2017年1月1日,大过年的日子,有幸体验了一把啥叫“面朝大海,春暖花开”。为迎接新年的到来,那天登上海边的一个小山坡,按理说,作为一个有文化的年轻人,应想象着海那边的风景,吟诗一首。然而,某无名船只把我从文学道路上带偏了,吸引我走上追求科学的路。
站在山坡上,远远眺望着海上的风景,一艘小船成功引起了我的注意。看着那首船,不知为何,我想起了初中地理课本上证明“地圆说”的一个证据:我们眺望远处向我们驶来的船,总是船的桅杆(挂帆用的那根东西)先出现在视野中,船继续靠近,我们才能看到船身。
这个证据非常好理解。因为地球是圆的,船离观察者很远时,看船的视线就会被海平面挡住。船的桅杆比船身要高,船和观察者处在某个距离的区间内,船身被海平面挡住,桅杆却并未被遮住,所以船向我们驶来的时候,我们总是先看见桅杆。
如果你没法理解这个解释,可以想象以下场景。你在逛某商场,此时离扶手电梯10米远,有人乘扶梯上楼,你望向扶梯,毫无疑问,你一定会先看见每个上楼人美丽的脸庞,然后才看见他们的大长腿。而你看向前方某个货架,拐角处有人窜出来,这人出现的时候,你一定看见了整个人(假如不考虑脚先迈出来的话),而不是先看见头。
这个证据很有力,十多年来我从未怀疑过,然而那艘无名船动摇了我对教科书的坚定信仰。我离那艘船并不远,它因被海平面遮住而从视野中消失还有相当远的距离,可我只能看见它的轮廓,无法获悉它的细节。所以,我认为,假如有一艘帆船离我远去,它一定会在被海平面遮住之前,成为视野中的一个点,无法分清它哪部分是船身,哪部分是桅杆,因为地球太大,在小尺度上太趋近于平的。
也就是说,远方的船向岸边驶来,尽管是桅杆先出现在视野中,随后才出现船身,但因为眼睛的局限性,人类不可能在没有工具的情况下捕捉到这个过程。那么,有没有可能这个证据是在望远镜发明之后才为人类所发现的呢?我特意上网查了,据称,这个证据是古希腊毕达哥拉斯学派提出来的,那时候显然还没有发明望远镜。
所以,我很怀疑这是编写地理教材的人,在知道地球是个球的情况下,编造了这样一个“证据”,以让地理课更生动有趣。
胡适先生说过一句话:“大胆假设,小心求证。”既然已经大胆怀疑,那么就必须通过严密的逻辑和证据来证明或证伪这一怀疑。毕竟,写在教科书的东西,不能因为我认为船太远看不清而否定掉,万一我觉得看不清是因为自己近视呢,又或者是因为雾霾太严重呢。为此,这几天我进行了科学的求证。
求证从数学切入,方法很简单,就是求解观察者眼睛与船上某点的连线的直线方程,当直线与海面相切时,该点即恰好被海面遮住。
考虑到是古代的船,假设船身高5米,桅杆高30米,海面即为地球球面,半径为6378千米。最终经过计算:
若观察者的眼睛距离海面1米高(观察者和我一样,是个小矮子),船身恰好被海面遮住时,船离观察者约11.5千米,桅杆恰好被海面遮住时,距离约为23千米;
若观察者的眼睛距离海面100米高(站在小山坡上),船身恰好消失,船离观察者约44 千米,桅杆恰好被海面遮住时,距离约为53千米。
考虑到船帆和船身高度不是恰好等于30米和5米,观察者眼睛距海面的高度也时变化的,所以,如果毕达哥拉斯学派的人观察眺望远方驶来的船,船离他们10-50千米远的时候,是有可能桅杆没被海面遮住,而船没被遮住的。那么最终问题就转化成,在这个距离上,视野里出现一艘船,人类能不能辨别出它哪部分是船身,哪部分是桅杆。
人类眼睛分辨角的极限约为0.00023rad,即如果两个点距离我们10千米,两个点之间的距离若小于2.3米,我们会认为这两个点重合了。因此,一艘桅杆高为30米的船,要成为人眼中的一个点,至少需要离人130千米远,所以,船身被海面遮住而桅杆未被遮住的时候,船还不至于成为眼中的一个点。至此,我的怀疑消解了一部分。
尽管已经知道船不会先成为一个点,但我依然不知道在那么远的情况下,我们能不能分清船身和桅杆。条件有限,我无法通过实验验证,只能另辟蹊径。要分清二者,主要有两个手段,一是颜色(挂了帆的桅杆通常是白色),二是轮廓形状。
根据网上的资料,民航客机的飞行高度一般为8-12千米,那么,我们以比较舒服的角度观察到一辆客机的时候,它与我们的距离大约为10-20千米。根据我多年看飞机的经历,飞机的颜色是无法分辨的,但是在合适的角度,看清轮廓是可能的。常见民航客机的长度为30-70米,和帆船的桅杆高度很接近。所以,在10—20千米的距离上,我们是有可能(我还不敢肯定)分清船身和桅杆的,而这个距离上有可能船身被海平面遮住而桅杆未被遮住。
因此,我的怀疑很可能是错的,地理书上的内容并不是编造的,但还不确定,毕竟验证方法还不够严谨。
立个flag,假如发现了更好的方法,而且能做到,我一定会更新这篇文章的。
用一句格言结尾:纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。
PS:1月1日晴空万里,假如是今天去的海边,一定看不见那艘船,自然不会想这么多。嗯,希望我们每个人都能尽点绵薄之力,解决雾霾问题。