5．止步不前的科学

近来的一两个世纪，高科技和智慧结合在一起驱动着宇宙探索的前进。但是，假如没有技术，假如唯一的工具就是一根棍子，你还能发现什么？多得很呢。

保持耐心仔细测量，你能用棍子收集到多得吓人的信息，关于我们在宇宙中位置的信息。这一切无关棍子的材质，也无关它的颜色，只要它是直的就行。在看得清地平线的地方，把棍子牢固地砸进土里。由于现在没有技术可用，你不妨找块石头代替锤子。要确保棍子立得又直又稳。

这样你的原始实验室就建好了。

找一个晴朗的早晨，随着太阳的升起、西移、落下，记录相应的棍影的长度。开始影子会比较长，然后慢慢变短，直至太阳爬到天空中的最高点，最终又逐渐变长直至日落。收集这个实验的数据就像观察钟表的时针运转一样无聊。但是你没有科技可以利用，也就没什么别的好关注。注意，当影子最短的时候，半天就过去了，这时称为地方正午。正午时分的影子要么指向正南方要么指向正北方，取决于你在赤道的哪一侧。

你刚刚做好了一个简单的日晷。如果想扮得博学点，那你现在可以把这根棍子叫作晷针（我还是更倾向于叫“棍子”）。在文明起源的北半球，随着太阳在天空中移动，棍影会按顺时针方向绕棍子的底端旋转。其实，这正是钟表“顺时针”方向的最初来源。

如果有足够的耐心和晴朗的天气，让你能够把这个实验重复365次，你会发现太阳每天并不是从地平线上的同一个位置升起。一年中有两天，太阳升起时的影子所指的方向与日落时影子所指的方向正好相反。在那两天，太阳从正东方升起，从正西方落下，白昼与黑夜一样长。这两天就是春分和秋分（英文equinox，来源于拉丁文，意思是“日夜相等”）。在其他日子里，太阳从地平线的其他地方升起落下，所以说，创造谚语“太阳东升西落”的人肯定从没有仔细观察过天空。

如果你在北半球记录日升日落点，就会发现这些点在春分之后向东西线的北方移动，最终停下，然后向南移动。当这些点再次越过东西线后，向南的移动最终缓慢并停止下来，取而代之的是下一次北移。这整个循环一年重复一次。

太阳的轨迹一直在变。夏至（英文solstice，拉丁文意思是“静止的太阳”）那天，太阳从地平线上最北的点升起和落下，沿着最高的轨迹在天空中移动。这使得夏至成为一年中白昼最长的一天，而且这天正午的棍影是一年中最短的。在太阳从地平线上最南端升起和落下的那天，它在天空中的轨迹最低，正午的棍影在一年中最长。这一天当然就叫作冬至。

对于地球60%的表面和75%的人类居民来说，太阳从来没有，将来也不会出现在头顶的正上方。剩下的那些地方，也就是以赤道为中心的5200千米宽的一圈，一年中只有两天太阳会升至天顶（对，如果你正好在南北回归线上的话，一年只有一天）。我敢打赌，宣称知道太阳从哪升起和落下的人一定就是写出谚语“正午时分，日上中天”的人。

到现在，靠着一根棍子和超强的耐心，你已经确定了罗盘上的方位基点和标志四季转换的四天。现在你要设计某种方法来记录一天的正午与第二天正午之间的时间。昂贵的精密时计当然可以，但是一两个精致的沙漏也已足够了。两种计时器都能准确记录太阳围绕地球转一圈所需的时间——即太阳日。在一年里做均分，一太阳日正好等于24小时。但是，这不包括偶尔加上的闰秒。由于海洋受月球引力的影响而拖慢了地球的自转，因此需要通过增加闰秒来调节。

回到你和你的棍子上来，我们还没结束呢。让你的视线经过棍子顶端对准天空的一点，用准确的计时器记录熟悉星座里某颗熟悉的星星经过该点的时间。接着，还是用这个计时器，记录这颗星星再次经过该点需要多长时间。这段时间称为一个恒星日，长度是23小时56分4秒。恒星日和太阳日之间相差约4分钟，正是这个差别使得太阳在恒星构成的天空背景中来回迁徙，给人以太阳整年在各个星座间巡回访问的印象。

当然，白天你是看不见星星的——太阳除外。但是刚日落后或即将破晓之前，可以看见太阳附近的天空中有些星星，因此眼光犀利又熟记星图的观察者能分辨出太阳背后是什么星座。

再次利用你的计时器，你可以拿地上的棍子做点别的尝试。一整年里的每一天，在计时器指示正午的时候记录下棍影顶端的位置。你会发现每天的位置都不同，一年结束，你将会画出一个8字形曲线，博学者称之为“日行迹”。

为什么？地球自转轴与黄道面法线的夹角是23.5度。这个夹角不仅带来了我们熟悉的四季更替和每日太阳轨迹在天空中的大幅移动，也是因为有这个夹角存在，太阳全年在天球赤道左右来回移动而产生了8字形曲线。不仅如此，而且地球围绕太阳的轨道不是理想的圆形。根据开普勒行星运动定律，它的轨道速度必定会变，靠近太阳的时候较快，远离太阳的时候较慢。由于地球自转的速率非常稳定，因此有些东西必须改变：太阳并不总是在中午12到达天空中的最高点。虽然每天的变化很慢，但是一年中有几次太阳迟到的时间能达到14分钟。另有几天会早到16分钟。一年中只有4天——对应于8字形曲线的顶点、底点和中间交叉点，时钟上的时间和太阳时相等，大约是4月15日（与报税日无关）、6月14日（与国旗日无关）、9月2日（与劳动节无关）和12月25日（与耶稣无关）。

接下来，克隆一个你和一根棍子，把他们送到地平线正南方远处的某个事先选好的地点，提前约定在同一天的同一时刻测量棍影的长度。如果影子一样长，那说明地球是平的，或者超级大；如果影子长度不同，那你可以利用简单的几何方法计算出地球的周长。

天文学家和数学家埃拉托斯特尼（Eratosthenes of Cyrene，公元前276年—前194年）就做过这个实验。他比较了两个埃及城市——阿斯旺和亚历山大——正午时分影子的长度。按他有些过头的估计，两个城市相距5000斯塔德。埃拉托斯特尼测量出的地球周长与正确值的偏差在15%以内。事实上，“几何”一词就来自希腊语，意思是“测量地球”。

虽然你已经用了棍子和石头好几年，不过下面一个实验只需花你一分钟时间。把棍子斜着敲进地里，就像泥地里随随便便插着的一根棍子一样。找一根细线，一端系上石块，另一端拴在棍子顶端，这样就做成一个摆。测量线的长度，然后推动摆锤摆动起来，并且计算60秒内摆动的次数。

你会发现，摆动的次数几乎不受摆动角度大小的影响，也不受摆锤质量的影响。唯一有关的是线的长度以及你在哪颗行星上。用一个相对简单的公式，就能推算出地球表面的重力加速度，它直接决定了你的体重大小。在月球上，引力只有地球表面的1/6，相同的摆运动起来要慢得多，每分钟摆动的次数较少。

这是获得行星脉搏的最好方法。

到目前为止，你的棍子还没证明地球在自转——只证明太阳和夜晚的星星以可预期的规则周期在环绕地球运行。为了做下一个实验，要找一根超过10米长的棍子，也把它斜着插进土里。在一根细长的线上拴上一块大石头，挂在棍子顶端。现在，还像上回那样，让摆动起来。细长的线和大石头可以让这个摆连续数小时不受阻碍地摆动。

如果你仔细观察摆的运动方向，又如果你极度耐心，会发现摆动的平面在缓慢旋转。做这个实验的最佳教学地点是地理北极（或地理南极）。在两极，摆平面每24小时旋转一周——这是一个测量地球自转方向和速率的简单方法。在地球上除赤道以外的其他地方，摆平面也会转，但是越靠近赤道越慢。在赤道上摆平面完全不动。这个实验不仅可以证明是地球而非太阳在动，而且，只要再利用少许三角知识你就能把问题倒转过来，根据摆平面转一圈所需的时间确定你的地理纬度。

最早做这个实验的是法国物理学家简·伯纳德·莱昂·傅科（Jean Bernard Léon Foucault），他无疑也是最后一个做这种简陋实验的人。1851年，他邀请他的同事们到巴黎先贤祠“来看地球自转”。如今，几乎世界上每个科技馆里都有傅科摆。

用一根插在土里的棍子就能知道这么多，那世界上那些著名的史前天文台都是用什么建的？从欧亚大陆到非洲，再到拉丁美洲，对古代文明的调查发现了许多石制遗迹，它们既是原始的天文台，同时似乎也用作宗教祭祀场所，或者代表着其他深层的文化意义。

例如，在巨石阵的同心圆里，有几块石头正好对准夏至那天太阳升起的位置，另几块石头则对着月亮最远的升落位置。巨石阵始建于大约公元前3100年，并在随后的2000年里多次被改建。它位于英格兰南部的索尔兹伯里平原上，由远方运来的巨大石块组成。其中有80个左右的蓝砂岩柱子，每个重达数吨，采自约390千米以外的普里塞里山脉。而其他砂岩石每块重达50吨，采自30千米以外的马尔伯勒高地。

关于巨石阵的重要意义已经有太多的文字记述。古人的天文学知识，以及他们远距离运输如此巨石的能力给历史学家和普通参观者留下了深刻的印象。有些喜欢幻想的参观者甚至相信巨石阵的建造有外星人的参与。

建造巨石阵的古代文明为什么不用附近更容易搬运的石料已经成为一个谜。但巨石阵所展现的技术与知识却一目了然。建造的主要阶段花费了几百年，或许之前的计划也花费了100年左右的时间。有500年时间足以建造任何东西了——我不在乎你从多远的地方拉石头。此外，巨石阵所体现的天文学知识并不比插在土里的棍子更深更基本。

或许是由于现代人不知道太阳、月亮或星星是如何移动的，这些古代天文台才会被现代人永远铭记。晚上我们都沉迷于电视节目之中，而忽略了夜空中发生的故事。在我们眼里，根据宇宙图景用石头排出的简单阵列就和爱因斯坦的成就一样伟大。但真正神秘的文明，是文化和建筑都和天空无关的文明。