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! U: T" g' e) y, ]5 x" K4 ^8 ?2 n 1、立表测影
6 t% f) q/ k7 B7 i; i8 @& b8 j& { 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。
( q m, J P, ~$ H5 v1 C/ a 室外立表，可得日影，日影的长度，可通过圭上的刻度读出。
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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。
1 }: T8 d+ y, w$ A c 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。
2 Z- s7 ^( t9 D7 ] 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。
8 [# S4 F: ]9 b3 q: N. }8 D8 r 2、中华日影记录数据支持大地是个球面
$ x" U# @8 q" M/ X 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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9 a' l+ l) c4 O$ l- w& 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。 " g8 r: t, Q. _
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；
0 q! l/ \+ v6 Z/ u$ V 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。 3 C: A9 f$ y. c+ v+ J% z' w
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。 $ G4 M D8 O5 N' s" i( `; J
在所谓的平面大地上，日射倾角可不是这样变化的。
8 l1 H ^5 F+ L$ o+ `# y* { 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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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。 9 n1 o. t+ ?+ S- x8 Y8 c; z' s
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°。
3 g4 Z' P: s) S 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 A! S4 U0 I! Y3 p" x; [
见下表： * h- A6 W1 B/ J; S! p) o% d
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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。 0 q" ?6 E8 a7 N& l& ]
3、圭表测天地
. E' \$ S" Q4 ?/ W" B/ x9 M 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。
7 a6 a2 x" t/ M( e% L 大地到底处在球面上还是龟背曲面上，靠圭表测量来验证。 0 X' W5 M3 J4 u- v
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。
3 R. ]4 g, D. ~5 T$ z0 @ 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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! V$ N v5 }0 a' j% c0 ]% u% o8 q 而在龟背曲面上立表测影？就有以下两个问题： 1 G% x0 n9 k7 D. y8 e9 t/ U6 @% 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。
/ j9 A4 n, [! u% |; E' W/ O4 o$ g 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。
4 |+ F# A* H8 J& p# v) V) [ 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。
) v9 E" h! p" j B1 L6 z 中华立表测影的规律找到了，跟着就是实测，四海测验。
) X, z" s# o6 q' _0 Q( Y 4、四海测验可验证大地滚圆
* Y7 T6 \& p' {0 N 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。
) P$ I4 C2 v& a. S+ [ 这一圈的证据够吗？ 4 { O! i `6 _- t# V% 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。 % D1 ?" c3 H# h) t& I" J1 A. A
证据不足。
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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：
1 E' Q4 `4 g+ y! r! h S# D 《郭守敬传》中四海测验的故事： 8 f: m* V, r7 J2 O3 S* S
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。）
0 H. X4 _7 e- m* S+ F7 Y, v 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。） 4 s4 [0 H- U" w' |( A
0 N" n9 G8 ?3 q9 b( I “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。
) h$ ^6 M) p" \) G# E, Q 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。 ; q e) T9 \. T* I
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？
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8 v' L: ] R: H4 r 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。
# ?2 r$ A$ G/ a( h v 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。 ( l8 x' G) \$ y. H, f
将四海测验得到的日影数据和昼夜时长数据整理如下：
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" Z: E: A: s3 S/ n 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。 * Z1 s3 A; p* \2 m) K) Z
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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？
/ z& J+ Z( i0 M 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？
( Y' U9 d% p6 W% x- t) A: j 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。 , g( ?3 |5 @$ u. b
这就是中华天文人观天测地，领科技文明之先。 $ q. z* }9 {1 n, r
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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？ + h! t- L/ _6 a& G: ?
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。 & J4 P2 P& g* a! D
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。
/ s" p m: ]0 y 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。 2 W4 ]1 _- X/ t4 |( [' ~
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。 7 h4 m0 |1 G. E, f1 ~: t1 R
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。 " L I- Z: _3 c" S" M
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 ' o& o0 y" O. E# L4 Q
1679.3公里，每秒466.5米的线速度自西向东旋转（超音速）。 * J. y5 S( }$ ^3 _% W; [; {
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？
& m, y/ \! o1 F+ q' \ 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）。 G9 G* V. [1 r6 @6 F
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？
4 t; F, a, G0 e: W | 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？ N7 h: |1 u# x6 H( d1 I
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？ * d9 F0 _, f8 @* X5 m
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。 ; D" f/ p" E% ~5 A: Z5 M5 F
典型的疑虑：地球高速运动，公转又自转的，不会不稳吧？
& F/ Y3 F. b5 w- @- b5 Q 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。
: u5 q/ z2 s" ~ 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。
$ _+ n$ K( {( D" N: A9 N 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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