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1、立表测影 * r# D! R0 h% d8 K( b, F- V. L
中华天文人使用圭表立表测影，圭表由两部分组成，垂直立于平地上的标杆称为表，水平放置的测影尺称为圭，两者以直角相接。
9 f- d& @5 i* ~3 C1 a 室外立表，可得日影，日影的长度，可通过圭上的刻度读出。 # r5 l2 H* Z* j+ }; Q
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圭表的最早实物出土于山西襄汾陶寺夏代或先夏时代的遗存，至迟到到西汉时候，一种建置于露天的常设圭表开始出现。这类仪具以青铜制成，表高八尺，圭长一丈三尺。 4 o- M" H/ m; u" P" I
在北回归线以北使用圭表，一年中的冬至时，太阳照射地球位置最南，北回归线以北表影最长，一年中的夏至时，太阳照射地球位置最北，北回归线以北表影最短。
5 y& E+ P9 [( w% u6 H, q$ Q1 s 通过圭表每日记录日影长度，通过多年累积的记录，便可确定冬至和夏至最可能出现的日期，进而确定二十四节气的日期。 4 _1 ~ w' [5 r0 S
2、中华日影记录数据支持大地是个球面 . K ]/ [$ K A- ^. Z& @' Z! g
选择春秋分，太阳直射赤道（纬度0度）时，天下立表测影，通过各纬度的日射倾角来分析：大地是个球面还是平面。
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( K: i G6 e( p4 ?0 c$ n+ _) ] 当阳光直射赤道的时候，在任一地点立表测影，得到的日射倾角度数，与当地的北极星出地仰角求和，都是90度。这是因为北极星对应的地轴垂直于赤道平面。 ; i3 v0 O+ }! d- f0 n' o
如阳光直射点北移到北纬10度，在直射点北方任一地点的日射倾角就会增加10度；
. y9 d! d3 n- Q8 c' I* H/ L: e 如阳光直射点北移到北纬20度，在直射点北方任一地点的日射倾角就会增加20度。
2 Q; `: r, T2 d" p 你会说：这不是很正常吗？——这是与大地是滚圆球面对应的很正常。
8 N( H8 ^7 k1 X* U 在所谓的平面大地上，日射倾角可不是这样变化的。 % v# M8 y. z+ Y m
我们假设在平面大地的北纬45°处有一个天文台，当太阳直射赤道的时候立表测影。日光如箭，如日影角度也是45°，可绘制下图：
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5 }( K% }- f2 u 太阳高度距离平面大地的距离L，等于这个天文台到赤道的距离L。
$ y7 O7 s" l' [6 f 对这个平面大地，如阳光直射点北移到北纬10度，计算日射倾角等于arctan(45/35)=52.125°，增加了7.125°；如阳光直射点北移到北纬20度，计算日射倾角等于arctan(45/25)=60.945°，增加了15.945°。
* f5 M& \+ r1 @ 推论：中华天文人士，通过日影长度变化计算日射倾角变化，就可推算出脚下的大地是个球面，不是个平面——平面大地上的日射倾角和日影长度与实际测量值不相符。 4 I, }. U2 S- Y A. _7 F6 k
见下表：
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& C; e) w$ n# w9 W; _/ k! u2 @) r 对每日观测日影的中华天文人士来说，要确定大地是个球面还是平面，就是这么容易。 ( X8 [' J# D1 h% t# T
3、圭表测天地 6 a/ `. e3 @% ]. |! @4 z' i7 g
上面的大地不是平面而是球面的分析，转发给别人看。有人答复说：古人是把大地看作在龟背上，是当作一个曲面。
1 L9 U9 r% Z* N( P 大地到底处在球面上还是龟背曲面上，靠圭表测量来验证。
/ g1 T: n8 P$ |7 j9 }9 L- h 由于地球自转轴垂直于赤道面，在赤道上做立表测影，直指向地心的表，与正午太阳光线平行时，水平放置的圭，正好指向北天极——圭表，是中华天文人在使用最简单的天地模型，做观天测地研究。 * }( {) T+ Z7 q9 J% [% Y# K: U
不管在大地上往北走多少距离，只要表垂直指向地心、圭是水平，各地北极星出地增加的度数等于日影入射减少的角度数，北极出地角与日射仰角求和，都是90°。见下图：
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, @* G6 c4 r4 y" V. z 而在龟背曲面上立表测影？就有以下两个问题：
4 Q! U/ e8 \- J" E0 E 1、龟背曲面不存在唯一地心可做测量中心，龟背曲面上的立表测影就无法指向一个中心。 . [# k6 f, _. y( R, ?5 t
2、龟背曲面不存在自转轴与赤道面垂直，就没有“向北走，北极星出地增加的度数等于日影入射减少的角度数”这个规律存在。
" d; A7 a& z) p; O 在龟背曲面上的立表测影的日影长度，与浑圆球面上的立表测影会处处不同——原理上，从南到北测量一次就都清楚了。 ; V% C& ^ c% f$ P; r8 h ^
中华立表测影的规律找到了，跟着就是实测，四海测验。 6 _2 k* w% W/ j+ h8 O! e% M! q/ J
4、四海测验可验证大地滚圆 4 n& P$ i* V4 _# a) F! o
西方人传说中是怎样去验证大地是圆的？所谓麦哲伦船队，最后有十八个人，在大海中环绕大地一圈回到西班牙，可用来证明大地是圆的。 ) U/ K' ^' d j# o$ ?; F1 {) o
这一圈的证据够吗？ * C. D, U6 }# `$ J8 z
这一圈，它可以是圆柱面绕出来，也可以是圆锥面绕出来，还可以是圆环表面绕出来。甚至任意形状立方体，都能围它绕一圈回到起点。 - f! D! j, t3 z0 K+ b; h- L; i1 c* O$ b
证据不足。 4 @ S6 ~0 ?7 x! V u
9 Q. {$ W# K8 r7 c' E) N8 z9 u- x, ~ 西方人绕一圈，不能证明大地的形状，不能证明大地的滚圆。 接下来看看中华天文人做了什么来证明大地滚圆的：( R8 h! m, ]9 t# r. k, P4 Q& v
《郭守敬传》中四海测验的故事：
1 @9 N$ [9 j3 X, Q6 i3 g+ W6 e 公元1279年（至元十六年），元朝天文学家郭守敬（1231-1316）为同知太史院事时，向元世祖忽必烈提出在全国范围进行大规模天文测量的建议。他指出唐朝开元年间天文学家僧一行曾命令南宫说带领人员，在全国13处观测点进行天文测量，现今元代的疆域比唐代还大，若不分赴各地进行实测，就不能了解日月食的时刻和食分数，各地昼夜长短的差距，日月星辰在天球上的位置等等（唐一行开元间，令南宫说天下测景，书中见者凡十三处。今疆宇比唐尤大，若不远方测验，日月交食分数时刻不同，昼夜长短不同，日月星辰去天高下不同，即目测验人少，可先南北立表，取直测景。） 7 s+ ?+ H7 E( z
元世祖忽必烈接受了郭守敬的建议，派监候官14人分道而出，在东南西北27个地方进行四海测验，（帝可其奏。遂设监候官一十四员，分道而出，东至高丽，西极滇池，南逾朱崖，北尽铁勒，四海测验，凡二十七所。）
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7 ]6 V: V( a) A6 x3 V* | “四海测验”从朝鲜半岛到川滇与河西走廊。南北总长5000多千米，南起北纬15度，北至北纬65度。东西绵延2500千米，东至东经128度，西到东经102度。 % N( H. t0 e; c* x8 _
第3节“圭表测天地”中，我们找到“各地北极星出地增加的度数等于日影入射减少的角度数，北极出地角与日射仰角求和，都是90°”的规律，就是每向北走纬度10度，北极星出地高度增加10度，立表测影得到的日射倾角减少10度。 / J" |9 g1 b9 m' ~; Q2 j0 W
在《授时历》中的记录的七处的夏至日影长度，这七处地点的北极星出地角度，大家看看？ % G* ]- a! i; Y2 M4 `
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在最南端，北极出地15度的南海开始，25度、35度、45度、55度、一直测量到北极出地65度的北海（再往北是北极圈，日影没的测），每向北10度设一测量点，再加上大都测量点共七处。 ' L& T5 R9 _+ K$ p: @
郭守敬选择的测量点，每隔10°一测（365.2575周天度体系）。这就是个理工男在做实验，可丁可卯地选择测量点。 * S. U/ c9 ~; @- x0 v& q
将四海测验得到的日影数据和昼夜时长数据整理如下： ! f( J; F+ U, y ]% [0 y
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四海测验记录的七组立表测影数据，衡岳测量点是接近北回归线，在夏至正午应有接近89度的日射倾角，四海测验却记录“无影”。而其它测量点的日射倾角也存在1~2°的偏差。这有可能是在根据北极星出地角度确定测量点时出的偏差，也有可能是立表不够竖直出的偏差。 8 b( ?5 r- x' s: P
% ^# x2 `. s% q! G+ {/ a9 E 但整体看这组立表测影数据，仍能够表明大地是处在一个滚圆球面上——所有立表对应共同的地心，才会每向北走10度，太阳的光线倾角减少10度——这不是比环游地球一圈来确定大地形状更加可靠吗？
% r6 }3 ?7 o" R5 [% k 现在，你明白郭守敬为什么在《四海测验》的27处测验中，只列出这七处的日影观测长度了吧？ 5 V8 H) v( K$ C) x1 _( {
因为这七处日影长度记录，可用来证明大地处在一个滚圆球面上。
0 N M% j) S: t' F4 y# H# k 这就是中华天文人观天测地，领科技文明之先。
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7 f0 k9 b4 g& c1 Z 元朝时的中华天文人，既然已经推算出来大地是球形的，为何不把推算结果公之于众，向所有人声明地球是圆球呢？ , k7 J( q5 n9 e+ }+ H' y
因为，地球是圆球，牵扯出来的问题比能够解释的问题还要多。 5 q( t: ~ p+ J, B) k
1、最典型的问题，为什么地球浮在空中，地球上水不流干了。答案：万有引力。地心引力吸住了地球上的所有东西，让水不流干。 0 P& [# @' r8 L1 [
下一个问题：万有引力是从何而来？——这就难死所有人，包括所有物理学家了。引力好像与物体的质量有关，但引力从何而来的？是怎样跨越长距离实现牵引的？仍是谜，无解的谜。 3 b3 W2 Z2 U- P+ m3 m
爱因斯坦的广义相对论尝试着用时空场来解释，但好像解释过了，最终还是没解释清。相对论时空场引出的待定问题更多，到了无法理解的程度。 8 R$ C8 n! K, v: e" F2 m: f
相关问题尚不可解，中华天文人不会急着将推算出来的地球是圆球说给世人听。
; V: f4 E D! i# d# t 2、地球的自转，坐地日行八万里。这就是处在赤道上的人和物体，以每小时
) F4 x& o5 l" T5 d: S& L 1679.3公里，每秒466.5米的线速度自西向东旋转（超音速）。
/ _. u6 T p, B 要是中华天文人计算出来了地球周长，地球转速就跟着出来了，他该怎么向大众解释这个旋转速度？只凭计算结果，谁会相信脚下的大地超音速旋转？却又是感觉不到？却又不能用仪器测量地球转速？ # u4 M ]5 I7 x4 j5 p4 @
如果脚下的大地在做匀速直线运动，还可以用“惯性”共同运动勉强解释一下，可脚下大地在做旋转运动。是什么带动你旋转的呢？是大地的附着摩擦力吗？（佛科摆实验，正是靠物体惯性证明不跟着地球自转的物体会逐渐偏斜）。
6 Z. U7 E6 C0 k) ? 空中的空气、云，还有脚下的水，都稳定跟随大地的旋转，没有相对运动。又是什么在推动空气、水随地球向东转？
; u7 w" ^' h7 B2 }0 I0 Q+ [( }1 \+ y% x 如果用孔明灯/热气球飞上天空，脱离大地了，一样看不出大地哪里有每秒466.5米的相对运动。孔明灯/热气球的重力与空气浮力在上下方向平衡了，那孔明灯/热气球的向东转是被空气推着向东旋转？水中的船的重力与水的浮力在上下方向平衡了，那船是被水推着向东旋转？ # e! @2 o0 z& `8 q1 y. \- O
在北纬60°位置，地球自转线速度比赤道少一半。那热气球往南飞，船往南走，旋转速度的增加是谁带动的？那热气球往北飞，船往北走，旋转速度的减少是谁带动的？ 4 _ S9 D0 @: F( R- c# j
3、地球绕太阳公转轨道总长度是940,000,000公里，与一年365天5小时48分46秒的时间相除，可得出公转线速度是28.787公里/秒。地球以这样的速度高速公转，是不是更吃惊了？这都超过第三宇宙速度16.7公里/秒了。
7 L* ^; P7 ~, c- M! [' _9 l 典型的疑虑：地球高速运动，公转又自转的，不会不稳吧？ - F, q/ ?2 c0 l& o# z8 L; P. s
能怎么回答？因为地球高速自转，所以地球自转轴保持稳定。因为地球高速公转，所以地球不会被太阳吸过去——这个回答能消除对“不稳”的疑虑吗？——解释不清地球为什么这么稳的。
% r% y5 H; x) ]8 D# H( R" t 对于金星、木星、水星、火星、土星这五大行星绕日及月亮绕日，也有同样的稳定性问题。也是解释不了过去N亿年行星和卫星都稳定画圈，既不靠近太阳也不远离，只能说过去N亿年运气太好了。 $ U& h8 G/ p" x& J' m/ S9 `
难题太多，元朝时的中华天文人宁愿保守一点，自己先开展研究，有结果了再公布。
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