人类认识大地形状三部曲，本文主要内容关键词为：形状论文,大地论文,人类论文,三部曲论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：K90—09文献标识码：A
人类对自己脚下这块赖以安身立命的大地，素来怀着虔诚的感恩之情。人们尊称她为“大地母亲”，用最美好的诗篇来赞颂她。大地的形状是怎样的呢？自古以来，人类千方百计想知道这个秘密。我们对现在称为“地球”的大地的认识，是随着人类文明的进步不断加深的。但是时至今日，我们仍然不能说：人类已经最终认识地球的真实形状了。
一 棋盘、圆盾还是金环圈？
在古代，人类活动的地域非常有限，眼界十分狭窄。每一地区的人都以为自己居住的地方就是世界的中心，当地的自然环境就是世界的面貌。最早的猜想大都以种种稀奇古怪的神话传说来表达的，萌芽态科学思维同宗教、神话和艺术幻想存在着一种曲折的联系。
“地平说”是对大地形状的最早猜测。古代中国很早就有“天圆地方”的说法。拱形的天穹，被大地上叫做不周山的四根大柱支撑着；而地像方形棋盘，被几根大绳索悬挂在天的下方。从长沙马王堆一号古墓出土的西汉帛画，距今约有2000年多，其中画着这样一则神话：鲧是古代治水大英雄夏禹的父亲，因为偷取天帝的生息之土来堵塞泛滥的洪水，结果遭到天帝的严惩，永做顶托大地的劳役。在这幅画里，大地被画成是一块方形的平板。
古埃及人认为，宇宙像一只长方形大箱子，地是稍呈凹形的箱底，天是有些穹起的箱盖，支撑在从大地四角升起的四座大山顶上。宇宙之河环绕着大地，流过大地中央的尼罗河是它的一条南方支流。
后来，人们感到地平说无法解释眼睛看到的一些自然现象，例如地平线下的地方，怎么会隐没不见呢？等等，于是进而把大地设想为不同程度的拱形：圆形的盾牌、倒扣的盘子、半圆的西瓜……。
考古发现的最早地图，是公元前2800多年古巴比伦人用泥土烧制的，残片上除了巴比伦的疆界，还刻着当时的宇宙模型：倒扣的扁盘形大地被水包围着，半圆的天穹覆盖在水上。
在古希腊人的想象中，大地是由“大洋之河”团团围住的圆地，“汹涌的河水在丰饶的地盾边缘上翻滚”，“在海洋的边缘上，张起了圆形的天幕似的天穹”。在古希腊地图上，从地中海通向大西洋的直布罗陀海峡处，总画着希腊神话中的巨人安泰，左手举起的警示牌写着：“到此止步，勿再前进！”当时的人都很相信，船到大西洋就会随同海水一起跌进无底深渊。在公元前1世纪，有个叫做波斯顿尼亚的人， 壮着胆特地把船开到西班牙附近的海域，想听听太阳降落入大西洋时是否有嘶嘶声，就像一只烧红的铁球跌进水里时常有的那种响声。
中国东汉时期的大学者张衡（78—139）主张“浑天说”， 他认为“浑天如鸡子，地如卵中黄”。硬壳的天包着地，正如鸡蛋壳裹着鸡蛋黄；上微拱下圆凸的半球体陆地浮在水中。在古代俄罗斯人的心目中，大地像一块微微拱起的圆形盾牌，由3条巨鲸驮着飘浮在大洋上。 古印度人想象大地形似倒伏的大碗，由4头大象承载着， 大象站在护持神毗瑟拿化成的大海龟背上，海龟伏在象征水的眼镜蛇身上，巨蛇则口尾相衔，把天地万物围住。
古罗马时代盛行“地环说”，那是因为罗马帝国的疆土主要是环绕地中海而展开的。地中海的本义，原是“大地中央的海洋”之意。古罗马人由此认为，大地的四周和中央都是水，陆地的形状就像罗马皇帝腰上系着的那根阔边金环带。
二 “您首先拥抱了我！”
公元前6世纪， 古希腊的毕达哥拉斯学派最早提出西方“地球说”猜测。他们常常结伴登上高山观察日出日没，在曙光和暮色之中，发现进出港的远方航船，船桅和船身不是同时出现或隐没。而且，古希腊人崇尚美学原则，许多学者认为既然地球是宇宙中心，那它的形状一定是宇宙中最完美的立体图形——圆球体。二百年后，大学者亚里士多德（Aristoteles，前384—前322 ）从逻辑上更为自洽地论证了大地“地球说”。他注意到月蚀时大地投射到月亮上的影子是圆的，由此推测大地是球体。
中国春秋战国时期也已出现“地球说”萌芽思想。诡辩学派的代表人物惠施（约前370—前310），就提出过“南方有穷而无穷”的命题。别人问他大地中央在哪里？回答是：“在北方燕山的北面，南方越南的南面。”显然已有球形大地的想法。而“南辕北辙”的典故，原本是讥笑“地球说”这一天才猜测的。
在古代就已精确测量出地球实际大小的人，是希腊化时代亚历大里亚城的埃拉托色尼（Eratosthenes，约前276—前195）。他推算出地球圆周长39,600千米，同现代值仅差400千米，真让现代人惊叹不已！ 他的方法既简单又巧妙。他发现，在塞恩（今埃及及阿斯旺）的夏至那天正午，太阳正临头顶，阳光直射井底。与此同时刻，在它的正北方920 千米外的亚历山大港，立地的长棒与太阳照射方向成7°12’。 他认为太阳很远，光线可以看成是平行的。经简单的几何运算，便得到地球半径和周长等数值。
地球说大大超出常人的想象力，因此长期来难以流行。直至21世纪将临的今日，即使在高科技最发达的美国，仍然有人不相信地球说，很多年前就成立的“地平说笃信者协会”，现在仍有会员100多人。 在中世纪的欧洲，因为地球说同圣经教义相悖，更受到教会最激烈的反对和镇压。有个名叫甫拉克丹的神甫气忿地说：“难道真有这样的疯子吗？！他们竟会认为有头朝下脚向上走路的人，花草树木向下生长，而雨水冰雹却向上降落？”因为主张地球说，13世纪的英国思想家罗吉尔·培根（Roger Bacon，约1214—约1292）先后被囚禁了15年；1327 年意大利学者皮耶特洛·德·阿斯科里被罗马宗教裁判所活活烧死。例子不胜枚举。但真理是决不会屈服于强权的。
15世纪以来，由于欧洲市场经济发展的迫切需要，以中国发明的指南针西传为契机，开始了地理大发现的时代。“地球说”使航海探险家们相信，由欧洲往西航行可以缩短到达中国、日本和印度的航线，同时，他们的实践最终证实了“地球说”的真实性。
1492年8月初，意大利航海家哥伦布（C·Colombo，约1451 —1506）受西班牙国王之命，率船3艘，从巴罗斯港出发，西渡大西洋， 为的是到印度去寻找香料和黄金，结果“种豆得瓜”，无意之中来到了美洲新大陆。但他至死还以为自己登陆的地方就是印度东海岸，因此把那里的土著居民称为“印第安人”。由此可见哥伦布对“地球说”观念的执著程度。
1519年9月，葡萄牙航海家麦哲伦（F·De Magellan ， 约1480 —1521）在西班牙国王资助下，率领5艘大船和265个海员，从西班牙桑路卡尔港出发向西寻找东方的香料群岛。船队历尽艰难险阻，麦哲伦本人也死在途中。1522年9月7日远征队回到西班牙塞维利亚港时，仅剩“维多利亚号”上18名疲惫不堪的海员了。麦哲伦船队首次环球航行成功，最终结束了几千年来关于大地形状的种种争议。西班牙国王奖给凯旋归来的远航勇士们一个精美的地球仪，上面镌刻着一行意味深长的题词：
“您首先拥抱了我！”
三 西瓜、香瓜还是桔子？
16世纪法兰西国王的御医、地理学家斐纳（Feiner）曾这样评价伟大的地理大发现：我们时代的航海家，给了我们一个新的地球。
这是人类认识大地形状的第一次飞跃。但问题又来了：地球是个什么样的球体呢？
在16—17世纪，欧洲人急于想知道地球的实际形状，首先是航海的迫切需要。远涉重洋的航船正如飘荡在茫茫水天中的片片秋叶，没有精确可靠的航海图，特别是没有测定地理经度的合适方法，很难确定确切方位，航海风险极大，海难事故不断。测定经度比测定纬度难得多。在古代和中世纪，测定经度的唯一方法，是根据月食发生时不同地点记录到的时辰来推算。出于军事竞争和经济利益的驱动，西班牙、荷兰和英国等国政府相继重金悬赏求解这一难题。1714年，英国专门成立了经度局，赏金高达2万英镑，在当时堪称天文数字。
17世纪下半叶，发生了奇怪的“摆钟事件”和“青鱼悬案”，闹得欧洲沸沸扬扬。
1672年，巴黎科学院派遣天文学家里希尔（J·Richer ， 1630 —1696）赴南美洲法属圭亚那首府卡宴（西经52.5°，北纬5 °）进行天文观测。他在那里发现，随身携带的一架本很精确的摆钟比在巴黎时每昼夜慢2分28秒，于是调整了摆的长度。想不到回巴黎后，又快了2分28秒。他推测，这种奇怪现象很可能是由于地球并非是一个标准圆球体而产生的。但是那些不敢正视事实的“权威”们，反而攻击里希尔“违背科学”，甚至把他赶出了巴黎科学院。
一波未平一波又起。一艘满载5千吨青鱼的荷兰渔船， 经半个多月的航行，从鹿特丹来到非洲赤道附近的一个城市。在货物过磅时，竟发现有19吨青鱼不翼而飞。这条船在航行中从未靠过岸，而且包装和件数都原封不动，显然不是失窃所为。“难道鱼儿游回了大海？”船长百思不得其解。原来，这也是地球开的玩笑。
但是，正当法国人把里希尔视为“科学垃圾”清除之际，有两个人却在“垃圾”中发现了黄金的闪光，那就是英国的牛顿（Isaac Newton，1642—1727）和荷兰著名天文学家惠更斯（C.Huygens，1629—1695 ）。他们不谋而合地指出，这一发现证实了他们原先的猜测：地球在自转惯性离心力作用下，应该是两极稍扁、赤道略鼓的椭球体。
尤其是牛顿，深知进一步搞清地球形状和大小的重要性。由于牛顿早期采用的地球半径测定值比实际值小了3%， 结果引力计算值比实测值大1／6，这成了牛顿万有引力假说搁浅了整整20年后发表的重要原因。1668—1670年，法国天文学家皮卡尔（J.Picard，1620—1682 ）创新大地测量方法，采用带测微器的望远镜和象限仪在巴黎附近精确测定了地球子午线上1°弧长。他还指出，地球并非标准球体。 牛顿利用皮卡尔于1671年求得的地球半径数据完成了引力理论的月一地检验，才下决心公开发表万有引力理论。
牛顿指出，如果地球不是旋转体，单纯的吸引力会使它成为正球形，但是地球是个旋转体，每一质点都同时处于向心力和离心力的合力作用下。南极和北极的向心力最大；反之，赤道处离心力最大。这样，两极处就受到压缩而赤道处得以扩张，于是地球形状就成了扁球体。同时，他在望远镜观测中发现土星和木星都是扁球状，他认为地球也不会例外。
牛顿扁球说在法国掀起了轩然大波。巴黎科学院有批人原本坚决反对牛顿引力理论，现在又激烈攻击他主张的扁球说。1683—1716年间，巴黎天文台台长雅克·卡西尼（J.Cassini，1677—1756 ）父子在法国南部佩皮尼昂和北部敦刻尔克作了两次很粗糙的地球子午线测量，就断言“地球顺着旋转轴伸长”。他说：“地球形状并不象桔子，倒很象香瓜。”
这场“英国桔子”和“法国香瓜”的激烈论战从17世纪开始，差不多延续了半个多世纪。到18世纪30年代，巴黎科学院里明显地分裂成两大派：一派是“香瓜派”，以雅克·卡西尼和马拉里吉（Malad ）为首；一派是“桔子派”，以数学家克莱罗（A.C.Clairaut，1713—1765）和达朗贝尔（J.L.R.D Alembert，1717—1783）为代表，并得到大哲学家狄德罗（Dinis Diderot，1713—1784）等人的支持。为裁决争端，法国国王路易十五授权巴黎科学院派出两支远征队，分赴赤道和北极地区，以便在相距甚远的两个地点测量和比较地球子午线上1°的弧长。
1735年，由布格（P.Bouguer，1697—1758）和拉康达明（Ch. de.La Condamine，1701—1774）率领的一队远涉重洋， 到达南美的秘鲁和厄瓜多尔的安第斯山地区（南纬1°31′）。第二年， 由著名数学家莫泊丢（P.L.M.de Maupertuis，1698—1759 ）和克莱罗率队赴芬兰与瑞典北部的拉普兰平原（北纬66°20’），2 年后测得当地子午线一度之长为57， 422“督亚士”（Toise，法国古尺；约合111,918米）。往南的远征队由于碰上当地内战等种种阻扰，历尽10年艰辛，最后测得当地子午线一度之长为56,748“督亚士”（约合110,604米）。 比较两地观测数据后表明，牛顿的推测是正确的。莫泊丢本来怀疑牛顿的见解，现在也完全信服了。
于是“桔子派”大获全胜。
大哲学家伏尔泰（Voltaire，1694—1778）当时评论说，这两个远征队用最雄辩的事实， 终于把两极和卡西尼都一起压下去了。
四 梨子对桔子提出挑战
牛顿从地球内部物质均匀分布的假设来简化处理地球形状，得到的是理想化的标准模型。实际情况怎样呢？
1743年，“桔子派”的阿·克莱罗发表经典著作《地球外形的理论》，他假设：地球内部物质因分层而不均匀，其密度由地表向中心逐渐增大。虽然他计算得到的地球在海平面的形状同牛顿扁球模型相去甚微，仅差200多英尺，却开创了地球形状认识史的数学研究新阶段。
1828年，德国大数学家高斯（C.F.Gauss，1777—1855 ）在总结哥廷根和阿里顿两个天文台的纬度差测定时，又开始怀疑扁球体不能表示地球真实形状。但是这在当时仍是难以解答的科学问题。
20世纪以前对地球形状和大小的研究，主要是绘制地图和航海的迫切需要推动的，对牛顿扁球体标准模型的误差尚能容忍。但是在现代，更精确测定地球形状，对于诸多领域如地球内部物质结构研究、引力场研究、特别是对空间技术和军事上远程导弹轨道的研究，越来越重要，亟待进一步完善和发展。
20世纪初，开始了大规模海洋重力测定的时期。而在此以前，地球形状学研究主要采用传统的天文一大地测量、陆地重力加速度测量和月球—地球动力学测量。1901年，德国的赫尔默特（F.R.Helmert， 1843—1917 ）首创海上重力测定。 荷兰的韦宁·梅内斯（F. A. VeningMeinesz，1887—1966）1923—1934 年间率领远征队乘潜艇在各大洋游弋，测定了近千个点的重力值，奠定了现代海洋重力学基础。
1957年人造卫星上天以后，认识地球的手段发生了全新变化。借助遥感卫星和全球卫星定位系统，开创了精确观测地球的新时代。勘测发现世界大洋表面确非球面形状，隆起和凹陷的落差近200米， 几乎是尼亚加拉大瀑布的4倍。目前探明至少存在3块较大隆起区域：澳大利亚东北的太平洋水面，隆起区高76米；北大西洋的南伊斯兰附近隆起68米；非洲大陆东南洋面高出48米。有趣的是， 相对应的洋面凹陷区域也有3块，它们是：印度半岛以南洋面，凹陷深达112米； 加勒比海地区陷进约64米；加利福尼亚以西洋面下降56米。而且，这些地区的面积直径都在3000—5000千米左右。
1975年9月，第18 届国际大地测量学和地球物理学联合会通过决议，向国际社会郑重推荐大地测量常数元素值。其中有：地球赤道半径6,378,140米±5米；极半径6,356,755±5米；扁平率的倒数（298,275±1.5）×10[-3]。
从人造卫星资料中发现，地球赤道横截面也不是正圆，而是卵圆形，它的长半径和短半径相差427米，在西径15°处最宽。 科学界据此认定：地球是经线圈和赤道圈都为椭圆面的三轴椭球体。
20世纪80年代以来，又发现“椭球说”并不尽然。分析人造卫星轨道数据后发现，南北半球实际上是不对称的，相对而言，北半球尖且小，南半球底部凹而大。与标准椭球体表面形状相比，南极大陆水准面比基准面凹进24—30米；而北极大地又高出基准面14—18.9米。其他部位也有这种差异。从赤道到南纬60°之间是隆出，而从赤道到北纬45°之间是凹进。也就是说，整个地球形状像一只正放的大鸭梨。这是地球形态学上的第四级近似，标志着人类认识大地形状的又一次飞跃。
五 数字地球：变化的梨子
“梨子模型”的建立没有终结人类的认识，这不仅因为模型只是对原型的近似，更由于地球本身永恒变化。现在观测到的总趋势是：南半球膨胀，北半球收缩。近年来，上海天文台等单位发现，北半球的纬度圈每年缩小不到1厘米，南半球纬度圈每年扩大1厘米多。1 厘米长短的变化很小，但天长地久的累积，也就不可小觑了。
以信息高速公路网和国家数据基础设施为依托，1998年2 月在美国出现了“数字地球”的概念。1999年11月29日至12月2日，来自25 个国家和地区的400多名中外科学家聚集北京， 召开首次数字地球国际会议。数字地球是对真实地球及其相关现象统一性的数字化表示，其核心思想，一是用数字化手段重现海量地球数据的、多分辨率的、三维的和动态的地球；二是最大限度地利用地球信息资源。
目前，人类已积累了有关地球表面的大量原始数据和相应资料，包括难以数计的各类数字化地理基础图、专题图和地籍图等等，已有足够的条件和能力构建“数字地球”。在不远的将来，任何人都可以坐在电脑前轻轻点击鼠标（或不再用鼠标），通过一定程序身临其境似的看到（或“触摸”）地球上任何一个地方的一个三维图像，查阅详细的数据。数字地球作为新一代“地图”和“望远镜”，人类奏响了认识地球的第三部进军曲，也引发了新一轮国际竞争。
美国关于数字地球构建的时间表是：2005年初步实现，2020年基本完成。2000年2月当地时间11日中午12点43分， “奋进”号航天飞机载着6名宇航员，携带13吨重量、60米长伸缩天线的地球扫描雷达， 从佛罗里达州卡纳维拉尔角海滨发射台升空，以执行雷达地形测绘任务，描绘一幅空前高分辨率的地球地形图。宇航员在235 千米高的轨道上飞行了9天6小时，收集到的地貌测量数据装满了300多盒数码磁带， 其探测从北纬60度的格陵兰岛到南纬56度的南美洲最南端，覆盖了地球表面大约75%面积，拥有居住人口95%。
加州帕萨迪纳喷气推进实验室首席科学家黛安娜·埃文斯（D.Evans）说，我们正在用前所未有的方式观察地球，就好像是在重新审视我们的星球。据美国国家测绘局称，这些精细程度前所未有的三维测绘数据将用于军事和民事。在非军事领域，可以用来观测地震断层，对潜在的熔岩流、山崩和水灾进行模拟，规划桥梁、大坝和管道的建设，改进航线规划、导航以及移动电话通信塔的布局等等，甚至还可以帮助那些徒步背包的旅行者。
就我国来说，已发射了68颗卫星，获取了高分辨率的全景摄影图像，已建、在建和拟建的大中型地理空间数据库多达200多个，在中国21 世纪议程的62个优先发展项目中，有42个需要建立或应用地理信息系统。积极参与构建数字地球的国际合作与竞争，是中国21世纪的战略选择，已经摆到议事日程上来了。
但是，数字地球的构建并不意味着人类将一劳永逸地终结对地球的认识，而是要不断跟踪和记录地球变化的动态。目前科学家们认为，引起地球形状变化的主要因素有：
首先，每年沉降于地表的宇宙尘约在1—10万吨。 英国天体物理学家埃吉德（L.Egyed）估计，地球半径从地质时期始以每年0.5毫米的速率递增，而地表的水面积正在减少。其次，已知地球自转速度有3 种变化：长期减慢、不规则变化和周期变化。地球自转速度每10万年大约减慢2秒，长期减慢使扁率趋于变小。第三， 地球内部熔融态物质的不断运移，是其形貌改观的内在动因。现代板块构造学说认为，地球内部地幔物质对流会导致岩石圈大规模水平移动，产生大陆漂移和海洋扩展。第四，月球引潮力作用不仅造成江湖河海涨落的潮汐，还会引起“固体潮”，使地表出现几十厘米上下波动。此外，人类修理地球、改造自然的种种实践活动，也给地球形状变化打上了“人化”的印记。
美国著名科学作家阿西摩夫（I.Asimov，1920—）说：从宇宙空间观看地球时，它既不像个梨，也不像个鸡蛋，而像一个很圆的球。……最好还是把它说成是一个不规则的球体。
我们脚下的地球，它的实际形状不规则原因、变化趋势和影响因素，仍然是有待深入探索的自然之谜。