看月食的時候，我們來聊聊古人的腦洞
1月31日的月全食馬上就要來了，這次月食開始於入夜後的不久的19:48，21點之前就全部被食，屬於非常適合觀看的時段。
這幾天不少天文公眾號與自媒體，以及媒體報道、網站平台都紛紛推出了對月全食的科學介紹，相信大家看的已經不少了。那我就聊點別的，換個角度來看看古人看到月食的時候都開了哪些腦洞：
首先來談談月食的成因問題。在中國民間傳說有天狗食日食月，在北歐神話里則有對應的巨狼斯里芬（去年漫威電影《雷神3：諸神黃昏》里出現過的那坨大黑狼）的兩個兒子吞食日月。不過這些也就是傳說。相比之下，古印度的星占學裡，設想了兩個「隱藏不見」的凶星，叫做羅睺星和計都星，前者專門吞吃太陽，後者專門吞吃月亮，則有著一些特定的天文含義。
古印度神話中，大神毗濕奴（Vishnu）帶領天神攪動大海，提取永生之水，結果有個叫羅睺（hóu）的阿修羅躲在天神隊伍里偷喝。太陽神和月亮神發現後向大神舉報了他。毗濕奴飛起一個盤子把羅睺砍成兩半。但是他喝了永生之水，不會輕易死去，他的上半身還叫羅睺，下半身叫做計都，就躲在天空里永遠與日月為敵。
（也有說法稱羅睺的下半身是好幾條蛇擰巴在一起的，砍下來變成計都以後就成了彗星，反正在古人眼裡也是個不祥的象徵）**
（圖片來自網路，感覺毗濕奴像是扔出了個平底鍋）
落實到天文學上，羅睺指的是月亮軌道與地球軌道的升交點，計都則為降交點。從中我們可以看到古印度人對日月食發生的位置是有研究的——
大家現在是都知道月食的成因是太陽照著地球形成了長長的影子，月球走進這個陰影里就會形成月食。
為什麼月球每個月都繞行地球一圈，卻不會每個月都有日月食呢？就是因為月球繞行地球的軌道和地球與太陽的軌道之間存在夾角，月球需要在初一或者十五的日子裡，正好走到兩條軌道交點處附近，才能形成日食或月食——也就是傳說中羅睺和計都趴著的位置。
（從地球的視角，太陽沿著黃道運行，月球沿著白道運行，兩者之間存在一個小小的夾角，當日月走到交點附近，陰影才能遮掩）
以現代天文學的視角看，所謂羅睺就是月球本身，它遮擋太陽時比較容易看出一個黑暗的圓。
（藉助計算機對日食時拍攝的高動態範圍照片，我們也能看出遮擋太陽的月球表面，以及太陽周圍翻滾奔騰的日冕和日珥。 王樂天攝，章佳傑處理）
而所謂的計都並無實體，它是地球所拖出的一道長長的陰影。依託現代科技的手段，用照相機拍出多張月食過程的照片，然後拼合到一起，就能看到這個陰影的更全面的效果。
（圖片來自apod，王樂天攝）
===========================
和這個印度神話相比，古希臘人在認識日月食成因方面高級很多。他們很早就知道月食是由地球的陰影造成的，並且還從這個陰影是一段圓弧的現象中推測出地球的形狀也是個球形。
其實古希臘人的宇宙觀里，本來就覺得圓形啦球體啦什麼的是最完美的，所以認為地球是球體也算順其自然。
不過要較真起來，僅靠一段弧線就認為地球是球形還是證據不足的。假如地球是個圓柱體，某次剛好以橫截面對準太陽的時候也可以產生圓形的影子。
但是古希臘人收集了很多月食的結果，可以說是全方位多角度地確認這些影子都是圓弧形，從這樣的「大數據」推出的結果還是可信的。**
===========================
提到與月食有關的「大數據」，還可以說說喜帕恰斯（Hipparcus）的功績，也有把他的名字翻譯成「依巴谷」或則「希巴克斯」的。他生活在公元前190~前125年的古希臘，在天文學方面做出很多開創性的努力，被後世尊稱為「天文學之父」。
（圖片來自網路）
他有個腦洞大開的創意，是藉助月食測量朔望月的時長：
朔望月時長就是指月亮從與太陽同一方向的朔，逐日長胖變圓，達到被稱為望的滿月，再一步步虧損，到下弦月到殘月再到看不見，這樣一個周期要經歷的天數。
顯然月亮與太陽同側時是看不見的，沒法測量兩個朔日的間隔。滿月也有「十五的月亮十六圓」，上弦月下弦月到底什麼時候正好是一條直線？這些都不容易精確定位。
（圖片來自網路）
這時候喜帕卡斯就用上了月食的天賜良機，月球什麼時候進入地球的陰影和走出地球的陰影，可以比較明顯地判斷出來。
然後，他手裡還有古巴比倫人上百年觀測月食的記錄，數數這麼長時間經歷過多少個朔望月就可以得出相當精準的時間。
我按這個方法自己也計算了一下：從上一次在北京發生月全食的2011年12月10日20:45，到這次的2018年1月31日19:48，期間共經歷了2243.96天，76個朔望月。於是求出平均每個朔望月的時長是29.5258天，和標準答案的29.5306天之間相差不到7分鐘，精確率達到99.98%。
這是只用了6年的間隔，已經算得相當精確了，如果真的用上幾百年的數據，嘖嘖！
===========================
和喜老師的這個腦洞相比，比他早一百多年的古希臘天文學家阿里斯塔克（Aristarchus）面對著日月食，腦洞開得更大：
日食的時候，月亮能剛好遮擋太陽，這說明了什麼？我們伸直胳膊，然後彎曲一根手指，可以發現大概手指的粗細差不多是月亮直徑的兩倍，這又說明了什麼？**
這說明：我們胳膊的長度和手指一半粗細之間的比例，
和地球到月球之間的距離與月球直徑的比例，
以及地球到太陽之間的距離和太陽直徑的比例，這三者是差不多的。
接下來阿里斯塔克在上弦月的時候（這時候日、月、地之間的夾角正好是90度）測量了月球和太陽之間的夾角。
（圖片來自網路）
根據三角形邊長之間的關係，他得出日地距離大概是地月距離的19倍左右，同時太陽的直徑也是月球的19倍。
——現在我們知道這個距離之比是400倍，但他開這個腦洞，在理論上是沒什麼問題的。受測量精度的影響，以及對上弦月無法精確定位，才造成測量值的極大誤差。
還能開什麼腦洞呢？他又測量了月食時月球穿過地球陰影的時間。注意，要找那種月球正好從地球陰影中心穿過去的月全食，如果是從陰影的旁邊穿過去的話所用時間就比較短。
（圖片來自NASA，本次月全食，月亮走的路徑就不是地影的中間）
測量這個時間有什麼用？因為月球差不多每隔27天多就會繞地球轉360度（注意不是朔望月的29天半），所以平攤下來，差不多每個小時走過其自身寬度的一段距離，也就是半度左右。**
通過測量這個時間，阿里斯塔克就算出：地球的影子拖到月球的那個位置上，影子的寬度大約是月球的2.5倍。
那麼問題就來了：
根據前面的計算，太陽的直徑是月球的19倍，如果地球比太陽大，這個影子錐就會呈擴散的形態，到月球的位置就不可能縮到只有月球2.5倍直徑的寬度。
即使地球跟太陽一樣大，這個影子圈的大小也應該有月球直徑的19倍寬度左右，一次普通的月全食將會持續將近一天才對。
唯有地球比太陽小，影錐才會收縮。經過一些別的計算，阿里斯塔克得出結論，地球直徑應該是月球的3.5倍左右。那麼！太陽的體積就得有地球的兩三百倍了。（現在科技給出的結果是130萬倍左右）
那麼大個的太陽繞著小小的地球轉，是不是有點荒謬呢？由此阿里斯塔克得出結論：應該是地球繞著太陽轉！
但是很遺憾，他在公元前三世紀就提出的日心說，顯然太超前於那個時代了，只有阿基米德在他的《數沙子》這本書里記了一筆。經過一千六七百年後才被哥白尼再次提出。
===========================
看似簡簡單單的日食月食，經過深入挖掘竟然能找出這麼多有意思的課題，看來思考的樂趣是可以遍布在生活中的各處細節的。
這次就先聊這麼多吧，希望大家順利觀測成功
===========================
一些補充**：
1、羅睺和計都傳入中國以後，與日、月、金、木、水、火、土七星合稱為九曜（yào）。在《西遊記》里，托塔天王率兵去花果山捉拿孫悟空就帶著這哥兒九個，不過最後也沒能把猴子怎樣了。
2、文中所謂「大數據」，只是借用現在熱門技術的梗，以體現古希臘人在收集數據方面的拓展性思維，其實遠不到大數據的範疇。
3、伸直胳膊測量角距，適用於精度要求不高的測量需求，一般而言，胳膊長的人手指粗手掌寬，胳膊短的人手指細手掌窄，也是可以成比例的。
4、月球每小時約走過自身寬度的角距，後來到了大航海時代還被用到過：天文學家們為了幫助航船實現全球定位，在精密航海鍾發明之前，曾提出利用測量月球方位來進行授時的解決方案。此舉後來還奠定了以格林威治天文台所在經線為本初子午線的基礎。
TAG:馬褂的學習日記 |