人类目前的足迹最远是到达月球,从月球上看地球,可以看到一个圆圆的巨大球体悬挂在上空,而且由于月球被潮汐锁定的原因,月球上在一个地点看地球的位置,是永远不变的,宇宙的浩瀚、地球的美丽以及人类的渺小,在此刻完美地结合在一起,形成了强烈的反差,这种震撼、壮观以及孤独的感受,估计只有登上月球的宇航员能够感受到。
除了月球之外,在天空中执行太空探测任务的,还有处在国际空间站和我国天宫空间站的航天员们。不过,由于距离地球相对于月球来说,实在太近了,从空间站上看地球,只能看到地球的一部分。有人估计要问了,人们要离开地球多远,才能看到整个地球?
不要抬杠
估计很多人第一反应,离多远都不能看到整个地球,因为地球是一个球体,在地球的一侧,最多只能看到面向观察者的一半,这种理解当然是正确的。我们不妨换一种思路,那就是究竟离多远,才能看到完整的一半呢?
估计又有人提出了抗议,你离多远,都不可能看到完整的一半,因为观察者无论距离地球是远还是近,人眼对地球上下的视线都会存在一定的夹角,而这个夹角的两条射线与地球的相切点,与地球球心连线不可能在一条直线上,也就是说,观察者看到地球的两条地面切线,永远不可能平行,因此观察到的地表面积,只能无限接近总面积的一半。
当然,这种理解也是正确的。如果这样想,那么这个问题就无解了,也没有讨论的意义了。这里我们就再换一种思路,那就是通过一定的方法,来求出人眼能够看到地球是一个球体的最近距离。
人类对地球形状的观测历史
在人类在地球上诞生以后,相当长的时间内,人们受限于认知水平以及观测条件,认为地球是一个平面,被一个大穹顶“盖”在下面,形成了“天圆地方”的习惯性思维。
公元前5世纪时,古希腊数学家毕达哥拉斯,很早就提出了地球是圆球体的设想,这个设想的提出,是具有划时代意义的。到公元4世纪,古希腊科学家亚里士多德,利用观测发生月食时,地球在月球上投影边缘的弧形特征,推测出地球应该是一个球体。
到了近代,随着航海技术的不断发展,葡萄牙人麦哲伦、我国的郑和等航海家,都进行了长距离的航海历程,在长时间、远距离的航海过程中,进一步印证了地球是一个球体。其中,最为明显的例子就是观测船只在海面上航行时,由远及近时我们会先看到桅杆再逐次看到船体的下部分。
17世纪时,物理学家牛顿发现了万有引力,并且应用这个理论进行了地球重力常数的测量,发现无论在地球的什么地方,重力常数的差异都很小,说明地球表面与球心的距离相差也比较小,这种情况也只能用地球是一个近似的球形来解释。牛顿还运用万有引力公式,通过测量地球不同区域重力常数的差异,得出了地球的赤道半径比两极半径要稍微偏大的结论,证实地球不是一个完美的球体,而是呈现椭球体的形状。
从上世纪50年代之后,随着人类科学技术特别是航空航天技术的飞速发展,通过向外太空发射大量的卫星以及探测器,可以从距离地球表面越来越高的位置来拍摄地球,从而为人们展现了地球球体的形态,更为精准地测算出地球的半径以及扁率。
站在高处一定能看到地球是球体吗?
由于地球的尺寸,在我们人类看来非常巨大,达到了多公里,然而,我们人类的目视范围是非常有限的。假如没有脱离地球大气层的环境,那么极易受到大气层、建筑物或者其它遮挡物的影响,使得我们无法看到更远的区域,当然更看不到地球的曲率。如果我们看不到一个大范围的曲率,那么何谈认为地球是球体呢?
那么,我们假设人在地球的表面,天气状况非常好,也没有什么遮挡物,我们人眼能够看到非常远的地方,在这样的情况下,所看到地面的最远处,即人眼视线与地球表面的切线点。根据勾股定理,一个1.7米的人能看到的最远距离只有米。而如果站在世界最高峰珠穆朗玛峰的最高点上,周围与山顶的落差大约在米左右,那么我们看到的最远距离大约为公里。由这个距离,与地球的半径相比,相差还是非常大的,根本无法体会到地球的曲率来。
假如我们站在距离地面公里高的天宫空间站上,会怎么样呢?我们同样应用勾股定理,可以得出,看到最远的地球表面距离为公里。这个距离,我们完全可以满足观察到地球曲率的条件,但是,此时我们观察到的,距离一半的地球还相差甚远,这里有两个方面的原因:
一个是人眼视角范围只有度左右,在空间站这个距离,看地球两侧的视线夹角将达到度,也就是说直视地球的话,不能将地球尽收眼底。另一个是实际观测到的地表面积,也仅占到整个地球表面积的五分之一左右。
距离多远,才能看到“完整”的地球呢?
通过三角函数法,我们很容易计算出这个最近的距离。我们先要设定一个最基本的条件,那就是放眼过去,可以将地球全部收到眼底,不需要转移视线,那么就表明人眼的上下两个视线,正好与地球表面相切,而且满足两条视线的最大夹角度。
我们可以假设所需的最小距离为x,人眼与地心的距离则为6+x,那么,sin60度=6/(6+x),通过计算,得出这个x的值约为公里。
也就是说,人们在距离地表公里处,就可以一眼将整个地球收入眼中,能够直观地感觉到地球是一个“完整”的球体了。