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公元前240年,他把棍子插在地上,结果成功测出地球周长

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小时候,我们已经通过教科书了解到了地球的大小,包括地球半径、体积、质量等等,然而地球的半径并不是一朝一夕测出来的,20世纪中叶,我们开始向太空发射卫星,帮助我们确定地球的精确周长,经过长年累月的精测,科学家逐渐得出了精确的地球数据,包括地球周长40030公里。但在两千多年前,古希腊的一个人仅仅用一根棍子和他的大脑就得出了几乎完全相同的数字,那么世界上第一个测出地球周长的人是谁呢?

其实测量地球大小这一看似不可能的壮举首先是由一位名叫埃拉托斯泰尼斯的希腊天才完成的,最关键的是,这个事件大约在公元前240年,比我国秦灭六国实现大一统还早,而且这些埃拉托斯泰尼斯的天才当时是一名图书管理员!

说起埃拉托斯泰尼斯,他出生在公元前276年,后面由于杰出的才能成为了数学家、地理学家、诗人、天文学家和音乐理论家。毫无疑问他是个博学的人,后来成为亚历山大图书馆的图书管理员。他的工作与现在所知的地理学研究相当,他还发明了一些至今仍在使用的术语。

当然,他最引以为傲的是成为了世界上第一个计算出地球周长的人,这为他在科学界的巨大成就奠定了基础,那么这时候大多数人都会好奇他是怎么测量的呢?在遥远的古代,没有交通工具,没有地图,他是如何判断自己的位置,又是如何测出地球的周长呢?

我们知道,他后来在图书馆工作,而图书馆拥有非常丰富的知识,于是他利用他在图书馆工作时所能获得的所有地理知识以及广泛的测量结果来计算地球的周长;他的计算非常精确。同时他也是第一个以惊人的准确度计算地轴倾斜度的人。此外,他可能还精确计算了地球到太阳的距离,并发明了闰日,他创造了世界上第一个全球投影图,根据他所处时代的地理知识,将平行线和子午线成功结合了起来。

在亚历山大图书馆,他可以接触到各种各样的旅行书籍,这些书籍包含了各种信息和对世界的描述,这些信息和描述需要以某种有组织的形式拼凑起来。在他的著作《地理学》中,他描述并绘制了他整个已知的世界,甚至将地球分为五个部分气候区:两极周围有两个冰冻区,两个温带,还有一个赤道和热带地区。他创造了至今仍在使用的术语,他在地球表面放置了重叠的网格线,他用平行线和子午线把世界上每一个地方联系起来。现在可以用这个遍布地球表面的网络来估计一个人与遥远地点的距离。在《地理学》中,有400多个城市的名称和它们的位置:这是以前从未有过的。不幸的是,他的地理已经被历史所遗忘,但作品的片段可以从其他伟大的历史学家如普林尼、波利比乌斯、斯特拉博和马西亚努斯那里拼凑而成。

埃拉托斯泰尼斯测量地球周长的办法

言归正传,埃拉托斯泰尼斯测量地球周长的办法其实很简单,我们知道地球是一个近圆形,因此可以假设它是一个圆,那么当我们知道了圆表面两点之间的弧形距离,然后计算出这两点之间连接圆心互成的扇形角度,就可以大概算出圆的周长。要测量两地之间的距离并不难,但是扇形角度要怎么测呢?

埃拉托斯提尼利用的方法很简单,我们知道古代都有用阴影来计算时间长短的方法,在地上插一根棍子,随着太阳的东升西落,太阳的照射在棍子上投下的阴影也会随之变化,这个东西叫日晷。埃拉托斯提尼也正是如此,不过他不是用这个方法测量时间,而是用来测量角度。

埃拉托斯提尼听说在亚历山大市南部的城市Syene,夏至中午中午没有垂直阴影,那个地方的太阳正对着头顶,他想知道亚历山大是否也是如此。于是,在6月21日,他直接在地上插了一根棍子,等着看中午是否会投下阴影。结果发现还真有,并且他还测出阴影的角度大约是7度。

埃拉托斯提尼想:太阳光在一天中的同一时间以相同的角度入射,亚历山大的一根棍子正在投下阴影,而塞恩的一根棍子没有,那就意味着地球表面是弯曲的。这不仅证实了前人的理论,同时还能测出地球的周长。顺带提一句,球形地球的概念在公元前500年左右由毕达哥拉斯提出,几个世纪后被亚里士多德证实。如果地球真的是一个球体,埃拉托斯提尼斯可以用他的观测来估计整个星球的周长。

由于亚历山大和塞恩的阴影长度相差7度,这意味着这两座城市在地球360度的表面上相距7度。埃拉托斯提尼雇了一个人测量两座城市之间的距离,得知两座城市相距大约800公里。然后他可以用简单的比例计算出地球的周长——7.2度是360度的1/50,所以800乘以50等于40000公里。就这样,2200年前,一个人用一根棍子和他的大脑发现了我们整个星球的周长。由于地球并不是正圆,因此计算出来的周长难免存在误差,尽管这个周长仍然存在不小的误差,但是它对科学史上的意义却是无法替代的!

埃拉托斯提尼是科学年代学的奠基人,他致力于修改征服特洛伊后主要文学和政治事件的日期,在数论中,他介绍了一种有效的识别素数的方法——埃拉托斯提尼筛。

他在许多领域都有巨大的成就,根据《苏达》中的一条记载,他的批评者对他嗤之以鼻,称他为贝塔(希腊字母表的第二个字母),因为他在所有的努力中总是排在第二位。尽管如此,他的信徒们以奥林匹亚人的名字给他起了个绰号,称他五项全能,因为他已经证明了自己是精通各个领域的知识。

大约100年后,罗德岛的波西多纽斯根据对恒星的观测,以不同的方式进行了新的计算,也得到了同样正确的答案。

顺带科普一下天体的半径数据:地球=6371km,月球=1738km,太阳=695700km。

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