古希腊数学家埃拉托色尼的故事

1、古希腊数学家埃拉托色尼的故事2019 多年前，有人用简单的测量工具计算出地球的周长。这个人就是古希腊的埃拉托色尼 （ 约公元前275前194） 。埃拉托色尼博学多才，他不仅通晓天文，而且熟知地理；又是诗人、历史学家、语言学家、哲学家，曾担任过亚历山大博物馆的馆长。人物生平埃拉托色尼曾应埃及国王的聘请，任皇家教师，并被任命为亚历山大里亚图书馆一级研究员。从公元前 234 年起接任图书馆馆长。当时亚历山大里亚图书馆是古代西方世界的最高科学和知识中心，那里收藏了古代各种科学和文学论著。馆长之职在当时是希腊学术界最有权威的职位，通常授予德高望重、众望所归的学者。埃拉托色尼担任馆长直到他逝世为止，这也说

2、明了他在古希腊学术界享有很高的声誉。埃拉托色尼充分地利用了他担任亚历山大里亚图书馆馆长职位之便，十分出色地利用了馆藏丰富的地理资料和地图。他的天才使他能够在占有文献资料的基础上，作出科学的创新。埃拉托色尼在地理学方面的杰出贡献，集中地反映在他的两部代表著作中，即地球大小的修正和地理学概论二书。前者论述了地球的形状，并以地球圆周计算为著名。他创立了精确测算地球圆周的科学方法，其精确程度令人为之惊叹；后者是有人居住世界部分的地图及其描述。在该书中，他系统地提出了采用经纬网格编绘世界地国的方法，全面地改绘了爱奥尼亚地图。他以精确的测量为依据，将得到的所有天文学和测地学的成果尽量结合起来，因而他所编绘

3、的世界地图不仅在当时具有权威性，而且成为其后一切古代地图的基础。虽然埃拉托色尼的这两部地理著作不幸都失传了，但是通过保存下来的残篇，特别是斯特拉波的引文，后世对它们的内容，以及作者的精辟见解有一定的了解。丈量地球的周长关于地球圆周的计算是 地球大小的修正 一书的精华部分。在埃拉托色尼之前，也曾有不少人试图进行测量估算，如攸多克索等。但是，他们大多缺乏理论基础，计算结果很不精确。埃拉托色尼天才地将天文学与测地学结合起来，第一个提出设想在夏至日那天，分别在两地同时观察太阳的位置，并根据地物阴影的长度之差异，加以研究分析，从而总结出计算地球圆周的科学方法。这种方法比自攸多克索以来习惯采用的单纯依靠天

4、文学观测来推算的方法要完善和精确得多，因为单纯天文学方法受仪器精度和天文折射率的影响，往往会产生较大的误差。埃拉托色尼选择同一子午线上的两地西恩纳（Syene,今天的阿斯旺）和亚历山大里亚，在夏至日那天进行太阳位置观察的比较。在西恩纳附近，尼罗河的一个河心岛洲上，有一口深井，夏至日那天太阳光可直射井底。 这一现象闻名已久， 吸引着许多旅行家前来观赏奇景。它表明太阳在夏至日正好位于天顶。与此同时，他在亚历山大里亚选择了一个很高的方尖塔作参照，并测量了夏至日那天塔的阴影长度，这样他就可以量出直立的方尖塔和太阳光射线之间的角度。获得了这些数据之后，他运用了泰勒斯的数学定律， 即一条射线穿过两条平行线

5、时， 它们的对角相等。埃拉托色尼通过观测得到了这一角度为 7°12′ ，即相当于圆周角 360° 的 1/50 。由此表明，这一角度对应的弧长，即从西恩纳到亚历山大里亚的距离，应相当于地球周长的 1/50 。 下一步埃拉托色尼借助于皇家测量员的测地资料，测量得到这两个城市的距离是 5000 希腊里。一旦得到这个结果，地球周长只要乘以 50 即可，结果为 25 万希腊里。为了符合传统的圆周为 60 等分制，埃拉托色尼将这一数值提高到 252019 希腊里，以便可被60 除尽。埃及的希腊里约为 157 5 米，可换算为现代的公制，地球圆周长约为3

6、9375 公里，经埃拉托色尼修订后为 39360 公里，与地球实际周长引人注目地相近。由此可见，埃拉托色尼巧妙地将天文学与测地学结合起来，精确地测量出地球周长的精确数值。这一测量结果出现在 2019 多年前，的确是了不起的，是载入地理学史册的重大成果。此外， 地球大小的修正一书还包括以下各方面的研究：赤道的长度、回归线与极圈的距离、极地带的范围、太阳和月亮的大小、日地月之间的距离、太阳和月亮的全食和偏食以及白昼长度随纬度和季节的变化等等。这些研究代表了当 时地理学发展的高水平。描绘新的地球地理学概论一书致力于研究有人居住的世界。全书分三卷，第一卷先是一段简短的绪言，对地理学的产生和发展作了历史

7、的回顾，然后着重阐述地球的结构和演变以及水的运动（潮汐、海峡中的海流等） ；第二卷为数理地理学。主要探讨天空、大地和海洋的形状和结构、地球的区域和地带的划分以及已知世界的范围等问题；第三卷是论述世界地图的改绘，包括一幅新编绘物世界地图以及区域描述。埃拉托色尼的这本书总结了希腊地理学的成就，标志了这个时期地理学的最高水平，是古代地理学宝库中的一个重要文献。埃拉托色尼继承和发展了亚里士多德的居住适应地带学说，将世界分为欧洲、亚洲和利比亚（非洲）三大洲和一个热带、两个温带、两个寒带等五个温度带。他改进了亚里士多德的分带法，对五个地带的南北界线，均给予纬度的严格划分。埃拉托色尼的区域和地带的划分，与前

8、辈学者相比，科学性和系统都要强得多。他的地球分带已同现代地理学的“地带”概念相当接近。他确定的回归线位置，与其实际位置（ 23°30′ ）仅差半度，其精确性令人为之赞叹。不过，埃拉托色尼关于世界陆地三大洲的划分，与实际情况相差甚大，显然这是受到当时认识论和科学水平的局限。埃拉托色尼认识到，古老的爱奥尼亚地图必须全面地改绘。他的目标是运用几何学的方法，依据精确的天文学和测地学新数据，来绘制更合理的世界图象。他毫不含糊地屏弃了亚历山大以前的资料，大量采用毕提亚斯远航和亚历山大远征以及其他新近的地理考察的成果。在使用资料时，他并不是一味盲从，而十分注意分析判断，力

9、求去伪存真。例如，他在处理路线测量资料时，考虑了地势起伏和道路弯曲等因素， 对资料提供的里程数据， 平均减去了 1/15 ，来加以订正，这样就大大提高了地图的精度和资料的准确性。为了编绘新的世界地图，埃拉托色尼首先估算了有人居住世界的宽度和长度。宽度数值是沿通过亚历山大里亚城的子午线测算出来的，结果是38000 希腊里；长度数值则是沿着从赫尔克列斯之位至恒河河口一线来估算的，结果是78000 希腊里。长度线与宽度线组成了地图的基础坐标，它们在罗得岛相交，然后，他在这两条基础座标线上，各选了一系列地点，如经线纵座标上的阿罗马提斯（ Aromates ，今索马里） 、麦罗埃（Meroe） 、西恩纳

10、、亚历山大里亚、赫勒斯湾、波里斯丹尼河（Borysthene ，今第聂伯河河口 ）和图勒等七处；纬线横座标上的印度河、“里海之门”、幼发拉底河上的塔普萨克（ Thapsa-que ） 、罗马和迦太基（ Carthage ）等处，分别划出横向的纬线和纵向的经线，组成了地图的经纬网格。埃拉托色尼创立经纬网系统，是地图学发展中的一项重大的突破和飞跃，有着深远的意义，它为投影地图学的出现奠定了基础，是投影地图学取代经验地图学的先驱。埃拉托色尼在他的基础经纬网之上，还叠加了一套被称为“普林特”框格( Plinthes )和“斯弗拉吉德斯”框格( Sphragides )的几何图形。前者呈长形条带状，后者

11、呈不规则形状。它们组成了地图的第二级网格系统，作为一级经结网格的补充，其作用是便于标明地理学概论一书中所描述的各地区的位置和范围。这种将世界划分为不同地区的思维方法，似乎可视为现代地理学术语中的“区划”的雏型。同时，他将地理描述中的分区叙述与地图编绘紧密结合起来，也是一种创新尝试，成为描述地理学与数理地理学相结合的又一种范例。显然，埃拉托色尼的地理学思想比前辈地理学家更臻成熟。他对地理空间表现了极大的兴趣，不仅因为它是一个地理实体，也不仅因为它是一个包含各种特性的地域，而且因为在地理空间中，存在着特征鲜明的自然环境同改造利用这一环境的社会两者之间的相互联系。埃拉托色尼的地理学著作和成就标志了古

12、代希腊地理学的最高峰和结束。 2019 多年前， 有人用简单的测量工具计算出地球的周长。这个人就是古希腊的埃拉托色尼 ( 约公元前 275- 前194) 。埃拉托色尼博学多才，他不仅通晓天文，而且熟知地理；又是诗人、历史学家、语言学家、哲学家，曾担任过亚历山大博物馆的馆长。 细心的埃拉托色尼发现： 离亚历山大城约 800公里的塞恩城 （ 今埃及阿斯旺附近） ，夏日正午的阳光可以一直照到井底，因而这时候所有地面上的直立物都应该没有影子。 但是， 亚历山大城地面上的直立物却有一段很短的影子。他认为：直立物的影子是由亚历山大城的阳光与直立物形成的夹角所造成。从地球是圆球和阳光直线传播这两个前提出发，从假想的地心向塞恩城和亚历山大城引两条直线，其中的夹角应等于亚历山大城的阳光与直立物形成的夹角。按照相似三角形的比例关系，已知两地之间的距离，便能测出地球的圆周长。埃拉托色尼测出夹角约为 7 度，是地球圆周角（360 度） 的五十分之一，由此推算地球的周长大约为 4 万公里，这与实际地球周长（40076 公里 ） 相差无几