看月食的时候,我们来聊聊古人的脑洞

看月食的时候,我们来聊聊古人的脑洞

作者:@马褂爱天文

1月31日的月全食马上就要来了,这次月食开始于入夜后的不久的19:48,21点之前就全部被食,属于非常适合观看的时段。

 

这几天不少天文公众号与自媒体,以及媒体报道、网站平台都纷纷推出了对月全食的科学介绍,相信大家看的已经不少了。那我就聊点别的,换个角度来看看古人看到月食的时候都开了哪些脑洞:

 

首先来谈谈月食的成因问题。在中国民间传说有天狗食日食月,在北欧神话里则有对应的巨狼斯里芬(去年漫威电影《雷神3:诸神黄昏》里出现过的那坨大黑狼)的两个儿子吞食日月。不过这些也就是传说。相比之下,古印度的星占学里,设想了两个“隐藏不见”的凶星,叫做罗睺星和计都星,前者专门吞吃太阳,后者专门吞吃月亮,则有着一些特定的天文含义。

 

古印度神话中,大神毗湿奴(Vishnu)带领天神搅动大海,提取永生之水,结果有个叫罗睺(hóu)的阿修罗躲在天神队伍里偷喝。太阳神和月亮神发现后向大神举报了他。毗湿奴飞起一个盘子把罗睺砍成两半。但是他喝了永生之水,不会轻易死去,他的上半身还叫罗睺,下半身叫做计都,就躲在天空里永远与日月为敌。

(也有说法称罗睺的下半身是好几条蛇拧巴在一起的,砍下来变成计都以后就成了彗星,反正在古人眼里也是个不祥的象征)**

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(图片来自网络,感觉毗湿奴像是扔出了个平底锅 

 

落实到天文学上,罗睺指的是月亮轨道与地球轨道的升交点,计都则为降交点。从中我们可以看到古印度人对日月食发生的位置是有研究的——

 

大家现在是都知道月食的成因是太阳照着地球形成了长长的影子,月球走进这个阴影里就会形成月食。

 

为什么月球每个月都绕行地球一圈,却不会每个月都有日月食呢?就是因为月球绕行地球的轨道和地球与太阳的轨道之间存在夹角,月球需要在初一或者十五的日子里,正好走到两条轨道交点处附近,才能形成日食或月食——也就是传说中罗睺和计都趴着的位置。

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(从地球的视角,太阳沿着黄道运行,月球沿着白道运行,两者之间存在一个小小的夹角,当日月走到交点附近,阴影才能遮掩)

 

以现代天文学的视角看,所谓罗睺就是月球本身,它遮挡太阳时比较容易看出一个黑暗的圆。

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(借助计算机对日食时拍摄的高动态范围照片,我们也能看出遮挡太阳的月球表面,以及太阳周围翻滚奔腾的日冕和日珥。 王乐天摄,章佳杰处理)

 

而所谓的计都并无实体,它是地球所拖出的一道长长的阴影。依托现代科技的手段,用照相机拍出多张月食过程的照片,然后拼合到一起,就能看到这个阴影的更全面的效果。

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(图片来自apod,王乐天摄)

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和这个印度神话相比,古希腊人在认识日月食成因方面高级很多。他们很早就知道月食是由地球的阴影造成的,并且还从这个阴影是一段圆弧的现象中推测出地球的形状也是个球形。

 

其实古希腊人的宇宙观里,本来就觉得圆形啦球体啦什么的是最完美的,所以认为地球是球体也算顺其自然。

 

不过要较真起来,仅靠一段弧线就认为地球是球形还是证据不足的。假如地球是个圆柱体,某次刚好以横截面对准太阳的时候也可以产生圆形的影子。

 

但是古希腊人收集了很多月食的结果,可以说是全方位多角度地确认这些影子都是圆弧形,从这样的“大数据”推出的结果还是可信的。**

 

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提到与月食有关的“大数据”,还可以说说喜帕恰斯(Hipparcus)的功绩,也有把他的名字翻译成“依巴谷”或则“希巴克斯”的。他生活在公元前190~前125年的古希腊,在天文学方面做出很多开创性的努力,被后世尊称为“天文学之父”。

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(图片来自网络)

 

他有个脑洞大开的创意,是借助月食测量朔望月的时长:

 

朔望月时长就是指月亮从与太阳同一方向的朔,逐日长胖变圆,达到被称为望的满月,再一步步亏损,到下弦月到残月再到看不见,这样一个周期要经历的天数。

 

显然月亮与太阳同侧时是看不见的,没法测量两个朔日的间隔。满月也有“十五的月亮十六圆”,上弦月下弦月到底什么时候正好是一条直线?这些都不容易精确定位。

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(图片来自网络)

 

这时候喜帕卡斯就用上了月食的天赐良机,月球什么时候进入地球的阴影和走出地球的阴影,可以比较明显地判断出来。

 

然后,他手里还有古巴比伦人上百年观测月食的记录,数数这么长时间经历过多少个朔望月就可以得出相当精准的时间。

 

我按这个方法自己也计算了一下:从上一次在北京发生月全食的2011年12月10日20:45,到这次的2018年1月31日19:48,期间共经历了2243.96天,76个朔望月。于是求出平均每个朔望月的时长是29.5258天,和标准答案的29.5306天之间相差不到7分钟,精确率达到99.98%。

 

这是只用了6年的间隔,已经算得相当精确了,如果真的用上几百年的数据,啧啧!

 

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和喜老师的这个脑洞相比,比他早一百多年的古希腊天文学家阿里斯塔克(Aristarchus)面对着日月食,脑洞开得更大:

 

日食的时候,月亮能刚好遮挡太阳,这说明了什么?我们伸直胳膊,然后弯曲一根手指,可以发现大概手指的粗细差不多是月亮直径的两倍,这又说明了什么?**

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这说明:我们胳膊的长度和手指一半粗细之间的比例,

和地球到月球之间的距离与月球直径的比例,

以及地球到太阳之间的距离和太阳直径的比例,这三者是差不多的。

 

接下来阿里斯塔克在上弦月的时候(这时候日、月、地之间的夹角正好是90度)测量了月球和太阳之间的夹角。

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(图片来自网络)

 

根据三角形边长之间的关系,他得出日地距离大概是地月距离的19倍左右,同时太阳的直径也是月球的19倍。

——现在我们知道这个距离之比是400倍,但他开这个脑洞,在理论上是没什么问题的。受测量精度的影响,以及对上弦月无法精确定位,才造成测量值的极大误差。

 

还能开什么脑洞呢?他又测量了月食时月球穿过地球阴影的时间。注意,要找那种月球正好从地球阴影中心穿过去的月全食,如果是从阴影的旁边穿过去的话所用时间就比较短。

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(图片来自NASA,本次月全食,月亮走的路径就不是地影的中间)

 

测量这个时间有什么用?因为月球差不多每隔27天多就会绕地球转360度(注意不是朔望月的29天半),所以平摊下来,差不多每个小时走过其自身宽度的一段距离,也就是半度左右。**

 

通过测量这个时间,阿里斯塔克就算出:地球的影子拖到月球的那个位置上,影子的宽度大约是月球的2.5倍。

 

那么问题就来了:10

根据前面的计算,太阳的直径是月球的19倍,如果地球比太阳大,这个影子锥就会呈扩散的形态,到月球的位置就不可能缩到只有月球2.5倍直径的宽度。

 

即使地球跟太阳一样大,这个影子圈的大小也应该有月球直径的19倍宽度左右,一次普通的月全食将会持续将近一天才对。

 

唯有地球比太阳小,影锥才会收缩。经过一些别的计算,阿里斯塔克得出结论,地球直径应该是月球的3.5倍左右。那么!太阳的体积就得有地球的两三百倍了。(现在科技给出的结果是130万倍左右)

 

那么大个的太阳绕着小小的地球转,是不是有点荒谬呢?由此阿里斯塔克得出结论:应该是地球绕着太阳转!

 

但是很遗憾,他在公元前三世纪就提出的日心说,显然太超前于那个时代了,只有阿基米德在他的《数沙子》这本书里记了一笔。经过一千六七百年后才被哥白尼再次提出。

 

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看似简简单单的日食月食,经过深入挖掘竟然能找出这么多有意思的课题,看来思考的乐趣是可以遍布在生活中的各处细节的。

 

这次就先聊这么多吧,希望大家顺利观测成功

 

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一些补充**:

1、罗睺和计都传入中国以后,与日、月、金、木、水、火、土七星合称为九曜(yào)。在《西游记》里,托塔天王率兵去花果山捉拿孙悟空就带着这哥儿九个,不过最后也没能把猴子怎样了。

 

2、文中所谓“大数据”,只是借用现在热门技术的梗,以体现古希腊人在收集数据方面的拓展性思维,其实远不到大数据的范畴。

 

3、伸直胳膊测量角距,适用于精度要求不高的测量需求,一般而言,胳膊长的人手指粗手掌宽,胳膊短的人手指细手掌窄,也是可以成比例的。

 

4、月球每小时约走过自身宽度的角距,后来到了大航海时代还被用到过:天文学家们为了帮助航船实现全球定位,在精密航海钟发明之前,曾提出利用测量月球方位来进行授时的解决方案。此举后来还奠定了以格林威治天文台所在经线为本初子午线的基础。

 

 

 

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