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大地记
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第四章 地球的每日运动
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我们说太阳总是起起落落。早上从东边升起,中午升到最高的地方,灿烂地照耀着大地,傍晚又从西边落下去,接着在地球的另一半开始同样的运行方式。在我们看来,不仅太阳是这样运动,星星也是如此。从表面上看,你们会认为太阳和星星都是东升西落,或者你们觉得整个天空都在围着地球转,而地球就是整个宇宙的中心,那些数不清的星星就像固定在天空中的银色亮片一样,随着天空的转动而转动。
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那么,现在我们应该相信这些表象吗?太阳和星星是不是真的围绕着地球转呢?如果这个离我们有14 959万千米的太阳,绕地球转一圈所需的时间是一天,那么你知道它每一分钟走过的路程是多少吗?至少40万千米。这个速度虽然让人难以置信,但是跟接下来要讲的比起来,就根本不值一提了。那些星星就像我们的太阳一样,它们的大小、亮度和太阳差不了多少,可是离地球要远得多,因此就显得更小了。在这些星星中,离我们最近的一颗和我们的距离是太阳与地球之间距离的3万倍。因此,如果它在一天之内绕地球一圈,那么它每一分钟走过的路程就是40万千米的3万倍。那其他的星星呢?它们离地球的距离可能是这颗星与地球之间的距离的百倍甚至千倍,每天也是必须绕地球一圈,可想而知,速度会有多快啊!还记得那个具有庞大体积的太阳吧,在它旁边,地球看起来就像一小块黏土,你觉得它有可能在遥远的太空以难以置信的速度绕着地球旋转,只是为了供给地球光和热吗?除了太阳,还有无数的我们称之为星星的“太阳”,它们都跟太阳一般大小,但是与地球之间的距离更远,运行速度就需要同比增长,你觉得它们有可能每天以大到无法想象的速度绕着地球转吗?这显然是不可能、不合理的。
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那么我们应该如何来解释这些天体的运动呢?为什么太阳、星星还有其他行星看起来都是围绕着地球转呢?为什么它们看起来好像是从地平线的一端升起,然后从另一端落下去呢?这是最好解释的了——因为地球本身在转,所以它的每一个部分暴露在太阳底下的时间也不一样。地球就像一个陀螺一样在旋转,这样的话,星星、太阳看似在转的现象就可以解释清楚了。
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坐过火车的人肯定都注意到:树啊,广告牌啊,篱笆啊,房子啊等,都好像在朝着与火车前进相反的方向运动。这时,你会感觉自己似乎是静止的,而你看到的窗外的物体都迅速地从眼前掠过。要不是火车难免会颠簸,产生的错觉肯定会更彻底:你肯定会感觉窗外的所有景象无一例外都从身边呼啸而过。倒退的马车,逆流而下的小船,逆风行驶的帆船,这些物体都同样地欺骗了火车上乘客的眼睛。总之,只要我们坐在任何慢速前进的交通工具上,我们总会有那么一个时刻感觉自己没在动,而窗外的物体都在向反方向运动的错觉,事实上,窗外的这些物体都是静止的。
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地球绕着自身的轴自西向东旋转,它转一周所需的时间是24小时,也就是一天。我们感觉不到地球在运动,地球在转动的过程中也不会产生任何震动,要不是有人告诉我们,我们肯定会一直认为自己是静止的,而宇宙中其他的天体围绕着地球自东向西做运动,也就是与地球自转相反的方向。那么太阳和其他星星围绕着地球转,也是一种错觉,这种感觉就像坐在前进的火车上看窗外物体一样。
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因此,我们说地球是同时在做双重运动:一个是地球围绕着太阳转,周期是一年;另一个是地球围绕着自身的轴转,周期是一天。陀螺的实验可以很好地解释地球同时进行的双重运动。当陀螺原地转动时,就像你们说的“睡眠”状态,这时候它就只绕着自身的锥尖转动;但是假如你用一种特别的方式把它扔出去,那么它就会在绕着锥尖转动的同时,又围绕着地面上的某个点做圆周运动。陀螺的运动就是仿照地球的两个运动,陀螺绕着它自己的锥尖转,就相当于地球绕着自身的轴转,而陀螺绕着地面上的某一个点转,就相当于地球围绕着太阳转。
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通过以下方式,我们可以更多地了解地球的双重运动。我们在房间的中间摆一个圆桌,然后在桌子上放一根点燃的蜡烛来代替太阳,然后你在自己转的同时,也围绕着桌子转,每绕着桌子转一圈,就相当于地球围绕着太阳转一圈。这时你会发现:蜡烛的光会按顺序照在你身上的每个部位,一边的脸颊,后脑勺,还有另一边的脸颊,被蜡烛照到的时间都是不一样的(在这个实验中,我们把我们的脑袋当做地球),这么看来,我们脑袋的各个部位会交替被蜡烛的光照射到。因此,在浩瀚的宇宙中,地球也是如此,它的每个部分也是先后被阳光照射到的,白天是这一半,到了晚上这一半就变成黑色的了。正是由于地球本身的自转,才形成了白天黑夜;正是由于地球围绕着太阳转,才形成了四季的变换。
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让我们用橘子来模拟地球的旋转运动。首先用一根毛线针穿过橘子的两端,让橘子以毛线针为轴旋转。这根毛线针就相当于我们前面提到的“轴线”,橘子表面的两个针孔就是“极点”。为了更形象一点,我们假想一下,地球就跟这个橘子一样,也是被一根长长的针刺穿,并围绕着这根针做自转运动。我们假想出来的地球上的这根长长的针就是地球的轴线,就跟刺穿橘子的那真实的毛线针是橘子的轴线一样。而虚构出来的针在地球的上下表面所留下的两个孔就是地球的极点。因此,地轴就是我们假想出来的那条线,地球每天都绕着它旋转,而极点就是地轴穿过地球表面所留下的痕迹。
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在我们看来,天空就像一个空心的球体,而我们就在这片天空的正中心。由于地球本身自西向东自转,所以我们错以为地球是静止的,天空在自东向西旋转。天空的这种运动也是绕着轴转动的,这条轴线跟地球自转的轴线是同一条。我用一个例子来说明,你们就会很清楚了。
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假想一下,有一根长长的电线穿过橘子,然后放置在房间中,水平拉直,这时候橘子是悬挂在半空中的,此时在橘子上还有一只小昆虫。假如我们让这个橘子绕着电线旋转,那么你觉得紧紧贴在橘子表面的昆虫会感觉到它也在动吗?当然不会。因为昆虫视线范围内的地方都没有发生任何改变,所以它肯定感觉不到自己在动。而房间里的地板、天花板、墙壁,先后出现在小昆虫的视野里,这让它产生整个房间都在绕着电线旋转的错觉。就是橘子绕着转动的这根电线,使得昆虫错认为是整个房间都在动。假设这条电线有整个房间的长度那么长,贯穿前后墙,那么两面墙上的两个点,相对昆虫来说,看起来是静止不动的,而墙上的其他地方照样还是在做圆周运动,离电线越近,圆周就越小,离电线越远,圆周就越大。
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那么现在我们假设这个橘子代表的就是地球,这根电线代表地轴,天花板和墙壁用来表示整片天空,而这只昆虫表示的就是一个对天文学一无所知的观察者。这时,观察者就会觉得自己是不动的,而整片天空正在自东向西旋转。在他看来,除了两个点是静止的之外,天空中的每个点都在绕着地轴做圆周运动。这两个点就是地轴两端无限延长到达虚构出来的天球内部的点,我们把这两个点叫做天极,它们和地球的两极是相对的。
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通过上面所讲,即使地轴是看不见的,根本不存在的,你也了解了它的位置是如何确定的。你只需要找出这样的一颗星星:不管什么时候,它的位置都不会发生改变,也没有做圆周运动。如果找不到看起来绝对静止的点,也可以找到做最小圆周运动的那颗星。找到它,就可以确定地球的北极,沿着这颗星,就可以找出地球的北极点。用同样的方法,还可以站在南半球的某个位置找到地球南极点的所在。
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在我们视线范围内,离极地最近的那颗星就叫做极星。它并不是绝对静止的,只不过它的圆周运动距离非常小。在晴朗的夜晚,只要我们站在一片空旷的土地上,抬头看天空,就可以看见极星就在我们的左手边,也就是太阳升起的地方。我们会看到在地平线上空有一组群星,组成了一个星座叫做大熊座。这个星座由7颗星星组成,其中4颗非常亮,排成了一个长方形,还有3颗排成一条不规则的线,聚集在长方形的一个角的地方。大熊座是最亮最大的星座,在那片天空中其他可见的星星都无法和它的绚烂相比,因此它非常吸引人的注意。此外,由于它处在极星附近,所以彻夜可见。因为大熊座也是围绕着地轴转的,所以它在空中的位置会时高时低,但是在北半球上的人看来,它从未消失在地平线下。下面的图片所展示的就是我们讨论的大熊座的形状。它的身子是由4颗星星组成的,尾巴则是由其他3颗星组成。
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由这7颗星星组成的星座是什么样子的呢?只见这只猛兽伸直了尾巴,露出了尖锐的牙齿,同时伸出爪子,好像要捕猎,这意味着什么呢?我们从未在天空中看到过类似的事物,这幅图片纯粹是想象出来的。为了区分难以计数的星星,天文学家们达成共识把天空分成几个不同的区域,然后给各个星座命名,有时候星座的形状会跟某种动物或物体相似,为了方便,他们就会按照动物或者物体的名称来命名。因为图中所画的星座跟大熊很像,所以天文学家们就把它叫做大熊座。在大熊座所在的这个区域,还有其他的星星,只不过这7颗表示大熊座的星星比较显眼,所以其他的就被忽略了,因此我们就习惯用大熊座来表示它所在的那片天空。事实上,这个名字也是不大符合实际的,因为在现实生活中熊的尾巴是非常短的,科学家为了把那3颗星星也加进去,所以才不得不给这只熊添上了长尾巴。大熊座也被称作“大卫的战车”,在这个想法中,4颗星星就组成了一辆长方形战车,而其他的3颗则代表战车的推杆。
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图8
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离大熊座不远的地方,还有另外一个也是由7颗星星组成的星座,它的排列方式跟大熊座的一样,只不过没有大熊座那么亮那么大。观察的时间不同,它的位置也是不同的,有时在大熊座下方,有时在上方,有时也可能在左边或右边。其中4颗星排成了一个不是那么正的正方形,其他的3颗排成一排接在了正方形的其中一个角上,形成尾巴。这个小点的星座就叫做小熊座。小熊座的尾巴所指的方向与大熊座的尾巴指的方向总是相反的,而且小熊星座尾巴末端的那颗星星P,是这个星座中最亮的一颗。
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没错,这颗星星P就是极星,当其他的星星都在自东向西做圆周运动时,这颗星星基本上都是静止的。地轴就在这颗星星的附近,假如把地轴延长,它将会冲破我们假想出来的天穹。如果很熟悉大熊座的话,只要按照下面的方法,就可以很容易找出极星:首先找到离大熊座头部最近的两颗星星,把它们连成一条直线,然后延长,穿过大熊座的背,直到找到一颗比它周围的星星都亮的星星,那么这颗星就是极星。要是怕找错,还可以利用小熊座来确认,只要检查这颗最亮的星星所处的星座是不是小熊座就行了。
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地球两极所在区域的名称来源于大熊座。比如:与大熊座相对的海洋就叫北冰洋,在希腊语中,“arctos”这个词就是熊的意思。而在地球的另一边离大熊座最远的海洋,被称作南冰洋。我们也把地球的两极称作南极和北极,离我们较近的极点就是北极。
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从地轴的位置和星星的运行,我们才得出指南针的四个最主要的方位:北、南、东、西。地轴是指向南北,而星星的运行方向是自东向西。在特定的环境下,我们就可以找出东西南北,也就是找出我们自己所在的位置。白天的时候,想要找出东西南北,可以面对太阳升起的地方站着,这时前面是东,后面是西,左边是北,右边是南。当然,太阳下山时,判断的方法也是很简单的。如果是面朝太阳下山的地方站着,那么前面是西,后面就是东,右边是北,左边是南。假如是在晴朗的晚上,那么我们看到的极星的位置就是北,后面就是南,右边是东,左边是西。
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有时候我们会用“东方”这个词来代替“东”,意思是升起的;而“西”则会用“西方”这个词表示,意思是落下的。同样,我们也会用形容词“东方的”和“西方的”来分别表示“东边的”和“西边的”。在结束这个话题之前,还有一点也是要了解的,那就是指南针上的其他四个方位。东北就是指东面和北面的中间,东南就是东面和南面的中间。不用再作解释你们也知道西北和西南是指什么了吧。最后一点是:在地图上,如果没有特别标明,那么上面就是北,下面就是南,左边是西,右边是东。
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在告诉你们地球的运行轨道之前,我猜你们会对一个表象问题感到很困惑。假如地球一天转一圈的话,那么当它转到一半时,我们应该也是绕过了地球半圈,然后我们应该是在跟起点相对的位置。一开始,我们的头在上,脚在下,但是12小时过后,应该是脚在上,头在下。最初我们还是正立的,但是过了12小时之后,应该就变成倒立的了。可是为什么这样“倒立地站着”,我们都不会感到不舒服呢?为什么不会掉下去呢?正常来说,要保证不掉下去,我们是应该紧紧地贴在地球上的,可是事实上根本不需要这样做,我们不会发生任何意外。
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