如何用一把15公分長的尺量地球到月球的距離?

2020-12-04 小魚苗成長

當我們舉頭望明月時可曾想過,這顆又圓又大的盤子到底距離我們多遠?

你有想過嫦娥和玉兔平時有多孤單寂寞覺得冷嗎?

沒有,因為你只想到你自己……. (誤)

古希臘的數學家/天文學家喜帕恰斯只使用了一枚硬幣跟一隻尺,便簡單解決了這個問題。

簡單來說,他就只是用了高中生都應該會算的相似三角形概念而已。

讓我們來複習一下相似三角形……

簡單來說當角度為定值的兩個一大一小三角形,小三角形以綠色表示,大三角形以紅色表示,角的對邊與底邊將始終維持固定比例,也就是。

喜帕恰斯當年的做法是…調整硬幣與人之間的距離,調整至硬幣看起來的視直徑與月球視直徑一樣大時,紀錄下硬幣與人之間的距離,利用已知的月球直徑 與硬幣直徑,便可以求得月球的距離了!

等等這不科學呀!怎麼知道月球直徑 的?這又是開了什麼大絕!

原來在喜帕恰斯之前,便已有許多學者致力鑽研於地球與月球大小,是的不用懷疑!遠在古希臘時代便已有許多學者認為地球是圓形的!舉凡畢達哥拉斯、阿利斯塔克皆屬相信地球是圓形的學派!甚至阿利斯塔克還曾經試圖量測地日距離!他也是第一位提出日心說模型的學者。

喜帕恰斯便是踩著前人累積的智慧前進,阿利斯塔克利用月食的地球陰影大小推算出地球應當是月球的三倍大,而埃拉託色尼利用同經度兩地點夏至時的太陽天頂角與兩地距離反推測出地球圓周長約公裡,藉由這兩位前輩的努力,喜帕恰斯便得以算出的月球直徑 ,再藉以算出地月距離 約為公裡。

已知目前的地月距離在至公裡間浮動,因此可推算喜帕恰斯當年測出月球距離的誤差應是在28~36%之間。

………………這誤差看起來根本大到不能接受呀……………

聽起來好像很簡單,不如就讓我們仿效喜帕恰斯,以一把15.9公分的尺量測月球的距離吧!

想不到一開始就遭遇了大麻煩!對!沒錯!明眼人都看得出來的大麻煩!不要提醒我尺面沒有完全垂直於鏡頭方向這件事!我量到的冷尺長度只會是實際尺長度乘上投影角度的結果!

沒辦法這是缺乏良好觀測地點及觀測小天使?幫忙下倉促成行的結果,月球升起的速度比記憶中快上不少,若無法即時將影像擷取下來,尺與月球將難以被呈現在同一幅視野當中,我與冷尺的距離一定要拉到越遠越好才行!否則將會面臨到一個讓人崩潰的問題。

嗯,對!我還是崩潰了……看出崩潰點了嗎?

景深!就是景深!那個以前老鏡頭才有的景深尺!現在鏡頭都拿掉了這東西!但卻不代表現代鏡頭可以不用考慮他的存在!

簡單來說就是冷冷尺與月球不在類似的距離上,造成」對焦注一時的焦點不同,因此遠方的月球與近的冷尺焦點差太多!無法在同一幅影像中都呈現清楚!當然!現經,縮光圈可以改善這個問題,但我已經縮到f/36去了……. Orz…

相信明眼人應該也看得出來,當月球清楚時冷尺是模糊的,冷尺清楚時換月球是模糊的,而且因為兩幅影像的焦距(像距)不同,因此應可明顯發現月球(或冷尺)的大小在兩幅影像中是不一樣的!這將會造成測量時不小的量測誤差!

最後的量測結果,當月球是清楚時,冷尺輪廓的不確定性造成了約±76 pixel的冷尺總長度誤差。這部份的偏差量或許可藉由更小的感光元件片幅,更小的光圈與冷尺間更長的距離來嘗試降低景深的影響。

用以量測冷尺和月球比例的影像,使用兩幅不同時間拍攝的影像疊合,用以標示月球移動方向。

再來就是量測月球的視直徑了,直接對月球的兩端點量測,得出兩顆月亮平均的直徑約為657.57 pixel。

再來就是試圖量測冷尺的視直徑了,因為我沒把冷尺調整成跟月面視直徑一樣寬,因此需要量測他在畫面中所站的角度是多少,再去和月面視直徑做比較。由於輪廓是模糊的,所以只能取能區分的到的最大與最小邊緣平均值,因此最後將冷尺在畫面中所佔的視角視為1591pixel。

綜合以上,可知(月球視直徑 / 冷尺視角) 間的比值為,也就是冷尺放在現在這位置上時,它長度的倍正好與月球視直徑相等。

再來便是要仿效阿利斯塔克在兩千多年前所作的量測,我需要地球的影子,於是便召喚月全食的出現!

對著月球及地球陰影嘗試畫大圓,找出所對應的大園直徑比例。經由量測,地球陰影的大小與月球直徑間的比例關係應為2.4:1,月球直徑在此有被高估。

而地球圓周長埃拉託色尼當年的量測結果是公裡,現代量測值則是公裡。可推算出月球直徑應為公裡,若修正太陽光非平行光入射的問題後,月球直徑則是公裡。

綜合以上資訊,月球直徑為公裡(暫沿用古希臘的觀測方式),冷尺與相機距離為公尺,冷尺長度為公尺,冷尺長度的倍即為公尺,經過相似三角形的計算後地月距離為公裡,與拍攝當時的實際地月距離公裡相比,距離短少了公裡,約12.1%的誤差。

崩潰啦!!! 古希臘人測出來的結果(誤差在28%~36%間)竟然與我動用這麼多高科技(?!)設備的測量結果差不了太多,這到底是古希臘人太強大或者是我太廢?!!!!

現在的地月距離的量測則是直接使用雷射測距儀進行測量,因此可獲得非常精確的地月距離,對!你沒看錯,就是使用那妖術般的雷射測距儀,只要對準阿波羅計劃時裝置在月球上的雷射全反射器,便可精確獲得地月間的距離!

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