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及時章 我們的地球

世界知名作家圣彼得·伯南丁曾經(jīng)說過他小時候關(guān)于地球和天空的光怪陸離的想象。他認(rèn)為，光從地球表面來看，太陽從一座山上升起，到了晚上，就會從另外一座山上落下去。他認(rèn)為天空就是一座藍(lán)色的大拱橋，或者是一個倒扣在地球表面的大碗。他想象著，如果有24小時可以在天空行走，那么他必須小心翼翼地彎腰行走，這樣，他的腦袋才不會碰到茫茫天幕。24小時，他終于下定決心要解除疑問，把這個事情弄個明白。這天，他挎上小籃子，帶上午飯就出發(fā)了。他走啊走啊，走了好長時間，希望可以用手觸摸到天空，但是天空似乎在跟他捉迷藏，當(dāng)他前進(jìn)的時候，似乎天空就在后退，他們始終保持著相同的距離，永遠(yuǎn)觸摸不到。終于，小彼得疲憊不堪，疲勞戰(zhàn)勝了好奇心，他放棄了這次冒險。后來小彼得總結(jié)這次冒險，他認(rèn)為是自己的腿不夠長，力量不夠足，他還不能夠走到足夠遠(yuǎn)的地方去接觸天空。

我親愛的讀者們，你們小時候是否也有這種孩子氣的童稚想法？想象著地球就是一片無限延伸的廣闊土地，同時被藍(lán)色的圓形蒼穹包圍著，只是中間被海洋山脈所切割。現(xiàn)在我們都知道，天空并不是棲息在大地上，我們站在大地的任何一個地方都不會有碰撞到天幕的危險，因為在任何地方，天與地之間的距離都是一樣的。你也知道，如果你朝著一個方向一直往前走，你會遇到平原、山脈、海洋，但是你永遠(yuǎn)也不會到達(dá)地球的邊界。簡單地說，地球是圓的，我們從一個地方出發(fā)，沿著一個方向一直走，最終我們就會回到我們出發(fā)的原點。

地球是一個巨大的球體，懸浮在茫茫宇宙之中，沒有任何支撐。想象一下，如果用一根線，將一個巨大的球懸浮在空氣中，在球面上有一只小昆蟲，假設(shè)沒有任何障礙來阻擋它的行程，如果它總是保持向同一個方向前進(jìn)，它是否最終會回到它的始發(fā)點呢？我們?nèi)祟愊鄬τ诘厍騺碚f，就類似于小昆蟲相對于你所能想象的巨大球體的關(guān)系，或者我們更加微不足道。假設(shè)我們不會遇到任何障礙，我們也接觸不到天幕，即使我們從不同的方向出發(fā)，只要我們堅持朝前走，走足夠足夠遠(yuǎn)的距離，我們就可以翻越地球，回到起點。所以，地球是一個沒有任何支撐、懸浮于宇宙的巨大球體。至于像"一座藍(lán)色的大拱橋"一樣包圍著我們的天空，它只是地球表面空氣所折射的藍(lán)色光線形成的表象而已。

我們可以用下面的簡單事實來闡述"地球是圓的"的道理。一個旅行者，想要到達(dá)前方的市鎮(zhèn)，前方一片坦途，沒有任何障礙阻隔視線。從遠(yuǎn)方看過去，那么這個市鎮(zhèn)的較高點——尖塔的頂點是被看到的地方，旅行者再走近一點，尖塔的頂部、塔身，以及其他的建筑物都會慢慢呈現(xiàn)在他的視線中，因此，隨著逐漸走近，旅行者眼中映入的事物是從較高點慢慢過渡到低點。但是，如果地球是平的，這種情況就不會發(fā)生。如果地球是平的，不論在任何距離的情況下，我們都會看到尖塔的全部，而不是從頂部到底部逐漸被看到，就像圖1所示。圖1中有兩個觀察者——A和B，他們分別站在塔右邊不同距離的地方，但是他們都可以看到塔的全部。因此，從另一方面來說，如果地球是圓的，遠(yuǎn)方的物體就會被地球表面的凸起球面所掩蓋，當(dāng)距離不斷縮減，這些物體才會從頂部開始，不同程度地呈現(xiàn)。因此，在圖2中，對于觀察者A來說，塔身就是不可見的，因為地球球面阻礙了觀察者的視線；觀察者B只能看到塔的上面部分，塔的下面部分同樣被地球球面阻礙；而觀察者C卻可以看到塔的全貌，一覽無余。

事實上，地球上很少有如此合適的、開闊的、規(guī)則的地方讓我們一覽無余地觀察，總會有那么多丘陵、山脈和數(shù)不清的植物阻礙我們的視線，妨礙了塔身從頂部到底部的逐漸呈現(xiàn)。海面依照地球的表面而形成球面，因此，在毫無阻礙的海面上，想要解釋因為地球是圓的所帶來的一切現(xiàn)象是十分容易的。

對于從海上駛?cè)牒８鄣拇粊碚f，映入眼簾的是海港上的較高點，例如山峰的頂點。然后慢慢地高塔也會進(jìn)入海員的視線內(nèi)，海港沿岸的景象都會走進(jìn)海員的視野。同樣，對于海岸上的觀察者來說，他們看到的是駛?cè)氪坏奈U頂部，然后是上桅帆，再是下桅帆，才是船體。如果船只離港，那么觀察者會看到船只以相反的次序逐漸消失——先是船體被隱藏，接著是下桅帆，再是上桅帆，然后是船體頂端，從遠(yuǎn)處看來似乎整個船只都墜入海中去了，就像是圖3中所顯示的那樣。

關(guān)于"地球是圓的"的另外一個證據(jù)就是地平線的形狀。"地平線"這個詞來自于希臘語，意思是"被限定的，被束縛的"，意味著當(dāng)我們處于一個空曠的地區(qū)，我們周圍的這條線限定著我們的視野。

對我們來說，似乎有一條線，將地面和天空連接在一起。倘若在一個開闊的地區(qū)，比如沒有任何瑕疵的平原，則地平線以觀察者為心形成一個圓形。地平線形成的圓形在海上表現(xiàn)得尤為明顯，水天一線的地方以船只為中心呈現(xiàn)出一個巨大的圓盤。如果地球是平的，我們對于地球表面的視野只會因為我們的視力范圍受到限制，如果有一架超強望遠(yuǎn)鏡，我們可以看到無限遠(yuǎn)的任何地方，那么地球表面就不會有可見與不可見地方的分界。但是事實不同，在地平線以外的地方，即使有好的望遠(yuǎn)鏡也無能為力。

因此，地球不是平的，而是圓形的。圖4的表述會讓你更清楚。在地球表面，假設(shè)有一條垂線OB，在OB線上選擇點A作為觀察點，觀察者在這一點四處凝望，那么球面的哪一部分在觀察者的視線中呢？答案很簡單，從A點畫一條直線AK，與地球表面相切，切點K就是直線AK與地球表面的交點，那么K點就是觀察者在A點沿AK方向所能看到的地球上的最遠(yuǎn)點，而K點之外的地方都是不可見的。同樣地，我們從A點做出類似切線，如AP、AQ、AR、AS等，切點分別是P、Q、R、S，假設(shè)做了無數(shù)多這樣的切線，與地球表面形成無數(shù)的切點，所有這些點連接成線，就會形成一個完整的圓，也就是我們所見的地平線，這個地平線限定了觀察者從A點對地球表面的觀察范圍。我們從OB上任何一點出發(fā)都可以得出同樣的結(jié)論。因此，地平線都是圓的，我們無論從任何地方看起來，地球也只能是圓的。

現(xiàn)在，我們稱之為地球的這個巨大的球體，周長為4萬千米長，這么龐大的數(shù)字意味著什么呢？下面我會為你們講述得更明白。如果你曾經(jīng)爬過高塔，并且在塔頂向外張望，你會被視野內(nèi)無限延展的空間距離深深打動，那條藍(lán)色的地平線，看起來如此遙遠(yuǎn)，在你的腦海中烙下印記，成為記憶中最遙遠(yuǎn)的距離。那么這時，你距離地平線有多遠(yuǎn)呢？站在塔的頂端最遠(yuǎn)可以望到哪里呢？這取決于兩個要素：一是塔的高度，二是地面的平坦程度。再回到圖4中，這回假設(shè)觀察者不在A點，而是更高一點，在B點，那么很明顯，視線的延伸距離也更遠(yuǎn)，視線最遠(yuǎn)點在地球表面H點，視野更加開闊。也就是說，因為地球是圓形的，你在地球表面站得越高，看得也就越遠(yuǎn)。

而在另一種情況下，地勢不平坦的山脈地區(qū)，切割了我們的視線，破壞了我們的地平線。假設(shè)一下，如果地球表面像海面一樣平坦，觀察者站在世界較高鐘塔頂端，即斯特拉斯堡大教堂(高142米)，在這樣的情況下，視線所及地平線周長為40千米。假如勇敢的圣彼得。伯南丁，有著一雙強健的雙腿，希望可以走到從斯特拉斯堡大教堂頂端鐘塔所看到的地平線處，那么他需要整整24小時時間。如果他成功地完成了這項任務(wù)，恐怕他沒有勇氣再開始第二天的行走。我們的地球如此巨大，它的周長有1000個這么長，需要1000天不間斷地行走。

這時，你可能會問自己，當(dāng)?shù)厍虮砻嬗心敲炊嗟母呱脚c深海來破壞地球表面的規(guī)則性，地球仍然被說成是球形的嗎？你可能會樂于承認(rèn)海洋表面是球形的，但是認(rèn)為陸地的表面不同。你會認(rèn)為，除了地球表面的不規(guī)則性你什么都看不到。你會問，高峰、山谷、丘陵、平原、懸崖，在這一團混亂中，具有規(guī)則的球形嗎？我應(yīng)該如何從布滿無限不規(guī)則的地球表面找出其中隱含的規(guī)則性呢？但是，請問，橘子是球形的嗎？你會回答：當(dāng)然是的。但是，請你仔細(xì)看，橘子皮表面皺皺巴巴，一點都不光滑平整。你會回答：這沒有關(guān)系啊，橘子皮表面的不平坦跟橘子整體的大小來說，可以忽略不計，所以橘子是球形的。確實是這樣的，那么同理，地球也是球形的，盡管地球表面并不平坦，但是地球如此巨大，即使是較高的山峰對地球來說也是可以忽略不計的，我會向你證明這一點。

把地球假想成一個直徑為2米的大而光滑的圓球，按照正確比例在球體表面雕塑出地球上的主要山脈。位于亞洲中間地帶的喜瑪拉雅山脈的珠穆朗瑪峰是世界較高峰。較高峰高于海平面8848米，高峰直入云端，煙霧繚繞，山腳盤踞著廣闊的土地，相當(dāng)于一個帝國的土地面積。渺小的人類面對這樣一座大山會有什么感想？那么，我們把這座山在我們假設(shè)為地球的球體上以同比例展示，你覺得我們應(yīng)該用什么材料來做呢？是一粒沙——會輕易地從你手中滑落的細(xì)紗，我們需要的是一粒1(1/3)毫米的細(xì)沙，巨大的對我們來說具有壓倒性震撼效果的山峰，對于地球來說，幾乎什么都不是。這個比例比水果皮上小丘胞相對于水果的比例還要小。歐洲較高峰白朗峰，高4810米，用直徑是剛才細(xì)沙一半的小沙粒來表示就可以了。不需要重復(fù)更多的例子，你可以清楚地看到，球體表面布滿無數(shù)不平坦、大小不均勻的小細(xì)沙，這就相當(dāng)于地球表面布滿大大小小的山脈丘陵，這不會影響到地球的形狀。表面布滿山脈丘陵的地球，按照同比例縮小，事實上就是一個表面點綴著細(xì)沙與灰塵的大球體。

地球是如何在宇宙中保持平衡的呢？是像寺廟穹頂?shù)谋茈y燈那樣，從天空中垂下來一根鏈子懸掛著它嗎？或者像是地球儀那樣，被安置在一個支架上？成千上萬的旅行者，他們四處行走，但是沒有任何人在任何地方，看到任何種類的懸掛鏈和懸置支架，在我們居住的城市中，我們所接觸的也只有大地、天空與海洋。因此我們得出結(jié)論，地球在宇宙中是獨立存在的，沒有任何支撐地存在于蒼茫宇宙之中。

但是，為什么地球不會掉落呢？關(guān)鍵在這里。先自己思考一下，或許你自己就會想明白為什么地球不會掉落。抬起頭來，你看到了什么？廣闊的天空，無邊無際的宇宙。如果站在正對著我們腳底的地球的另一端，會看到什么？仍然是廣闊的天空，無邊無際的宇宙。再往左或者往右一半的位置呢？仍然是一樣的，總是一樣的。到處都是一樣廣闊的天空，一樣無邊無際的宇宙包圍著地球。

那么你告訴我，在這個任何地方都是一樣的空間中，地球向哪一個方向掉落呢？如果你能，請告訴我，哪個方向是上，哪個方向是下。如果朝著天空的方向是"上"，那么別忘了在地球的相反面也是天空，那里也跟這里一樣，到處都是一樣的。如果對你來說，地球不能掉落進(jìn)我們頭頂?shù)奶炜帐呛芎唵蚊髁说牡览恚敲礊槭裁茨銜谕厍虻袈溥M(jìn)我們下方的天空中呢？就像我們不會懷疑地球會從天空中升起一樣，我們也不需要懷疑地球會落進(jìn)天際。

這個問題，我們會在下一章進(jìn)一步地詳細(xì)闡述，我們會講述物體掉落與地心引力的關(guān)系。首先，讓我們來總結(jié)一下這一章的主要內(nèi)容：地球是球形的，而且獨立于宇宙之中。周長為4萬千米長。它的半徑，即從地球中心到地球表面的平均距離是6366千米…。地球表面即使是最不平坦的地方，對地球的形狀都不具有任何改變意義。

第二章 萬有引力：物體為什么會掉落

大家有沒有聽說著名的拉封丹的寓言故事《橡果與南瓜》，有沒有因為蓋洛的壞運氣而哈哈大笑？人類在本質(zhì)上都是有點自命不凡的，佃農(nóng)蓋洛看到南瓜長這么大，而它的瓜秧卻如此細(xì)，他自言自語道："這一切上帝當(dāng)時不知如何想的，他可沒把這南瓜安頓好！要是我的話，我考慮把它掛在一棵橡樹上，那就挺合適的了。樹果相配，應(yīng)該如此。真可惜，我一點也沒領(lǐng)會神父在傳教時講的：一切都應(yīng)該是的。可眼前這顆不到我小手指粗的橡果為什么不長在南瓜藤上呢？上帝造物時肯定弄錯了！這些果實如此生長，我越瞧越覺得別扭。"

這番琢磨著實令他困惑不解，他心想：人想得太多，庸人自擾覺就難眠。可他躺在一棵橡樹下很快就睡著了。

這時一顆橡果掉下來，砸在他的鼻子上。他痛醒了，用手往臉上摸，橡果掛在自己下巴的胡子上。糟了，鼻子被砸傷了，于是他馬上改變了口氣。

"哎喲！"他嚷著說，"我鼻子被砸出了血！要是從樹上掉下一個大南瓜，那我可就慘了。上帝不會看著這種事情發(fā)生，他肯定是對的。我如今才懂得了這個道理。"

我親愛的年輕讀者們，你們也會同意蓋洛的話吧。如果橡樹上長了一個大南瓜，這可是太危險啦。

如果說掉落的橡果讓蓋洛明白了"上帝是正確的"這個道理，牛頓則因為一個蘋果的掉落，意識到天體的運行遵循著一定的法則。年輕的牛頓，充滿著對知識的渴求，有24小時穿過一片蘋果林的時候，正好有一個蘋果掉落下來。如果是我們，大概就會把這個蘋果撿起來，然后吃掉，那么整個事情就這樣結(jié)束了。但是，牛頓卻產(chǎn)生了疑問：為什么蘋果會落下來呢？這真是一個愚蠢的問題！

你會告訴他，蘋果熟了，自然而然就會從枝頭掉落了啊。但是，請等一下，先回答我一個問題，然后你會認(rèn)識到小牛頓的疑問并不可以輕視。

蘋果會從蘋果樹枝頭掉落，但是如果蘋果樹像白楊樹一樣高，蘋果還會落下來嗎？毫無疑問，仍然會的。那么從高于蘋果樹十倍、百倍的高度還會落下嗎？我們知道石頭會從塔頂或者山頂?shù)袈洌源鸢溉允强隙ǖ摹＃绻@棵蘋果樹因為某種奇跡，長成一棵"參天"大樹，有100米、1000米、10000米高，蘋果還會掉落嗎？就像是我們坐著熱氣球升得越來越高，你從那里往下扔?xùn)|西，這個東西會落到地面一樣，你根本不用猶豫，答案是肯定的。從你所能想象的任何高度，蘋果都會落下來。事實上，海拔越高，蘋果降落到地面時的瞬時速度就會越快。

現(xiàn)在我們達(dá)成一個共識，即使蘋果樹長得沒入云層，蘋果總是會落到地面的。那么，如果我們把蘋果換成鉛球呢，鉛球也會像蘋果一樣落下來嗎？答案是一樣的。很好，現(xiàn)在你已經(jīng)了解到，蘋果也好，鉛球也好，不管從多高的地方，它們總是要落到地面的。那么，我想，如果鉛球在遙遠(yuǎn)的月球上，它也會落向地球的吧。你認(rèn)為呢？這個問題，需要好好思索一下，如果沒有什么阻礙的話，為什么不會呢？你可能會回答：是的，我也認(rèn)為它能掉落到地球上。

當(dāng)月亮冉冉升起，抬頭望一下天空，你是不是看到一個巨大的發(fā)光體，沒有任何支撐地、孤零零地懸掛于夜空中？現(xiàn)在，注意了！就像你剛才說的那樣，它會"哐"的一聲，砸到我們身上，造成一次恐怖的襲擊。月球是一個巨大的球體，其面積大約是地球的1/50。"哐"的一聲，你驚聲大叫，月亮掉下來了！我年輕的讀者們，如果月亮真的掉下來，我們的牛頓就又需要坐在蘋果樹下進(jìn)行思考了。如果月亮掉落下來，而且正好砸到我們身上，那將會是一個巨大的災(zāi)難，我們古老的地球也會分崩離析，被這個從太空來的龐然大物砸得粉碎。月亮確實在掉落，但是，這不需要驚慌：即使它一直在向地球靠近，地球與月球之間仍然保持著相同的距離。大家是不是已經(jīng)迷惑了，這看起來似乎是世界上最相互矛盾的荒謬說法。那么讓我們繼續(xù)前進(jìn)，找出一個對這個令人驚訝的事實的合理解釋。

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