天地和几何学

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  在我们观察宇宙时,不可避免地要涉及天体大小(尺度)、角度、距离等问题,这就需要几何学来帮忙。在古诗词里,古人也想知道日月距离、天地大小,可是有时候文科生不懂几何学啊。
  近大远小看风景
  刘磐幕
  宋·许元信
  山悬翠幕几千丈,我疑山顶即天上。
  扪萝蹑蹬到山巅,犹如平地上青天。
  始知天高应无极,幕阜苍苍一卷石。
  洞庭八百古所传,对此遥看一镜圆。
  当此再上三千丈,那知天下有山川。
  《刘磐幕》这首诗的作者叫许元信,我们只知道他是宋朝人,其他信息就不知道了。在《全宋诗》中收录了他的两首诗,这是其中之一,另一首题为《幕阜山》,也就是本诗提到的“幕阜”。幕阜山,在湖南省平江县南江镇东面,海拔1 596米,为湘、鄂、赣三省边界最高峰,风景秀丽。本诗题目说的“刘磐幕”中的刘磐是三国时代割据荆州的刺史刘表的侄子,他曾经率军攻打东吴,与吴军将领建昌都尉太史慈在此对峙。后人把刘磐立营之地称为“刘磐幕”,太史慈驻兵之处为“营幕坪”,“幕阜”之名也由此而来。
  吐槽:其实“阜”就是山,估计后人忘了“阜”的意思,于是今天变成了“幕阜山”,幕山山。
  作者览胜访古至幕阜山,登上山顶之后产生了一些很有意思的想象。往上看,“天高应无极”,往下看,庞大的幕阜山成了小小的“一卷石”,远处方圆八百里的浩渺洞庭湖变成了“一镜圆”。作者非常准确地描写了视觉上“近大远小”的几何学规律。其实,这就是遥感技术的科学原理啊!在天文学上,同样也适用几何学规律,只不过由于天体离我们实在太远,以至于看起来都太小了,遥远的行星、恒星看起来都只是一个光点儿,只有太阳和月亮能够看出圆面。
  十五的月亮十六圆
  中秋无月既望月甚佳二首
  宋·杨万里
  其一
  中秋无月莫尤天,月入秋来夜夜妍。
  且道今宵明月色,何曾减却半分圆。
  其二
  月到中秋故故无,今宵月好莫渠孤。
  旧传月径圆千里,影落金杯只粒珠。
  同样为宋朝人的杨万里,名气要比许元信高到不知道哪里去了。他号“诚斋”,是一代诗宗,光流传下来的诗作就有4 200首,与陆游、尤袤、范成大并称“南宋四大家”。古人云“文章憎命达”,可杨万里诗文写得好,官儿也做得顺,官至宝谟阁直学士,又受封庐陵郡开国侯。更难得的是,杨万里写的诗语言浅近明白,描写景物清新自然,富有幽默情趣,号称“诚斋体”。我们最熟悉的一首诗《晓出净慈寺送林子方》:毕竟西湖六月中,风光不与四时同。接天莲叶无穷碧,映日荷花别样红。
  这两首描写中秋月色的诗词同样极具“诚斋体”的特点。在这一年的中秋节,八月十五当天没有见到月亮,第二天月色却甚好。夏历把每月初一称为“朔”,十五称“望”,十六称“既望”,月相变化周期因此称为“朔望月”。这首诗的题目让我们不禁想到有句俗话叫作“十五的月亮十六圆”。虽然按照日子来算,十五是夏历一个月(29天或30天)的中间,但由于月亮最圆,也就是月亮、地球和太阳排成一条直线的时候,实际上大多数出现在十六。
  “月入秋来夜夜妍”,秋季天高气爽,空气的透明度好,大气层对光线的吸收也少,所以秋季的月光显得格外皎洁,大概这也是为什么八月十五的月亮最适宜观赏的原因了。所以杨万里非常豁达地说,十五没有月亮也不要紧啊,“今宵月好莫渠孤”,今晚不要辜负它就好了。孤,通“辜”,渠,是方言“它”。
  日月的大小
  最后两句诗非常罕见地谈到了月亮的大小:“旧传月径圆千里,影落金杯只粒珠”,以前的传说认为月亮有千里之大,但是落到酒杯里看起来小得像是一粒珠子。这句诗其实揭示出了一个非常有意思的问题,月亮的大小应该怎么形容呢?
  对于月亮的形容,常见的“玉盘”或“宝镜”,如李白《古朗月行》“小时不识月,呼作白玉盘。又疑瑶台镜,飞在青云端。”不过,如果我们真的拿一个盘子或拿个镜子来跟月亮作对比的话,会发现其实月亮并没有那么大。其实我们伸长手臂,一个手指头就可以把月亮挡住了,普通大小的盘子或镜子会比手指头大十倍以上。可见这个说法略带夸张,不过由于夜空里月亮最亮,我们感觉上会认为它挺大的。
  在天文学上谈论月亮的视大小是用几何角度来描述的。我们伸长手臂,小指宽度约等于一度,而月亮大小其实只有半度。张衡在《灵宪》里谈到,(日、月)“其径当天周七百三十六分之一”(有现代学者认为应该是730分之一),也是半度。可见天文观测不能单凭印象去判断,一定要借助科学仪器来测量。
  根据这个数据,结合“月径圆千里”,其实我们可以计算月亮离我们的距离。也就是1千里对应半度的张角,这样可以计算出来距离为11.5万里。实际上,在中国传统天文学“天圆地方”的模型里,认为天的高度是十万里或者八万里,并且认为日月的距离跟天的高度是一致的。(也许,孙悟空一个跟头十万八千里,这个数字就是从这里来的吧,猴哥可是经常上天呢。)
  现代天文学观测的结果發现,月亮直径是3 476千米,月亮离我们的距离是38.4万千米,这两个数值比古人想的“月径圆千里”或者“天地相去十万里”扩大了六七倍。看来关于宇宙之大,我们的想象力还需要提升呢。
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