作者:徐士进   来源:科学杂志（上海）    录入:Admin 

科学先贤探求地球特性而做的一系列实验，体现了人类科学思维活动的精美。这其中包含理论结合实际、由简单推及复杂、从细微见诸宏大，表达了科学求真的美的内涵。

地球的形状、大小、重量、运动方式及其在宇宙中的位置是人类在文明发展历程中一直关注的问题，对地球的认识和测量可以追溯到古希腊时代。本文列举了2000多年来科学家认知地球的著名实验，以此来探讨科学实验的精美。
测量地球的大小：埃拉托色尼的尺

早在亚里士多德（Aristotle，公元前384—322年）时代，人们就根据月食的弧形阴影推断出地球是圆形的。约公元前240年，埃拉托色尼（Eratosthenes）用简单的几何方法证明地球是圆形的，而且求得地球的圆周长度，这个数据与实际的误差不到百分之一。埃拉托色尼选择了亚历山大港（偏北）和赛伊尼（偏南，今阿斯旺）两座城市，它们的连线方向为正南和西北。然后请人在6月21日夏至日这天的正午时分，对两地水井的太阳照射情况同时加以观测，发现在赛伊尼，阳光可以直射到井底，而在亚历山大港，阳光只能照到井壁，光线与井壁的直立方向有一个7.2°的夹角，根据简单的几何知识，可知这个角度就是两个城市相对于地球球心所夹的球心角。这个夹角的产生正是因为亚历山大港和赛伊尼两地间的地面呈曲面所致。埃拉托色尼根据商队在通过两城时路上所用的时间，乘以商队的平均速度，算出了两地的距离（两地在地球表面的弧长）。既然亚历山大港和赛伊尼连线大体位于正南正北的方向上，则两地连线就应该是过地球球心的圆上的一段弧线，它们之间存在着7.2°的差角（相当于整个圆周角360°的1/50），根据简单的代数运算，即地球圆周长等于两城距离（弧长）乘以50，埃拉托色尼由此得出了地球的圆周长。

古希腊人尚求真，埃拉托色尼将无限宇宙看作三维空间，用一道影子、一件测量工具和相当于现今初中程度的几何学，无需繁复的测量，就求得了地球的圆周长度。这种求真思维又是优雅的，美的。当今，全球有几百所学校都将埃拉托色尼实验排进课程，让学生体会这种求真思维的精美。
称量地球的质量：卡文迪什的秤

地球的质量是确定地球性质的一个重要参数，如果知道了地球的质量，再通过体积来计算出它的密度，就可以确定构成地球内部的物质的性质。关键问题是如何找到一杆能够称得起地球的秤！牛顿（I. Newton）在他不朽的著作《自然哲学的数学原理》中做过一个推测：一根挂在大山附近的铅锤线，受到大山和地球质量的影响会稍稍向大山倾斜。这一推测暗示了存在一杆能够称得起地球的秤。

1731年出生的英国物理学家卡文迪什（H. Cavendish），发现英国剑桥大学教授米歇尔（J. Michell）用细线横吊磁铁的扭转来观察磁引力，但靠肉眼看不到细线的变化。一天，他看到一群孩子拿着小镜子，用来反射太阳光玩。小镜子微微一动，远处的光点会发生很大的移动。这个游戏给卡文迪什以极大的启发，他在细线上固定一面小镜子，用一束光线去照射它，结果，细线极小的扭转被放大了，提高了实验的灵敏度。卡文迪什改进了米歇尔的装置，一直到1798年，他用这个装置测出了两个球之间的引力，并借助牛顿的万有引力定律，计算出了地球的质量和平均密度。他也因此被誉为“第一个称出地球的人”。

实验装置很简单，组件为一根1.8米长的木质杆、悬吊木杆的细线、木杆两端各挂一只小铅球、可移动的两只大铅球，组件安装在密闭的木箱中以防气流干扰。由于大小球体之间的引力极其微小，约为球重的五千万分之一。各组件的本身及相互间作用的任何细微变化都导致测量误差，甚至连组件本身温度与空气温度的差别引起气流也会干扰测量结果。

装置虽然简单，但科学思维讲究精确，测量过程的每个选择和操作都十分精细。卡文迪什完成的实验报告长达57页，发表在1798年的《皇家学会会报》上。常人看来，这份报告通篇都是吹毛求疵般追查误差来源的描述，甚至当年的评审专家都抱怨道“读起来像是检讨错误的专题论文”。但实验的构思和测量的结果却是令人叹服的，它凸显了一种精确之美。
证实地球的自转：傅科的摆  

1851年，为了证明地球在自转，法国物理学家傅科（J. Foucault）在巴黎先贤祠的圆顶大厅做了一次成功的摆动实验，而试验用的摆锤也因此被命名为“傅科摆”。试验中的傅科摆长67米，摆锤质量为28千克。由于这种摆惯性和动量大，因而基本不受地球自转影响而自行摆动，并且摆动时间很长。

傅科使用了如此巨大的摆是有道理的。由于地球转动比较缓慢（相对摆的周期而言），需要一个比较长的摆线才能显示出轨迹的差异。因为空气阻力的影响，这个系统必须拥有足够的机械能（一旦摆开始运动，就不能给它增加能量）。所以傅科选择了一个28千克的铁球作为摆锤。此外，悬挂摆线的地方必须允许摆线在任意方向运动。傅科正是因为做到了这三点，才能成功地演示出地球的自转现象：摆动过程中，摆动平面在缓缓转动，摆动方向不断变化。

如今，在世界各地的许多科学博物馆和大学都安置着傅科摆。置身在宏大建筑之中的参观者，目睹这只巨摆无视周围世界的存在，往复摆动，默默地显示大地的转动，令人赞叹不已。
测地球的年龄：卢瑟福的钟

1896年，法国物理学家贝可勒尔（H. Becquerel）在准备实验时，惊讶地发现铀盐已让包在厚黑纸里的底片感光，表明铀盐发射出能穿透黑纸的射线。两年后，皮埃尔·居里（P. Curie）和玛丽·居里（M. Curie）夫妇发现钍元素也能发出类似的射线，把这种现象命名为“放射性”。

卢瑟福（E. Rutherford）和索迪（F. Soddy）一起为放射性年龄测定奠定了理论基础。他们发现放射性现象是由于元素的自发衰变造成的。在衰变过程中，一种元素变成了另一种较轻的元素，同时发射出射线。每种放射性元素的衰变速率是固定的。这样，如果知道了某种放射性元素的衰变速率和衰变产物，就可以根据衰变产物的量计算出发生衰变的时间。

卢瑟福在1905年首先想到了可以用这种办法来测定岩石的年龄。当时，他已经知道铀、镭发射出的α射线其实就是氦，那么，通过测量岩石中铀和氦的比例，以及铀产生氦的速率，就可以知道岩石的年龄。用这个办法，他测定两块岩石的年龄大约是5亿年。卢瑟福谨慎地指出，这只是下限，因为有一部分氦可能从岩石中逃逸了，导致测定的氦含量比实际的要少，测定的岩石年龄也就偏小。

在同一年，美国化学家博尔特伍德（B. Boltwood）注意到铅总是出现在含铀和钍的矿石中，推测铅是铀和钍衰变的最终产物。在卢瑟福的建议下，博尔特伍德开始通过测量铀矿石中的铅含量来计算岩石的年龄。他测了26份岩石样本，发现它们的年龄在4亿到22亿年之间。这表明地球的年龄至少是22亿年。二战之后，人们在铀-铅方法之外，又用铷-锶或钾-氩等测年方法对地球物质和各种陨石进行测定，最终得出结论：地球的年龄有46亿年。这一发现是20世纪最伟大的科学成果之一。

地球科学如果没有详细的年代学，就没有严肃的历史。严肃的历史需有确切的年龄数据。在过去漫长的5000年历史中，人类对地球的认识处于一知半解状态，也没有任何有效方法确定时间的跨度，普遍相信“上帝创世”的传说。卢瑟福的放射性定年方法提供了测定地球年龄的工具。这样人们才得到了地球年龄的确切数据。
估算海底的移动：瓦因-马修斯模型

1950年代的海洋科学园地犹如百花盛开，海洋学家除了海底热流测量外，还进行了海底地形测量。这些资料和地震分布、海底火山及深海沉积的研究结果，被普林斯顿大学的赫斯（H. Hess）综合成海底扩张的模式。

1958—1961年，美国科学家在东北太平洋发现条带状磁异常。1963年，剑桥大学的瓦因（F. J. Vine）和马修斯（D. H. Matthews）运用海底扩张说解释条带状磁异常的成因。瓦因-马修斯模型认为，洋脊轴部或中央裂谷处，地幔物质上涌冷凝成新洋壳，新生玄武岩在温度下降到约500°C（居里点）时，开始受到当时地磁场的磁化，当温度降到约 450°C时，磁性矿物的颗粒完全顺地磁场方向排列。磁化了的先成熔岩随着新熔岩的涌出，不断向两侧推移；同样地，地球磁场的极性反转使新熔岩在相反的方向上被磁化。这样，就在洋脊轴的两侧形成相互对称的正、反向磁化交替的地块。由于洋壳不断产生并向两侧扩张，地球磁场极性反转的顺序就像磁带记录器一样在洋壳上依次记录下来。距离磁条带的界线构成了洋底等时线。

瓦因-马修斯模型表明利用磁条带的宽度可以估算海底扩张的速率，还进一步指出：洋底的年龄=距洋中脊的距离/半扩张速率。

大洋底距离与年龄的线性关系，不久即被“格洛玛·挑战者”号深海考察船在南大西洋的钻探结果所证实。高昂的深海取样加精细的样品鉴定得到的结果竟然与这个简单方程的预测相一致。瓦因-马修斯模型不但解释了大洋底发现的各种表面看起来互不关联的现象，还能预测未知。这个从一堆自然现象和实验成果中提取的方程式是超乎寻常地简单明了。这表明，科学工作常常是复杂的，而科学的结论又常常是简洁的。求真的科学，又追求表达的简洁。在许多科学成果中都表现出了一种简洁之美。

科学先贤探求地球特性所作的一系列实验，体现了人类科学思维活动的精美。上述实验基本上带有某种“个人英雄主义”的色彩，他们都是凭着个人的努力，通过“逻辑简单的设备，以及同样逻辑简单的分析”，把此前的“混乱和含糊不清”一扫而空，让自然的崭新认识跃入眼帘。尽管这些例子凸显的是科学实验者的独立性，但是成功的科学实验者通常不是孤立闭塞的，或多或少都受到他们所处的那个时代的影响。

今天，科学实验日益变得工业化、巨型化、集团化，理论探索则变得抽象。笔者认为我们有必要先去了解一些基础的东西，用挑战权威的质疑精神进行思考，这对我们这个科学实验传统并不深厚，引入科学实验相关的物器、制度和文化的时间不过一百来年的国家尤为重要。总之，科学活动需要用科学思维去统领！