼睛，你可以轻松做到这一点，或至少能轻松学会怎么做。用双眼看物体时，两只眼都会自动聚焦在物体上。物体越近，两只眼越需要转向彼此，此类调节产生的肌肉感觉会让你对距离有很好的把握。
现在，请不要用两只眼看，轮流用其中一只眼睛看，你会发现物体（在这里为针）相对于远处背景（例如房间对面的窗户）的位置会发生改变。这种效应就是视差位移，大家应该对此都很熟悉。如果你没听说过，不妨亲自试一下，图10-4显示了左右眼所见的针和窗口位置的区别。物体越远，视差位移越小，我们可以将该效应用于对距离的测量。我们可以用弧度精确地测出视差位移，这比基于眼球中肌肉感觉的简单判断准确得多。但由于我们的两只眼睛仅相隔三英寸左右，当距离超过几英尺后，这里的估算就不太准了。因为距离较远时，两眼的视轴接近于平行，视差位移会变得非常小，几乎可忽略不计。要想判断更远的距离，我们得让两眼分得更开一些，以增加视差位移的角度。不，不用动什么手术，只需几面镜子就可以实现这一点。
图10-4
请看图10-5，这是雷达发明前，海军用于测量战斗中敌舰距离的装置。它是一根长管，两眼位置前各有一面镜子（A、A'），长管两端也各有一面镜子（B、B'）。借助这样一种装置，我们可以真正做到一只眼从B端看出去，另一只眼从B'端看出去。这样，两眼间的距离（即所谓的光学基线）就大大增加了，可以估算的距离也更远了。当然，海军士兵不会仅靠眼球肌肉的感觉确定距离。这台测距仪上配有特殊的小工具和刻度盘，能精准测出视差位移。
图10-5
尽管此类海军测距仪就连刚出现在海平面远端的敌舰的距离也能测得相当准确，但要想测量哪怕最近的天体（比如月亮），效果也非常差。实际上，要想观测到月球相对于遥远恒星背景的视差位移，“两眼”间的距离（光学基线）至少得达到几百英里才行。当然，我们不必搭设一套这样的光学装置，让我们可以一只眼从（例如）华盛顿观看，另一只眼从纽约观看，只需在这两个地点同时拍摄两张月球位于群星中的照片即可。再把这两张照片放在普通的立体镜中，我们就能看到月亮悬在星辰中的样子了。
通过这样两张在地球两个不同位置同时拍摄的月亮和周围恒星的照片（图10-6），天文学家计算出了从地球直径相对两端观察月亮时的视差位移为1°24′5″。由此可算出月球与地球的距离相当于地球直径的30.14倍，即384 403千米（或238 857英里）。
图10-6
根据这个距离以及观察到的角直径，我们可以算出这颗卫星的直径大约为地球直径的四分之一。其表面积仅为地球表面积的十六分之一，大约相当于非洲大陆的面积。
尽管以同样的方式也能测出太阳与地球的距离，但由于太阳离我们远得多，测量起来会困难得多。天文学家测出的这个距离为149 450 000千米（92 870 000英里），即月地距离的385倍。由于太阳如此遥远，虽然它实际上非常大，其直径为地球直径的109倍，但看上去和月亮差不多。
如果太阳是个大南瓜，地球就是一颗豌豆，月亮则是一粒罂粟种子，纽约帝国大厦大约是我们能在显微镜下看到的最小细菌。顺便一提，在古希腊时代，一个名叫阿那克萨戈拉（Anaxagoras）的进步哲学家曾因提出太阳是一个希腊这么大的火球，就受到了放逐的惩罚和死刑的威胁！
天文学家还以同样的方式测算出了太阳系中其他行星与太阳的距离。其中最远的冥王星[2]直到最近才完成测算，它与太阳的距离大约是日地距离的40倍。确切地说，即3 668 000 000英里。