正文 第十五講 太陽

↓1.要測量太陽與地球之間的距離,以地球作為基底線是不夠的。

↓2.薩摩斯島的阿里斯塔克的方法。

↓3.金星凌日的方法。

↓4.太陽到地球的距離、長達三個半世紀的旅行、太陽的體積,一粒麥子與140升麥子。

↓5.如何測量太陽的重量。

↓6.地球的下落。

↓7.太陽神腓比斯的馬和太陽的負重、一輛人們從未見過的貨車。

↓8.太陽表面的重力、被自己重力壓垮的人。

↓9.太陽的密度很小、太陽上的黑斑與太陽的自轉。

↓10.太陽上的颶風。

↓11.光線被稜鏡片改變方向。

↓12.色散、太陽的光譜。

↓13.光譜上的黑線、從太陽射到地球上的光線是不完整的。

↓14.白熾的球所發出的完美光線、金屬蒸汽在火焰上燃燒造成的影響。

↓15.太陽的物理構成、太陽的化學成分分析。

↓1.我們要想知道地球與月球之間的距離,就首先要有一根基底線,它要大得足夠容下大陸的輪廓,並且,從這根基底線的每一端,我們都能夠同時測量出月球到觀察者所在天頂之間的角的大小。畫一個相似的圖,或者最好是通過計算,我們就能得出月球到地球的距離是地球半徑的多少倍,這一方法似乎適用於任何一顆星球。但是如果我們用這種方法測量太陽到地球的距離,那麼就會遇到一個困難,也就是說,基底相對於地球到太陽的距離而言太小了。要測量地球和太陽之間的距離,把地球放到這個大尺寸的背景中去,即使地球如此巨大,在這個背景中也只是一個點而已。現在我們再回到第十講中關於月球的圖53,在同一條地球子午線上有兩個點,C與V,它們離得足夠遠,我們測得天頂距DCL與HVL,現在我們假設這兩個天頂距不是關於月球的,而是關於太陽的。現在的問題就是,用這些太陽的角數值來構造一個相似圖形。當然,此時,如圖54中展現的那樣,cl和vl是可以無限延長的。你用來畫圖的這張紙,無論它有多大,對於這樣一個圖形而言都是不夠大的。如果有兩條直線永遠都不會相交,我們就認為這兩條直線是平行的。這一結果說明了什麼呢?顯而易見,基底線CV,即從非洲的最南端到達歐洲中心的那條線,在目前的情況下,它的大小是不知道的。地球太小了,因此不能以它為基底線構造以太陽為頂點的三角形。以地球的大小作為基底線來測量地球到太陽之間的距離,這是非常荒謬的,就像以一段那麼短的長度作為基底線來構造一個三角形,用它去測量幾公里外的塔的距離一樣。你們一開始的時候會覺得我們的地球是非常大的,可是現在應該已經改變了看法。對於我們在天空中要做的第二個步驟來說,地球的直徑在數量級上太小了,幾何學就不能完全自如地利用大陸與海洋的表面來測量地球與太陽的距離了。在我們地球這麼狹窄的地方,沒有足夠大的尺寸來做這麼大尺度的測量。要做這種測量,讓我們飛到遼闊的太空里去尋找吧,或許在那裡我們可能會找到所需尺度的基底線。

↓2.我們找到了這樣一根基底線,它就是地球到月球之間的距離。對於一條60倍地球半徑長度的線段來說,幾何學對此應該感到滿意。倘若能夠在這條基底線的兩端進行觀察,倘若能在月球上進行觀察,看到一邊是地球而另一邊是太陽,這就像在地球上進行觀察,看到一邊是月球而另一邊是太陽一樣,那麼幾何學對此就應該感到滿意了。由此我們得到兩個角,通過這兩個角,幾何學能夠建造一個相似的三角形,這就可使我們求得地球與太陽之間的距離。這就像我們通過一個已知其兩條邊與一個角的三角形,就能夠克服河流的障礙而獲得河對面塔的距離一樣。但是很遺憾,幾何學家的眼睛不能夠到達月球,也不能通過放置在月球上的經緯儀來瞄向地球與太陽。因此,為了避免測量月球位置上的那個角,我們就應該繞過這個困難並重新調整方法,根據月球的相位,我們只要在這個角變成直角的那一刻開始觀測就行了。首先具有這一天才想法的人是古時候一位著名的天文學家,他就是薩摩斯島的阿里斯塔克。科學界為了紀念他,用他的名字來命名月球上的一座環形山。下面我們來介紹他所採用的方法:

如圖63所示,T即地球上觀察者所在的位置。S是太陽,L是月球。在上弦月或下弦月時,也即月球將它發光的那一面朝向我們地球時,觀察者能在一條邊上看到太陽的中心,並在另一條邊上看到月球上的明暗交替處,這兩條邊就形成了一個角STL,或說地球上的這個角。至於月球上的這個角TLS,我們不用測量都知道,因為這個角是直角。實際上,在我們所選的這樣一種情形之下,太陽光線是垂直於視線TL的,因為我們正好可以看到被太陽照亮的那半個月球,我們可以把線SL看成是一條太陽光線,所以它也垂直於TL,因此在三角形TLS中,我們知道LT的長度是地球半徑的60倍長,而角L是直角,通過直接測量,我們就可以知道角T的大小。這些條件就足夠我們來構造一個相似的三角形,就像我們在測量一個不能到達的塔的距離時要構造一個相似三角形一樣。由此我們就能得知,線TS或者說地球到太陽之間的距離,是地球半徑的多少倍。

↓3.阿里斯塔克的方法在理論上是完美的,但在實際操作中卻是有缺陷的。因為這種方法會遇到一個棘手的難題,即如何去知道月球正好將它發亮的那一面朝向我們的精確時刻。這一時刻的微小誤差,就能導致結果與事實的差距非常大,而且在我們現在的研究中,人們比較青睞更為靈活尤其是更為精確的方法。儘管如此,我還是很願意向你們解釋阿里斯塔克的方法。因為這一方法是你們現今為止唯一能夠理解的方法,而且,因為它清楚地向你們展現了如下細節:如何以在天空中所測得的第一個距離作為基底線來測量第二個更大的距離,然後再以第二個距離作為基底線去測量第三個距離,如此下去,不斷地藉助建造起來的一個個腳手架,天文學家就能測量出遙遠太空中的最高最遠處的距離。

確定太陽與地球之間距離的最好方法是金星凌日的方法。現在我來解釋這一方法,你們對此還一無所知呢!不過你們很快就會知道,地球並不是唯一一個繞著太陽作圓周運動的星球。地球有很多的同行者,有一些比地球小,有一些比地球大。它們是一些跟我們地球相類似的行星,也一樣永不停息地在太陽的周圍繞著它旋轉,接收著太陽傳遞給它們的光亮與熱度。其中一顆行星叫做金星,它的體積跟我們地球相近,但它更靠近太陽一些。儘管它的體積是這麼龐大,但當它在我們地球與太陽之間穿過時,它也只不過是出現在太陽圓盤上的一個小黑點而已。如果它離地球更近一些的話,那麼它的影子就會覆蓋住地球,從而造成一次日全食。不過,在它現在所處的位置上,它只能遮住太陽上的一個小點那麼大的地方,在我們的肉眼看來,它只不過在太陽圓盤上造成一個非常小的黑斑而已。因此,金星凌日的現象,就是金星掠過太陽圓盤並在它上面產生一個黑點。不過,由於觀察者在地球表面所處位置的不同,這個黑色的點在太陽圓盤上看起來也會處於或高或低的位置,因為隨著觀測點的改變,金星在太陽上的位置也是改變的。倘若在地球上有兩位相距很遠的觀測者,各自都觀測金星掠過太陽圓盤時走的路線,那麼,從觀測所得的這兩個數據以及這兩位觀測者相隔的距離,我們就可以推算出太陽離我們地球的距離了。

↓4.這些研究得到的結果表明:我們地球離太陽大約有24000倍個地球半徑的距離,也就是1.52億千米。為了填滿這段距離,為了建造起一座橋,並且使它的第一個橋樁打在地球上最後一個橋樁打在太陽上,那麼就需要把12000個像我們地球這麼大的天體放到一起並排成一行,像12000顆珠子串成一串珠鏈,並且每一顆珠子都像我們地球這麼大。我們假設去太陽旅行是可行的,那麼,即使活得足夠長,即使運用最先進的交通工具,我們中還是沒有任何人能夠誇口說有一天他能到太陽上去。在去太陽的路上,他就會變老,以至於超出人類的年齡極限,他的年齡要達到好幾百歲才行。我們跑得最快的火車,以每小時50千米的速度一刻不停地向前行進,那麼,他要穿越太陽與地球之間的這段距離,需要三個半世紀。一顆剛離開炮口的炮彈,它的速度是每秒400米或說每小時1440千米,那麼,如果它一直保持最初的速度,它要從地球到達太陽,就需要12年多的時間。

我們根據這一距離和太陽的角直徑(大約是半度多一點)運用我在上文中所說的方法,我們就能夠計算出太陽的實際半徑、直徑以及體積。由此我們求得太陽的半徑是地球半徑的112倍,太陽的體積是地球體積的140萬倍。我們假設太陽是中空的,就像一個球形的箱子,根據上述這些數字,如果我們要將太陽填滿,那麼就需

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