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古人如何测量天体:量天尺与勾股定理的智慧
《周髀算经》记载,周公曾向商高请教:“天无法攀登测量,地无法用尺丈量,古人如何测天体?”古人虽然不能直接上天,也无法用尺子量地,但他们仍找到方法来测算天体位置和高度。
书中提到:“候勾六尺,从髀至日下六万里,而髀无影。从此以上至日,则八万里。”意思是,当影长六尺时,观测点到太阳直射点(影子消失之处)为六万里,而太阳高度为八万里。问题是,既然天不可丈量、地不可测量,这“六万里”和“八万里”又是怎么来的?答案在于古人的“量天尺”。
展开剩余71%“量天尺”并非神话中的神器,而是古人通过长期观测天象,总结出的规律,再结合勾股定理进行计算的工具。古人通过观测太阳影子变化,掌握测量方法。
其中一个方法叫“圭表测影”:立一根垂直的杆子(表),横放一根木杆(圭),根据杆子的影子长度判断季节和太阳高度。《周髀算经》记载:“日至之景,尺有五寸,谓之地中。”这里的“地中”就是地之中央,也与“中国”名称起源有关。夏至日,当太阳影子为一尺五寸时,认为达到了“地中”。
又记载道:“日中立杆测影,此一者,天道之数。周髀长八尺,夏至日日晷一尺六寸。”意思是在夏至日,用八尺长的周髀测量,太阳直射时影子为一尺六寸。不同地点测得的影长不同,例如陶寺遗址测得一尺六寸,而嵩山测得一尺五寸。两地相距约300多公里,古人根据“影差一寸,地差千里”的规律,把这差异转化为测量天体的工具,这就是“量天尺”。
掌握量天尺后,古人便可以用勾股定理测量天体高度。在长期观测中,他们发现了“勾三股四弦五”的比例规律,并将其应用到测量上。例如夏至日在陶寺测得影长一尺六寸,与太阳直射点形成直角三角形。虽然一开始无法直接套用勾股比例计算,但古人耐心等待,当影长和比例合适时,就能计算出太阳高度——这就是《周髀算经》中所说:“候勾六尺,从髀至日下六万里,而髀无影。从此以上至日,则八万里。”
除了太阳高度,古人还测量北极星高度、北极星到太阳的距离、太阳照射的最远距离(“日照四旁各十六万七千里”),甚至计算宇宙的直径和周长(“四极径八十一万里,周二百四十三万里”)。虽然现代看来这些数据存在误差,但利用“量天尺”和勾股定理进行天体测量的思路,展现了中国古人的智慧与科学精神。
总之,古人通过观测影子、总结比例、结合数学规律,即使无法像现代一样直接测量,也能推算出天体的位置和高度,这正是中华先民数千年智慧的体现。
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