古人为什么没能从月球身上推理出地球也可能是个球体?

古人为什么没能从月球身上推理出地球也可能是个球体?

One Two,效果拔群。

在这个问题下有不少回答秉持知乎精神从「是不是」的角度反驳了题主的提问。确实这类上来就问为什么的,找反例是最直接的破解方式。不过我感觉有时候正面回答一下这些个为什么也无妨。

首先要指出 @赵泠 列举反例时出现的一些值得商榷的地方。古代中国较早出现的三种宇宙论中,盖天说与浑天说关于大地形状的描述,特别是成书于两汉时的文献(如《周髀》、《浑天仪注》、《灵宪》)并没有言之凿凿地指出大地为球形或者是半球形。相反,从相关文献上下文理解,不论是盖天说还是浑天说,都倾向把大地看作平面。

论述盖天说的早期代表作品是《周髀》,唐以后称《周髀算经》。《周髀算经》在默认天地是平行平面[1]的前提下,以对正午周髀影长的观察[2],构建了盖天宇宙模型。《周髀算经》中盖天宇宙由“天”和“地”两部分组成,天在上,地在下,天地的总体形状是相互平行的平面,地面在中央处有一名为「极下璇玑」的突出。

《周髀》中的盖天说宇宙模型(局部)

而早期论述浑天说的经典之作当属《浑天仪注》和《灵宪》,一般而言这两份文献都被认为出自东汉著名学者张衡之手[3]。在浑天说宇宙模型中,天的形状是圆球状,天与地的位置关系是天大地小,天包地外[4]。《浑天仪注》 中,浑天说中的天地结构被比作鸡蛋壳与蛋黄的关系,这个类比也长期被视为浑天说持地圆观点的关键证据。但联系上下文[5]可以发现,此处的鸡蛋比喻主要是为了说明天地位置关系。从 《灵宪》 中给出的数据[6]可知,此时的浑天说认为天和地的大小相近,若浑天说认为大地的形状是球形,那么「孤居于内」的球形大地就没办法将天空中的二十八宿以及周天度数平分[7],只有平面大地才能做到这一点。

根据《灵宪》还原的浑天说宇宙模型

以上说的内容只是针对浑天说和盖天说在早期(两汉)的面貌。古代很长,各种理论毫无疑问会随着时代发展出现改变。

回到问题本身,从「月球是个球」到「地球也应该是个球」这个看似简单的逻辑其实并非那么显然。当我们抛开一切现代自然科学知识体系,去拥抱如上述这些古人的「过时智慧」时,你就会感受到月球和地球并不是两个会有直接联系的事物。不管是浑天说还是盖天说,月球都只不过是天空日月星辰中的一员,如何能跟与整个「天」等量齐观的「地」相提并论?

即便是笃信「地球是个球」的古希腊学者们,他们的论证思路也不是「因为『月球是个球』所以『地球是个球』」。按照当时流行的物质理论[8],月球与地球呈现球形的原因是不同的:地球由土元素聚集而成,土元素天然有朝宇宙中心运动的倾向,会围绕宇宙中心呈对称排列,而对称排列的最终结果是球;月球处于充满以太的月上世界与其余四元素所在的月下世界的临界位置,其物质组成是第五元素以太,由以太构成的物体都是完美的球形,因此月球是一个球。

另外我们可以看看被誉为「集古希腊天文学之大成」的《至大论》[9]是如何从观测的角度论证地球是个球的。在《至大论》第一卷第四章「地球整体上感觉也是球形的」[10]中,作者托勒密给出了若干论据论证地球是球形,我试着归纳一下。

第一个论据是时差:

我们看到日、月或者其他某个特定星体在地球上的不同观测者看来并不是同时升起或落下,对东边的人而言会早一些(升起或落下),对西边的人晚一些......我们发现在时刻上的差异与两地的距离成正比......

如果地球是球形的,那么出现时差现象是很自然的事情。但是问题来了,有时差现象是否就可以推导出地球是球形呢?显然是不可以的,时差现象只是地球是球形的必要不充分条件,其他形状的地球也可以出现时差现象,例如《至大论》提到的圆柱地球论[11],甚至我们可以加入一些假设,这样即使地球是平的,也可以产生时差现象。如《周髀算经》为了解释日出日落以及昼夜变化,提出太阳光的照射范围是有限的,只能覆盖以直射点为圆心,半径 167000 里的圆形范围[12],同时人眼的视野范围也是这个大小[13]。不难发现引入太阳光以及人眼视野范围有限的假设后,时差现象也解释得通了。

一个论据论证地球是球形还是比较吃力的,于是《至大论》马上给出第二个论据——星空在南北方向上的变化:

事实上,我们越朝北走,就会发现南边看不到的星星越多,同时北边看到的星星也越多。

地球在东西方向以及南北方向都是个曲面,这样就可以说明地球是个球吗?

图︱VICE

一个甜甜圈状的,人类居住在甜甜圈外侧的地球也符合描述[14]

《至大论》在这一章末尾还描述了航海中的一个现象,可以看作第三个论据:

当我们从任意方向航行靠近海岸上的山时,我们首先看到的是山巅,然后才是山腰和山脚......而这是由于海平面的弯曲造成的。

海平面都是弯的,地球总该是个球了吧?

图︱VICE

甜甜圈地球的海平面也是弯的。

可见只是观测上的证据,并不能让古希腊学者严格证明地球只能是个球。美国科学史家、科学哲学家托马斯·库恩指出[15],除了观测证据,美学上的考虑也让古希腊学者们坚定了球形地球的想法:宇宙的形状应当是完美的,宇宙中的各种天体也是完美的。球形往往被看作是三维空间里最完美的形状,因为球面上任意一点到球面所包裹的空间中心 (即球心) 的距离是恒定的,这是其他常规几何形状所不具备的特点。因此,宇宙本身以及各种天体都应该是完美的球形。


看了下评论区,似乎有不少人在纠结甜甜圈地球不能完全满足《至大论》当中第二和第三个论据。有这样想法的同学我认为还是不自觉代入了现代思维,觉得可以一直往北 / 往南走,或者在海上随便航行,看看会不会有反常的现象,从而排除掉甜甜圈地球的假设。我们现在设想的是在两千年以前甚至更早的时代去论证地球的形状,当时人类的技术水平以及观测手段无疑是有限的,他们可以去证明在自己居住或者能触及的有限范围内大地的形状是球形的曲面,但如何能确定整个地球就是规整的球形呢[16]?我们现在可以,而他们当时做不到。