陳厚尊

我們腳下的大地是運動的。

這個觀念對現(xiàn)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(yán)重的是它與上帝創(chuàng)世的宗教信仰格格不入。要知道，在那樣一個科學(xué)尚未與宗教分離的時代，每當(dāng)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(jīng)》，或者詢問當(dāng)?shù)氐纳窀?，而不是求助于科學(xué)。這是因為當(dāng)時的人們普遍相信上帝無所不知，《圣經(jīng)》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(tǒng)統(tǒng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也許是受到了農(nóng)時與太陽運行息息相關(guān)的啟發(fā)，“天人合一”的思想得以迅速普及，并為統(tǒng)治者采納。從此以后，天文學(xué)在中國成為一門純粹的搜集性學(xué)問。人們辛勤地記錄夜空中發(fā)生的種種天象，將其同地面上發(fā)生的大事相附會。如此一來，再也沒有人去關(guān)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(jīng)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(xiàn)代天文學(xué)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(jié)論。考慮到《山海經(jīng)》中關(guān)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(wěn)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(fā)現(xiàn)大地圍繞著什么東西旋轉(zhuǎn)的事實，恐怕也是相當(dāng)困難的。

由此看來，大地是牢固不動的概念曾經(jīng)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(rèn)為自己腳下的大地穩(wěn)固而牢靠，除非有獸群在奔跑，或者發(fā)生了火山爆發(fā)和地震。而上述三件事情發(fā)生的時候我們祖先的生命會受到嚴(yán)重威脅，從而引發(fā)內(nèi)心的恐懼，然后迅速逃離。時至今日，當(dāng)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(jīng)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(dāng)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(xiàn)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(jīng)過，而后又回到昨日的起點。這會引發(fā)一個嚴(yán)重的問題：如果我們早先認(rèn)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(rèn)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(rèn)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(rèn)為大地被一片廣袤的汪洋承載，等等。相關(guān)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(jié)構(gòu)坐落于何處。類似的邏輯困境逼迫我們步步后退，最終承認(rèn)腳下的大地處于某種懸浮狀態(tài)，就像中國的渾天說認(rèn)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(dāng)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(xiàn)在，我們根本無法想象文明史上第一個產(chǎn)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(dāng)于中國的東漢），地球孤懸于天球中心的圖像已經(jīng)在很多古文明中成型了。托勒密曾經(jīng)在一部名為《天文學(xué)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(tǒng)治西方天文學(xué)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(yīng)該圍繞太陽運轉(zhuǎn)的想法，然而直到16世紀(jì)中期哥白尼發(fā)表《天體運行論》的時候，這一思想幾乎已經(jīng)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(xué)的首要課題。繼哥白尼之后，現(xiàn)如今的天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了至少12種不同的地球運動，相較于眾所周知的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，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(xiàn)象依然被東西方的許多天文學(xué)家僅僅依靠肉眼觀察發(fā)現(xiàn)。這便是地球運動的第三種形式：自轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，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(zhì)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(xué)平衡早在地球形成之初便已完成?，F(xiàn)代的大地測量數(shù)據(jù)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(zhuǎn)軸與自身的公轉(zhuǎn)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(shù)值約為23°26′。物理學(xué)定律告訴我們，這樣一個傾斜的自轉(zhuǎn)扁橢球在萬有引力的作用下會發(fā)生自轉(zhuǎn)軸進動現(xiàn)象，進動的方向自東向西，與地球的自轉(zhuǎn)或公轉(zhuǎn)方向相反，周期為25771年。歲差的存在引發(fā)了兩個可觀測的天文現(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dān)得起北極星的名號。在東西方歷史上，第一個發(fā)現(xiàn)歲差現(xiàn)象的天文學(xué)家分別是古希臘的喜帕恰斯（又譯依巴谷，歐空局于1989年發(fā)射的“依巴谷”衛(wèi)星正是為了紀(jì)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(fā)現(xiàn)幾乎所有的目標(biāo)都發(fā)生了一個從西向東的緩慢漂移。喜帕恰斯認(rèn)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(fā)現(xiàn)了歲差現(xiàn)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(chǎn)生同月球?qū)Φ厍虺嗟劳怀霾糠值奈嘘P(guān)，所以，該橢圓擺動的周期同白道面（月球公轉(zhuǎn)軌道平面）的轉(zhuǎn)動周期相同，都是18年零7個月。另外，隨著近年來衛(wèi)星測量精度的提高，人們發(fā)現(xiàn)地軸本身也會在地球表面發(fā)生無規(guī)律的漂移，其原因與地球上的物質(zhì)再分布有關(guān)，例如不定期的大地震、兩極冰架崩塌、地核地幔的物質(zhì)流動等。目前人們尚無法對此做長期預(yù)測，只能根據(jù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ皖A(yù)言未來數(shù)月內(nèi)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(zhuǎn)的軌道。事實上，所謂地球圍繞太陽的軌道是地月系統(tǒng)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(cè)。由于它始終位于地球內(nèi)部，因而看起來好像是月亮在圍繞地球運轉(zhuǎn)。實際上地球本身也在圍繞這個重心轉(zhuǎn)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(tài)，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(zhuǎn)軌道的偏心率有關(guān)。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(chǔ)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(zhuǎn)的軌道是一個橢圓，太陽占據(jù)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(zhuǎn)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(jīng)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(zhuǎn)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(xué)家相信，當(dāng)這種振蕩達到頂峰的時候，地球軌道的偏心率甚至?xí)_到目前的3倍還多，導(dǎo)致日地距離在一年之中產(chǎn)生劇烈變化，從而觸發(fā)新的亞冰期到來。

地球的第九種運動與地球公轉(zhuǎn)軌道近日點的進動有關(guān)。2016年1月3日，地球于格林尼治時間0：59經(jīng)過了自己的近日點，而在21世紀(jì)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(jīng)過這一點；公元1250年地球于12月21日經(jīng)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(jīng)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(jì)的進動周期。

地球的第十種運動源于太陽系內(nèi)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(zhuǎn)軌道，造成各種各樣的攝動。在18世紀(jì)至19世紀(jì)天體力學(xué)發(fā)展史上，對太陽系力學(xué)穩(wěn)定性的證明始終是一個前沿難題。由于其數(shù)學(xué)本質(zhì)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(fā)現(xiàn)了一大批強有力的數(shù)學(xué)工具。1825年，法國著名的物理學(xué)家皮埃爾·西蒙·拉普拉斯在他的鴻篇巨制《天體力學(xué)》五卷本里，嚴(yán)格證明了大行星的攝動效應(yīng)是守恒和周期性的，既不會積累也不會消解，從而在數(shù)學(xué)上完美地解決了太陽系的穩(wěn)定性問題。不過，這樣的結(jié)果并不意味著太陽系的多體問題總是可解的?，F(xiàn)代混沌學(xué)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(tǒng)擺脫現(xiàn)有攝動周期，徹底陷入混沌的時標(biāo)長度。據(jù)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(xiàn)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(yù)測在那以后任何

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

地球的最后兩種運動都與太陽有關(guān)。首先，因為太陽應(yīng)該圍繞太陽系的公共重心運動，這樣就移動了地球公轉(zhuǎn)的中心，而使地球發(fā)生微弱的晃動；其次，太陽圍繞銀河系中心不停運轉(zhuǎn)，它攜帶著太陽系的所有成員高速奔向武仙座方向，公轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。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(xiàn)在相同的位置上，也絕不會再回到我們現(xiàn)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(fù)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。