这个荣誉要归于距今2200多年前的古希腊学者——埃拉托色尼。
他的方法极其巧妙,被誉为科学史上最经典的实验之一。下面是埃拉托色尼(约公元前240年)的计算步骤和原理:
1. 核心假设与观察起点
他接受了“地球是球体”的观点(这在当时的希腊学者中已是共识)。他了解到,在埃及的赛伊尼(今阿斯旺),在夏至日(一年中正午太阳最高的一天)正午时分,阳光可以直射井底。这意味着太阳恰好位于天顶,光线与地面垂直,角度为0°。2. 测量
在同一天的同一时间,他在北方的亚历山大港测量了立在地上的一根杆子(希腊人称为“圭表”)的阴影长度。通过阴影长度和杆子的高度,运用简单的几何学(正切函数)计算出,此时太阳光线与垂直方向的夹角为 7.2°。
3. 几何推理
埃拉托色尼知道,平行光线照射到球面上,在不同位置会与垂直方向形成不同的夹角。亚历山大港的7.2°夹角,正好是地球整个圆周角度(360°)的1/50。因为 7.2° / 360° = 1/50。由此,他得出了一个至关重要的推论:赛伊尼与亚历山大港之间的距离,应该等于地球周长的1/50。
4. 最后一步:测量与计算
他接下来需要知道这两座城市之间的实际距离。据说,他雇人用步测的方法,测量出两地的距离约为 5000希腊斯塔迪亚。于是,地球的全周长 = 5000 斯塔迪亚 × 50 = 250,000 斯塔迪亚。地球周长算出来了,直径就可推导出来。5. 现代换算
“斯塔迪翁”这个长度单位在今天的具体数值存在争议(一种常见的换算认为1斯塔迪约等于157.5米)。如果按此换算:250,000 × 0.1575 km = 39,375 公里。这与现代测量得到的 Earth 赤道周长约 40,075 公里 惊人地接近!误差仅在2%以内。埃拉托色尼运用的知识:
几何知识:理解圆和平行线的几何性质。逻辑推理:能将两个地方的角度差与整个地球的周长联系起来。实地测量:不局限于空想,而是进行了关键的角度和距离测量。大胆想象:敢于根据局部数据推测整个星球的规模。所以,人类首次计算出地球直径(周长),并非通过环游世界,而是通过一个局部的几何关系,结合精妙的逻辑推理完成的。埃拉托色尼的实验是人类理性思维的胜利。
编辑:陈方
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