5．止步不前的科學

近來的一兩個世紀，高科技和智慧結合在一起驅動著宇宙探索的前進。但是，假如沒有技術，假如唯一的工具就是一根棍子，你還能發現什么？多得很呢。

保持耐心仔細測量，你能用棍子收集到多得嚇人的信息，關于我們在宇宙中位置的信息。這一切無關棍子的材質，也無關它的顏色，只要它是直的就行。在看得清地平線的地方，把棍子牢固地砸進土里。由于現在沒有技術可用，你不妨找塊石頭代替錘子。要確保棍子立得又直又穩。

這樣你的原始實驗室就建好了。

找一個晴朗的早晨，隨著太陽的升起、西移、落下，記錄相應的棍影的長度。開始影子會比較長，然后慢慢變短，直至太陽爬到天空中的最高點，最終又逐漸變長直至日落。收集這個實驗的數據就像觀察鐘表的時針運轉一樣無聊。但是你沒有科技可以利用，也就沒什么別的好關注。注意，當影子最短的時候，半天就過去了，這時稱為地方正午。正午時分的影子要么指向正南方要么指向正北方，取決于你在赤道的哪一側。

你剛剛做好了一個簡單的日晷。如果想扮得博學點，那你現在可以把這根棍子叫作晷針（我還是更傾向于叫“棍子”）。在文明起源的北半球，隨著太陽在天空中移動，棍影會按順時針方向繞棍子的底端旋轉。其實，這正是鐘表“順時針”方向的最初來源。

如果有足夠的耐心和晴朗的天氣，讓你能夠把這個實驗重復365次，你會發現太陽每天并不是從地平線上的同一個位置升起。一年中有兩天，太陽升起時的影子所指的方向與日落時影子所指的方向正好相反。在那兩天，太陽從正東方升起，從正西方落下，白晝與黑夜一樣長。這兩天就是春分和秋分（英文equinox，來源于拉丁文，意思是“日夜相等”）。在其他日子里，太陽從地平線的其他地方升起落下，所以說，創造諺語“太陽東升西落”的人肯定從沒有仔細觀察過天空。

如果你在北半球記錄日升日落點，就會發現這些點在春分之后向東西線的北方移動，最終停下，然后向南移動。當這些點再次越過東西線后，向南的移動最終緩慢并停止下來，取而代之的是下一次北移。這整個循環一年重復一次。

太陽的軌跡一直在變。夏至（英文solstice，拉丁文意思是“靜止的太陽”）那天，太陽從地平線上最北的點升起和落下，沿著最高的軌跡在天空中移動。這使得夏至成為一年中白晝最長的一天，而且這天正午的棍影是一年中最短的。在太陽從地平線上最南端升起和落下的那天，它在天空中的軌跡最低，正午的棍影在一年中最長。這一天當然就叫作冬至。

對于地球60%的表面和75%的人類居民來說，太陽從來沒有，將來也不會出現在頭頂的正上方。剩下的那些地方，也就是以赤道為中心的5200千米寬的一圈，一年中只有兩天太陽會升至天頂（對，如果你正好在南北回歸線上的話，一年只有一天）。我敢打賭，宣稱知道太陽從哪升起和落下的人一定就是寫出諺語“正午時分，日上中天”的人。

到現在，靠著一根棍子和超強的耐心，你已經確定了羅盤上的方位基點和標志四季轉換的四天?，F在你要設計某種方法來記錄一天的正午與第二天正午之間的時間。昂貴的精密時計當然可以，但是一兩個精致的沙漏也已足夠了。兩種計時器都能準確記錄太陽圍繞地球轉一圈所需的時間——即太陽日。在一年里做均分，一太陽日正好等于24小時。但是，這不包括偶爾加上的閏秒。由于海洋受月球引力的影響而拖慢了地球的自轉，因此需要通過增加閏秒來調節。

回到你和你的棍子上來，我們還沒結束呢。讓你的視線經過棍子頂端對準天空的一點，用準確的計時器記錄熟悉星座里某顆熟悉的星星經過該點的時間。接著，還是用這個計時器，記錄這顆星星再次經過該點需要多長時間。這段時間稱為一個恒星日，長度是23小時56分4秒。恒星日和太陽日之間相差約4分鐘，正是這個差別使得太陽在恒星構成的天空背景中來回遷徙，給人以太陽整年在各個星座間巡回訪問的印象。

當然，白天你是看不見星星的——太陽除外。但是剛日落后或即將破曉之前，可以看見太陽附近的天空中有些星星，因此眼光犀利又熟記星圖的觀察者能分辨出太陽背后是什么星座。

再次利用你的計時器，你可以拿地上的棍子做點別的嘗試。一整年里的每一天，在計時器指示正午的時候記錄下棍影頂端的位置。你會發現每天的位置都不同，一年結束，你將會畫出一個8字形曲線，博學者稱之為“日行跡”。

為什么？地球自轉軸與黃道面法線的夾角是23.5度。這個夾角不僅帶來了我們熟悉的四季更替和每日太陽軌跡在天空中的大幅移動，也是因為有這個夾角存在，太陽全年在天球赤道左右來回移動而產生了8字形曲線。不僅如此，而且地球圍繞太陽的軌道不是理想的圓形。根據開普勒行星運動定律，它的軌道速度必定會變，靠近太陽的時候較快，遠離太陽的時候較慢。由于地球自轉的速率非常穩定，因此有些東西必須改變：太陽并不總是在中午12到達天空中的最高點。雖然每天的變化很慢，但是一年中有幾次太陽遲到的時間能達到14分鐘。另有幾天會早到16分鐘。一年中只有4天——對應于8字形曲線的頂點、底點和中間交叉點，時鐘上的時間和太陽時相等，大約是4月15日（與報稅日無關）、6月14日（與國旗日無關）、9月2日（與勞動節無關）和12月25日（與耶穌無關）。

接下來，克隆一個你和一根棍子，把他們送到地平線正南方遠處的某個事先選好的地點，提前約定在同一天的同一時刻測量棍影的長度。如果影子一樣長，那說明地球是平的，或者超級大；如果影子長度不同，那你可以利用簡單的幾何方法計算出地球的周長。

天文學家和數學家埃拉托斯特尼（Eratosthenes of Cyrene，公元前276年—前194年）就做過這個實驗。他比較了兩個埃及城市——阿斯旺和亞歷山大——正午時分影子的長度。按他有些過頭的估計，兩個城市相距5000斯塔德。埃拉托斯特尼測量出的地球周長與正確值的偏差在15%以內。事實上，“幾何”一詞就來自希臘語，意思是“測量地球”。

雖然你已經用了棍子和石頭好幾年，不過下面一個實驗只需花你一分鐘時間。把棍子斜著敲進地里，就像泥地里隨隨便便插著的一根棍子一樣。找一根細線，一端系上石塊，另一端拴在棍子頂端，這樣就做成一個擺。測量線的長度，然后推動擺錘擺動起來，并且計算60秒內擺動的次數。

你會發現，擺動的次數幾乎不受擺動角度大小的影響，也不受擺錘質量的影響。唯一有關的是線的長度以及你在哪顆行星上。用一個相對簡單的公式，就能推算出地球表面的重力加速度，它直接決定了你的體重大小。在月球上，引力只有地球表面的1/6，相同的擺運動起來要慢得多，每分鐘擺動的次數較少。

這是獲得行星脈搏的最好方法。

到目前為止，你的棍子還沒證明地球在自轉——只證明太陽和夜晚的星星以可預期的規則周期在環繞地球運行。為了做下一個實驗，要找一根超過10米長的棍子，也把它斜著插進土里。在一根細長的線上拴上一塊大石頭，掛在棍子頂端。現在，還像上回那樣，讓擺動起來。細長的線和大石頭可以讓這個擺連續數小時不受阻礙地擺動。

如果你仔細觀察擺的運動方向，又如果你極度耐心，會發現擺動的平面在緩慢旋轉。做這個實驗的最佳教學地點是地理北極（或地理南極）。在兩極，擺平面每24小時旋轉一周——這是一個測量地球自轉方向和速率的簡單方法。在地球上除赤道以外的其他地方，擺平面也會轉，但是越靠近赤道越慢。在赤道上擺平面完全不動。這個實驗不僅可以證明是地球而非太陽在動，而且，只要再利用少許三角知識你就能把問題倒轉過來，根據擺平面轉一圈所需的時間確定你的地理緯度。

最早做這個實驗的是法國物理學家簡·伯納德·萊昂·傅科（Jean Bernard Léon Foucault），他無疑也是最后一個做這種簡陋實驗的人。1851年，他邀請他的同事們到巴黎先賢祠“來看地球自轉”。如今，幾乎世界上每個科技館里都有傅科擺。

用一根插在土里的棍子就能知道這么多，那世界上那些著名的史前天文臺都是用什么建的？從歐亞大陸到非洲，再到拉丁美洲，對古代文明的調查發現了許多石制遺跡，它們既是原始的天文臺，同時似乎也用作宗教祭祀場所，或者代表著其他深層的文化意義。

例如，在巨石陣的同心圓里，有幾塊石頭正好對準夏至那天太陽升起的位置，另幾塊石頭則對著月亮最遠的升落位置。巨石陣始建于大約公元前3100年，并在隨后的2000年里多次被改建。它位于英格蘭南部的索爾茲伯里平原上，由遠方運來的巨大石塊組成。其中有80個左右的藍砂巖柱子，每個重達數噸，采自約390千米以外的普里塞里山脈。而其他砂巖石每塊重達50噸，采自30千米以外的馬爾伯勒高地。

關于巨石陣的重要意義已經有太多的文字記述。古人的天文學知識，以及他們遠距離運輸如此巨石的能力給歷史學家和普通參觀者留下了深刻的印象。有些喜歡幻想的參觀者甚至相信巨石陣的建造有外星人的參與。

建造巨石陣的古代文明為什么不用附近更容易搬運的石料已經成為一個謎。但巨石陣所展現的技術與知識卻一目了然。建造的主要階段花費了幾百年，或許之前的計劃也花費了100年左右的時間。有500年時間足以建造任何東西了——我不在乎你從多遠的地方拉石頭。此外，巨石陣所體現的天文學知識并不比插在土里的棍子更深更基本。

或許是由于現代人不知道太陽、月亮或星星是如何移動的，這些古代天文臺才會被現代人永遠銘記。晚上我們都沉迷于電視節目之中，而忽略了夜空中發生的故事。在我們眼里，根據宇宙圖景用石頭排出的簡單陣列就和愛因斯坦的成就一樣偉大。但真正神秘的文明，是文化和建筑都和天空無關的文明。