運動中的地球

陳厚尊

我們腳下的大地是運動的。

這個觀念對現代人來說也許自然而然，但那是因為我們站在了巨人的肩膀上。沒錯，我指的正是哥白尼。在此之前，對西方人來講，“大地是運動的”這種想法不僅瘋狂、同直覺相悖，更嚴重的是它與上帝創世的宗教信仰格格不入。要知道，在那樣一個科學尚未與宗教分離的時代，每當人們遇到自己不懂的問題的時候，第一時間想到的是去翻閱《圣經》，或者詢問當地的神父，而不是求助于科學。這是因為當時的人們普遍相信上帝無所不知，《圣經》里書寫的東西是絕對真理。任何膽敢對此持不同意見的人統統被劃入異教徒，不僅生前面臨教會的迫害，死后靈魂還會下地獄。而在古代中國，盡管沒有教會的束縛，但天文觀測逐漸演變成了皇家的專屬行為。在民間，任何敢擅自觀天的普通百姓都會被冠以窺測天機、心懷不軌的罪名。中國自古重視農業生產，也許是受到了農時與太陽運行息息相關的啟發，“天人合一”的思想得以迅速普及，并為統治者采納。從此以后，天文學在中國成為一門純粹的搜集性學問。人們辛勤地記錄夜空中發生的種種天象，將其同地面上發生的大事相附會。如此一來，再也沒有人去關心天象背后的自然原因，更遑論天地模型的探究。不過，在思想較為自由和開放的先秦時期，中國人曾經提出過蓋天

說和渾天說兩種宇宙模型，其中后者比較接近現代天文學里的天球概念。只可惜，在大地是否運動的問題上，二者都沒有給出明確的結論。考慮到《山海經》中關于天地成形的論述“天地混沌如雞子，盤古生其中，萬八千歲，天地開辟，陽清為天，陰濁為地”；也就是說，組成大地的是這個世界上最厚實穩固的部分，而天是像氣一樣縹緲無形的東西。因此，要指望古代中國人發現大地圍繞著什么東西旋轉的事實，恐怕也是相當困難的。

由此看來，大地是牢固不動的概念曾經在我們祖先的頭腦中根深蒂固。從生物進化的角度看這是十分合理的，我們的祖先屬于陸生動物，必須認為自己腳下的大地穩固而牢靠，除非有獸群在奔跑，或者發生了火山爆發和地震。而上述三件事情發生的時候我們祖先的生命會受到嚴重威脅，從而引發內心的恐懼，然后迅速逃離。時至今日，當人們突然感受到未知原因的大地震顫時依然會本能地恐慌。不過，在理性的邏輯思維面前，這樣樸素的觀念再難維持下去。任何曾經在

夜空中守望過星空的人都會注意到這樣一個事實：天上所有的日月星辰都處在不間斷的東升西落當中。那么，于西方隕落的星辰又是如何在一定時間后原封不動地出現在東方的地平線上呢？一個自然的想法是：它們從我們的地下悠然經過，而后又回到昨日的起點。這會引發一個嚴重的問題：如果我們早先認定大地是堅實的，又怎能允許日月星辰通過呢？這就迫使我們認定地下有一條寬闊的走廊，允許星辰在其中穿行。于是，大地是由什么東西支撐起來的觀念在文明的早期便深入人心。例如，古代印度人就認為是三只巨大的象和龜支撐起了圓盤狀的大地，還有的文明認為大地被一片廣袤的汪洋承載，等等。相關的天地模型有很多，不過這樣的圖景依然無法令人滿意，因為它需要解釋支撐大地的結構坐落于何處。類似的邏輯困境逼迫我們步步后退，最終承認腳下的大地處于某種懸浮狀態，就像中國的渾天說認為的那樣。另一方面，通過在南北相距甚遠的兩地觀察北極星的不同高度可以察覺出大地是球形的這一事實。當然，歷史上的不同文明意識到這一點所用的手段也不盡相同，有的是觀察遠處海面上的船只，有的是在月食時觀察月面上的

弧狀地影，然而它們殊途同歸，都指向了地面是彎曲的這一事實。現在，我們根本無法想象文明史上第一個產生了“地球”概念的人究竟感受到了什么，毫無疑問，那必定是種難以言表的心靈震撼。

總而言之，到了托勒密時代（大致相當于中國的東漢），地球孤懸于天球中心的圖像已經在很多古文明中成型了。托勒密曾經在一部名為《天文學大成》的巨著里用了整整一卷的篇幅來建立他的上述體系，并牢牢統治西方天文學達1000多年。盡管早在古希臘時期便有人提出過我們的地球或許應該圍繞太陽運轉的想法，然而直到16世紀中期哥白尼發表《天體運行論》的時候，這一思想幾乎已經被世人遺忘。今天看來，哥白尼思想的偉大之處在于：他將地球看作是天上的一

顆普通的星辰，與水星、金星、火星、木星和土星一樣圍繞太陽運行。事實上，這樣的模型距離正確的宇宙觀念只差一步：即太陽也是諸天繁星中的一員。以哥白尼的聰明才智本可以意識到這一點，奈何他的思想還是被托勒密的天球模型所困，沒能跳脫出來。

一旦意識到我們腳下的大地不過是一顆太陽系里的普通行星，研究地球本身的運動也就成了天文學的首要課題。繼哥白尼之后，現如今的天文學家已經發現了至少12種不同的地球運動，相較于眾所周知的自轉和公轉，其余的10種運動要么幅度很小，要么周期很長，難以被觀天者察覺。盡管如此，一種被稱為“歲差”的長期現象依然被東西方的許多天文學家僅僅依靠肉眼觀察發現。這便是地球運動的第三種形式：自轉軸的進動。

可以想象，由于地球好像一個陀螺一樣在宇宙空間不停地自轉，兩極與赤道承受的離心力存在些許差別。這一差別使地球表面的物質自兩極滑向赤道，直至形成一種赤道凸出的扁橢球形狀。這樣的力學平衡早在地球形成之初便已完成。現代的大地測量數據證明：地球的赤道直徑比兩極的平均直徑多出43千米。另一方面，地球自轉軸與自身的公轉軌道平面并不垂直，而是存在一個可觀的夾角，即黃赤交角，其目前的數值約為23°26′。物理學定律告訴我們，這樣一個傾斜的自轉扁橢球在萬有引力的作用下會發生自轉軸進動現象，進動的方向自東向西，與地球的自轉或公轉方向相反，周期為25771年。歲差的存在引發了兩個可觀測的天文現象：首先是春分點和秋分點以每年50.29″（1°=60′=3600″）的速度向西退行；其次是地球自轉軸的指向沿著一

個圓周緩慢漂移，圓心位于黃北極處。目前，地球自轉軸指向的方位比較靠近小熊座的勾陳一，也就是通常所說的北極星。而在2000年前的漢代，天上還沒有哪顆星能擔得起北極星的名號。在東西方歷史上，第一個發現歲差現象的天文學家分別是古希臘的喜帕恰斯（又譯依巴谷，歐空局于1989年發射的“依巴谷”衛星正是為了紀念此君）和中國東晉的虞喜。他們曾將自己的恒星觀察記錄同前人的資料仔細比對，發現幾乎所有的目標都發生了一個從西向東的緩慢漂移。喜帕恰斯認為這是春分點沿黃道后退引起的，并推算出春分點每百年西移1°，由此發現了歲差現象。

除此以外，地軸在圍繞黃北極做圓周運動的同時還疊加有一種微小的橢圓形擺動，被稱為章動。它的產生同月球對地球赤道突出部分的吸引有關，所以，該橢圓擺動的周期同白道面（月球公轉軌道平面）的轉動周期相同，都是18年零7個月。另外，隨著近年來衛星測量精度的提高，人們發現地軸本身也會在地球表面發生無規律的漂移，其原因與地球上的物質再分布有關，例如不定期的大地震、兩極冰架崩塌、地核地幔的物質流動等。目前人們尚無法對此做長期預測，只能根據經驗模型預言未來數月內的地軸走向。

接下來要提到的第六種地球運動是因為月亮的存在，它的引力試圖將地球拉出繞太陽公轉的軌道。事實上，所謂地球圍繞太陽的軌道是地月系統的重心在走，該重心位于地下1700千米的地方，并常和月亮同處一側。由于它始終位于地球內部，因而看起來好像是月亮在圍繞地球運轉。實際上地球本身也在圍繞這個重心轉動，只是幅度很小。這種晃動是太陽的月角差的成因。

地球的第七種運動涉及上文提到的黃赤交角的變化。從長期來看，地球的黃赤交角總是處于一種小幅度的振蕩狀態，振蕩范圍為22°2 ′33 ″到24°30 ′16″，振蕩周期約為41040年。目前這個交角正在逐漸變小，將來還會變大。

地球的第八種運動與其自身公轉軌道的偏心率有關。被譽為“天空立法者”的開普勒曾在第谷多年的行星觀測資料基礎之上提出了行星運動的三大法則，其開宗明義的第一條就是行星圍繞太陽運轉的軌道是一個橢圓，太陽占據著其中一個焦點。偏心率給出了一個橢圓偏離正圓程度的描述，以0代表正圓，1代表線段。地球公轉軌道的偏心率目前約為0.0167，這說明它是一個非常

接近正圓的橢圓。即便如此，地球在經過近日點和遠日點的時候與太陽的距離仍然相差500萬千米之遙。地球公轉軌道的偏心率始終處于某種振蕩過程中，其周期約為95000年。有科學家相信，當這種振蕩達到頂峰的時候，地球軌道的偏心率甚至會達到目前的3倍還多，導致日地距離在一年之中產生劇烈變化，從而觸發新的亞冰期到來。

地球的第九種運動與地球公轉軌道近日點的進動有關。2016年1月3日，地球于格林尼治時間0：59經過了自己的近日點，而在21世紀初的時候這個時間一般是1月2日。若向前追溯，例如公元前4000年，地球會在9月23日經過這一點；公元1250年地球于12月21日經過這一點。往后看，地球在公元6400年3月21日、公元11500年6月21日才經過這一點。最后，到公元16000年的時候，近日點會重新回到公元前4000年的位置，完成自己長達200個世紀的進動周期。

地球的第十種運動源于太陽系內不斷運動變化的其他大行星的吸引力。我們的鄰居金星和龐大的巨人木星在其中起著主要作用，它們干擾了地球公轉軌道，造成各種各樣的攝動。在18世紀至19世紀天體力學發展史上，對太陽系力學穩定性的證明始終是一個前沿難題。由于其數學本質是一個多體問題，不存在通常意義上的解析答案，因此對這個問題的探究促使人們發現了一大批強有力的數學工具。1825年，法國著名的物理學家皮埃爾·西蒙·拉普拉斯在他的鴻篇巨制《天體力學》五卷本里，嚴格證明了大行星的攝動效應是守恒和周期性的，既不會積累也不會消解，從而在數學上完美地解決了太陽系的穩定性問題。不過，這樣的結果并不意味著太陽系的多體問題總是可解的。現代混沌學里有一個“李雅普諾夫時間”的概念，它的含義是一個動力系統擺脫現有攝動周期，徹底陷入混沌的時標長度。據估算，我們太陽系的李雅普諾夫時間約為2.3億年，這意味無論現有的觀測精度多么精確，或計算能力多么強大，我們都不可能預測在那以后任何

大行星的軌道參量，也就無法預言在那以后的任何天象（比如日食、金星凌日等）的發生時刻。

地球的最后兩種運動都與太陽有關。首先，因為太陽應該圍繞太陽系的公共重心運動，這樣就移動了地球公轉的中心，而使地球發生微弱的晃動；其次，太陽圍繞銀河系中心不停運轉，它攜帶著太陽系的所有成員高速奔向武仙座方向，公轉周期約為2.3億年。更進一步，銀河系本身還在圍繞著本超星系團的中心不斷運轉。所以單從幅度上看，最后一種運動比以上所有運動都要劇烈得多。

如此看來，自有地球以來，它從沒有兩次出現在相同的位置上，也絕不會再回到我們現在所處的位置上來。我們在宇宙中沿著一條無窮無盡而且時常變化萬千的復雜軌道運行，從不停歇。真不知如果2000年前的托勒密有幸知曉這一切，究竟做何感想。