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1、立表测影 ! ~7 Z- H% J9 w$ P
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。 / l1 ]: }2 A' u9 Y- f
室外立表，可得日影，日影的长度，可通过圭上的刻度读出。 1 |" a3 m2 \4 S0 z4 @
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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。
6 K6 C5 F# `7 n9 V" ^ 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。
1 i7 q) A9 ?7 [& I 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。
: j! }8 ?" ~' K. ?# l0 j 2、中华日影记录数据支持大地是个球面 . m- p3 H8 t' e3 e9 ?* v
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。 3 \$ c' x* n: _7 \% X- \( R2 ^
3 y+ s# |2 n. B0 V2 ~; b# 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。
: N- ^, s: L9 N Q; i x& n1 l 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；
|) _' T( [) \, r8 ^: t0 F 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。
?( n, f% w! S/ e( s 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。
! Q2 y! x0 x5 C/ w8 U" a% W1 f 在所谓的平面大地上，日射倾角可不是这样变化的。
8 l3 r# K* c, ? 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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" }. N' N) G0 } 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。 5 @+ K! N5 H [/ c7 {/ s7 ~
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°。
- o8 m# |8 C, o" ?4 t 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。
9 [. k; ^# A& \# n. y3 B 见下表： 7 T k. _6 w: A$ x% C. z5 ~
/ L; a# h4 a8 `$ [5 @/ { W( B2 K 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。 4 K* _; }1 {5 V5 r+ V4 V0 p/ C
3、圭表测天地 7 ~6 B+ h, Y" c4 B# A; X4 \: I
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。 8 [- M- O; D' J% X
大地到底处在球面上还是龟背曲面上，靠圭表测量来验证。
4 q' A/ f# b+ u% m$ w. K: X 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。
) `/ A) E' S$ F, 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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而在龟背曲面上立表测影？就有以下两个问题：
1 E4 `6 B" x G" J2 H4 S 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。
' a* p1 W% W6 G5 S! O+ e+ ? 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。 * i# u; o0 k3 @: Z2 Q
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。 2 W |' l: s" m- ~# \. |( R
中华立表测影的规律找到了，跟着就是实测，四海测验。 0 |' T, e- N' W+ h
4、四海测验可验证大地滚圆
- ` _1 u8 ]( _ 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。 3 U$ O- [1 e3 n- r
这一圈的证据够吗？ " T% Q- U) Z. f) S
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。
' w. U' L" C' o5 E1 @1 q8 c4 E 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：/ y$ N2 w. j8 Y0 C6 x7 v
《郭守敬传》中四海测验的故事：
- O1 [2 ~) D4 R& }0 ?4 X6 Z 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。）
% h. U- c. {; M* p2 P0 c 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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# \/ r; [/ f7 O# s “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。
- U6 z+ Q1 a# s7 B 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。 2 D6 o- \, _' g/ W2 M8 x K
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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; {9 d" o) g) O+ g0 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。
9 S3 I. l. T! R" `" }( f( G 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。 ( B* p3 K$ @: `5 Q
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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. b- @6 c: D6 v2 u 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。 6 r4 w/ W& l6 f0 `4 p- u" I
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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？ 3 A6 z0 x i+ S: i( N
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 |' z, ?' Y. V
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。
. \ `* p0 g$ I- l 这就是中华天文人观天测地，领科技文明之先。 ( v! q0 o9 W! J
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9 x9 N% u/ f+ y5 W) n& I 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？
( Y, d- w e8 h# j0 P9 f7 W 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。 ( E5 c0 b9 \# l. F! A2 b# [
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。 3 ~& h2 |9 K+ A% y8 @
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。 , u$ q0 ]5 ]4 s: K2 K% `
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。
4 d- V+ d0 u' H+ d2 F& Y4 g' T 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。 - G! O ]7 n- R$ W- y/ M4 q ~) s
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 " j8 G) g9 D- z4 u) S
1679.3公里，每秒466.5米的线速度自西向东旋转（超音速）。 6 k+ A. M/ ]; j/ p; ^
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？ 1 B9 T: {0 i" T) u* j* x
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）。 " b1 P) s, x1 u1 Q; x
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？ ; [2 w5 J; g- {
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？ 7 {4 S! C1 P8 v/ a
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？ 3 f. ~) u5 `* B
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。
' k1 _& g; r) _/ F4 P 典型的疑虑：地球高速运动，公转又自转的，不会不稳吧？ , V5 Q' D$ [$ S# T6 E5 T" D+ Z. @
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。
$ [3 ~1 {" a5 W 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。
4 D ` Y& x5 e& |4 x 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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