古人如何知道大地的形狀？

有文字記載的歷史中，第一個依據證據猜測大地是球形的人，據認為是亞里士多德（公元前384年－公元前322年3月7日），他是通過月食的現象，大地在月亮上投下了圓形的影子，來進行猜測的。

圖示：月食發生的原因，月亮進入了地球的影子，然後出來的過程，就是一次月食。亞里士多德正確認識到月食的發生是因為

大地擋住了太陽的光線，在空間中投下了陰影

月亮的光芒來自對太陽光線的反射

月亮在空間中運行，穿過大地的陰影。這時候可以發現大地的陰影是圓形的，那麼猜測大地是一個圓球，正確的可能性就非常高了。

隨後，關於大地是圓球狀的思想觀念開始傳播，也因此有了後來那句出自阿基米德的名言，「給我一根槓桿，我可以撬動地球」。而到公元前250年，古埃及亞歷山大城圖書館館長埃拉托色尼就通過簡單的幾何學測量出了地球的直徑，誤差在可以接受的範圍內。

圖示：埃拉托色尼測量地球直徑的幾何學原理。他首先假設太陽離我們足夠遠（的確夠遠，但當時沒人知道有多遠），因此其光線可看成平行光。然後，他利用了埃及賽印（現名阿斯旺）一個著名的景觀，這個城市在夏至日（一年之中白天最長的那天）的正午時分，恰好能夠直射入阿斯旺城內的一口深井，井底的水上反映出太陽的倒影，每年僅此一天僅此一刻，這一奇特的景觀遠近馳名，每年都吸引著眾多的遊客前往觀賞。最後，他測量了同一天同一時刻亞歷山大城裡一座方尖碑的影子長度，得到太陽在天球頂上的角度為偏南7度，於是他推斷出從亞歷山大港到阿斯旺的距離，一定是整個地球圓周的7/360 。今日，我們如果精確測量，那麼實際度數大約為7.5度，因為當時埃拉托色尼還假設亞歷山大港在阿斯旺的正北方，但實際上是稍微偏西一個經度。

最後，如果大地真是一個球，那麼在足夠平坦並且巨大的地面上，畫一個足夠大的三角形，那麼它的內角和將大於180度！這是幾何學的威力。

圖示：三角形的內角和與三角形所在的平面的性質密切相關，從左到右為大於180度，小於180度，等於180度。

今人如何知道銀河系的形狀，在不能飛出銀河系之前？

我先介紹一位著名的業餘天文攝影師，Nick Risinger，28歲的他，用大約兩年時間從美國西海岸一直走到南非，橫跨60000多英里，拍了37440張照片，組合了一張360度全景星空的全彩照片，這是有史以來最高清的銀河全景照片。

但在這張合成照片上，我們看不到銀河的旋臂，而除了橫貫天際的銀河照片之外，關於銀河的另外一些圖像，最著名的就是它美麗的旋臂了，而太陽系就位於銀河的某個旋臂上，圍繞著銀心轉動著。

圖示：「上帝」視角的銀河合成圖片，注意這並不是照片

圖示：仙女座星系照片

天文觀察數據顯示，銀河系應該是一個棒旋星系。所謂棒旋星系，指的是星系中心區聚集著大量恆星，形成一個短棒狀的結構，這就是我們在夜晚看到橫貫天空的銀心，而不是彌散的一片。棒旋星系的旋臂中的恆星，是由短棒的末端所湧出的，而普通的螺旋星系，恆星都是由核心直接湧出的。

圖示：哈勃太空望遠鏡拍攝的其它棒旋星系

我們能知道宇宙的形狀嗎？在無法到宇宙之外進行觀察的時候

利用宇宙微波背景輻射的探測數據，配合幾何學知識，天文學家們推測，宇宙空間整體本身是相當平坦的，當然在黑洞或者其他大質量恆星附近被質量所扭曲是另一回事。這意味著從遙遠的宇宙邊緣射過來的兩束平行光將空曠的宇宙空間中穿行時，依然能保持平行關係。同時，也意味著宇宙大概會一直膨脹下去，無邊無際，最終有限的星系被稀釋到無限的空間中，以至於到某個遙遠的時刻，你將只能看到自己所在的星系，而宇宙其它地方空無一物。如果真的有智能生命能存在到那樣的時刻。

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