地球是人類賴以生存的美麗家園,從古自今,關於我們這個家園的認知,是隨著科學技術水平的不斷提升而逐漸深化的。從古代的天圓地方、視地球為宇宙中心的認知,演變為太陽是宇宙的中心、地球是圍繞其運行的球體,再到現在的包括太陽系和整個銀河系,都在圍繞著巨大的引力源作周期性運動,這種認識上的變化,一方面取決於人類對未知事物的孜孜不倦的追求,另一方面也得益於科學技術水平的飛躍。那麼問題來了,假如我們居住在一個直徑百億公裡的星球上,我們還能否知道自己處在一個球狀天體之上呢?
人類探知地球是球體的方法
自古以來,無數的仁人志士對於未知現象不斷追求的精神,一直推動著人類科學技術的進步和飛躍式發展,從以前想都不敢想的程度,僅用了一二百年的時候,就形成了可以「上天入地」的科學探測技術體系,雖然與整個宇宙的博大、以及地球本身的神秘相比,我們的科學技術對於全面認知的差距還非常遠,但是以人類的聰明才智和智慧的發展,越來越多的關於宇宙運行和發展的規律、包括我們地球自身更多的奧秘,都將逐漸揭開其神秘的面紗。
而關於地球是否是球體的爭論,從很久以前就已經開始。在古代社會,由於人類認知水平的限制,人們往往習慣於天圓地方的傳統觀念,習慣於日月星辰圍繞著地球東升西落的固有思維模式,在很長的時間內都沒有地球是球體的概念,而是傳統性地認為地球是一個平面承載。後來隨著人類航海技術的進步,以及數學領域和觀測技術的提升,逐漸對傳統觀念展開了挑戰,也慢慢地改變了人們對地球形狀的認知。從歷史資料中可以進行一下總結,人類對地球是球體的觀測論證,主要包括以下幾種方式:
觀測船隻法。這也是最初使得人們對地球形狀發生質疑的一種現象,當處在海洋之中、距離我們很遠的船隻靠近時,我們會率先看到船隻的桅杆,然後再逐步顯現船隻的主體,船隻的出現順序是從上至下順序出現。而當船隻遠離時,這種在人眼可視程度之內消失順序,與船隻靠近的時候正好相反。這使得人們開始萌發了地球不會是一個簡單的平面,而是球面形態的觀念。天體投影法。公元前500年左右,古希臘數學家畢達哥拉斯,首先提出了大地是球形的設想,認為在所有的立體圖形中,球形是最完美的,地球也不應該例外。公元前400年左右,古希臘科學家和哲學家亞里斯多德,對大地是球面進行了首次論證,論證的方法是通過觀察天象,根據月食時地球在月球上的投影,即月球上被遮住的影子為圓形或者邊緣帶有明顯的弧線,推測出地球為球體。環海測量法。15和16世紀時,葡萄牙航海家麥哲倫率領船隊,成功環繞地球航行一圈,為地球是球形提供了有力的證據。萬有引力法。17世紀末期,英國物理學家牛頓發現了萬有引力理論,並且在世界許多地方進行了地球重力常數的測定,結果發現各地的差異非常小,如果地球的形狀不規則,則不會出現這種情況。而且根據測量和計算的結果,認為地球應該是一個赤道半徑比兩極半徑稍大一些的扁球體。地球衛星觀測法。隨著人類科學水平的飛躍發展,上世紀50年代向外太空發射了第一顆人造地球衛星,不但傳回了地球在宇宙中的形態圖像,而且通過測量還精確地計算出了地球的半徑,其中赤道半徑為6378140米、兩極半徑為6356755米,地球的扁率為 1/298。如果人類居住在直徑上百億公裡的星球上
現在先不談地球能不能變為直徑上百億公裡,而是假定地球的直徑就有這麼大,那麼人類能否知道地球是球體,我們可以應用以上歷史上的方法,逐一進行一下判定。
首先,看一下船隻觀測。船隻之所以在移動的過程中,能夠引起人眼可視範圍內的變化,得益於地球表面的弧度。按照目前地球的半徑6378公裡來計算,人的高度為1.7米,根據勾股定理,人類用肉眼能只能看到4.6公裡遠的地方,也就是說船隻在4.6公裡這個臨界點的變化,假如天氣狀況良好,4.6公裡處的情況在我們的視覺中可以很明顯的體現出來。而如果地球直徑增加到百億公裡級別,相當於增加了100萬倍,這個臨界點與人體的距離,可以通過((R+1.7)^2-R^2)^(1/2)計算得出,其值也會相應增加到約幾百萬公裡之處,遠遠地超出了人類的可視範圍。因此,這種觀測方法無法判斷。
第二,看一下天體投影。假如地球直徑增加百萬倍,那麼地球對衛星的萬有引力也會相應明顯增加,衛星必須要增大與地球之間的距離,否則就會被地球的引力吸引墜落。在這種情況下,即使發生月食,那麼由於地月之間的距離被放大許多許多倍,應用肉眼肯定是無法觀測得到了,只能藉助於專門的天文望遠鏡才能夠看清楚月食的變化情況,只不過,在月球上的投影,由於太陽光線所經歷的路線非常長,月球上的投影對比度勢必會變弱很多,觀察起來難度極大。這就像我們觀察距離地球很遠的其它星系中的行星一樣,其表面的亮度變化並不明顯。因此,這種觀測方法的可靠性也不好判定。
第三,環海測量。以目前我們地球上船隻的航行速度,如果要圍繞一個直徑大地球100萬倍航行一圈,所需要的時間,自然也要比現在長100萬倍,這個空間跨度和時間長度,沒有哪一個科學家或者航海家能夠完成,自然這種方法也發現不了地球是球體。
第四,萬有引力測算。地球的直徑如果增加100萬倍,如果密度還是現在這樣的情況,其質量就會增加10^18倍,那麼根據萬有引力公式可以計算出地球表面的重力加速度,g=GMm/r^2,那麼重力加速度也會相應增加100萬倍。其實在這個狀態下,任何生物都不會生存下去的。而如果能夠生存,那麼處在不同區域的人們,可以根據測算的重力加速度值,計算出此處距離地心的距離,從而可以驗證地球整體是一個球體的結論。
第五,最後看一下衛星觀測。在地球質量增加的同時,其第一宇宙速度也會相應發生改變,可以通過GMm/r^2=mv^2/r,測算出衛星發射所必須具備的第一宇宙速度,也要在現有7.9km/s的基礎上增加到790萬公裡每秒,這個速度都遠遠大於了光速,因此不可能發射成功衛星,也就無從進行觀測了。
地球變不了那麼大
地球乃至太陽系的形成,得益於太陽系形成初期,眾多星雲物質的不斷聚集而成。其中太陽系的核心由於處於絕對優勢地位,所以吸引的星雲物質越來越多,內核溫度也越來越高,從而激發了內部的核聚變反應,形成恆星。而在距離太陽由近至遠的軌道內,分別聚集形成由較重物質和較輕物質構成的固態行星和氣態行星。
而關於行星的形成過程,其初期和太陽並無二致,都是萬有引力作用的結果。而行星能夠聚集物質的多少,一方面取決於星際空間中能夠被引力捕獲的物質多少,另一方面取決於自身的質量限制。其中,能夠捕獲的物質多少很好理解,因為大部分的星際物質都被太陽的引力所捕獲,因此行星所能增大自身重量的外來物質並不多。
至於自身質量的限制,則是決定一個行星上限的根本原因。太陽之所以能夠形成恆星,關鍵在於吸引物質越來越多,自身的引力向內不斷地壓縮著內核,使得內核的溫度和壓力都非常大,從而激發了氫元素的聚變臨界,而質量越大的恆星,其內核核聚變的程度就會越大,能夠形成結合能更高的重物質。而行星能夠維持球體的狀態,也是由於內核所釋放的輻射能,與自身外層向內的重力相平衡的結果。如果質量持續增大,向內的重力就會越來越大,從而會打破這種平衡狀態,於是發生塌縮從而演變為其它的星體。
據科學家們測算,假如地球的質量比現在增加500倍左右,其在形成過程中就不會成為固態行星,而是會被太陽風吹到木星的位置形成氣態行星。而質量增加到現在的2.6萬倍就會在劇烈塌縮產生的溫度和壓力下,激發內核的核聚變反應,演化為初級恆星。如果質量增加到40萬倍時,其恆星會繼續塌縮形成中子星。當質量增加到目前的100萬倍左右時,就會塌縮形成黑洞。因此,假如地球像問題所說的那樣,直徑增加上百億公裡,理論是不可能的,因為早就被巨大的重力塌縮成黑洞了。
總結一下
地球的直徑增加到上百億公裡,出發點是好的,這無形中會給人類增加多少的自然資源和能量呀。但是現實很殘酷,在這個級別,地球就會因巨大的重力無限地塌縮,其歸宿只能是黑洞,而且還是個巨型的黑洞,這個情況下一切信息歸零,地球也就失去了自然狀態下的所有形態,當然更不會有任何形狀的概念了。