人文地球：人類對地球的認知經歷了怎樣的旅程？丨世界地球日

作為人類的基本生存空間，地球是人類最早了解也最為熟悉的天體。這個自西向東自轉的藍色星球，現在已經有四十六億年的歷史。地球表面百分之七十以上為海洋，陸地面積不到三分之一；內部由地核、地幔和地殼的結構組成；外部由水圈、生物圈、大氣圈等眾多圈層構成……然而，這些當代人瞭如指掌的信息，是人類經歷了三千年才逐步掌握的。直到步入航天時代之后，人類才真正看清了地球的全貌。

進入文明社會以后，地球有了另外一種容貌，即人類根據自身的觀察與思考，用文字描述、圖像繪製、科學歸納、數據統計出來的形象。與自然地球相對，我們稱之為「人文地球」。自然地球有着四十六億年的歷史，人文地球卻只有三千年的歲月。

在歷史長河中，自然地球的演化是緩慢的，而人文地球則隨着科技的進步日新月異。她的容貌不僅在不同的歷史時期不一樣，即便是同一歷史時期，在不同地域和不同文化當中，也存在着巨大的差異。人文地球更像是萬花筒，在歷史長河中不斷變化、豐富多彩。

文明的延續離不開地球，因此關於她的知識顯得至關重要。在漫長的歷史長河中，人類從未停止過認識、探索的腳步。自從三百萬年前出現人類以后，出於生存的本能，人類就開始觀察、認識周圍的世界。但是在漫長的三百萬年的時間里，99% 以上的階段，人類對於地球的認識都處於原始、朴素的描述狀態，關於地球的知識在緩慢地積累着。

每年的4月22日是世界地球日，作為一項世界性的環境保護活動，今年的主題是「攜手為保護地球投資！」（Invest In Our Planet）。關於地球，我們還有許多未知。中國科學院自然科學史研究所研究員張九辰認為，探索地球，我們不僅需要藉助科技的進步，更需要新的思維方式和寬闊的歷史視野。在他的新作《人文地球：人類認識地球的歷史》中，張九辰講述了人類在認識地球過程中的科學故事和文明史故事，顯然，這有助於我們更為深刻地理解人類自身以及人類與地球的關係。

本文選自《人文地球：人類認識地球的歷史》，較原文有刪節修改，小標題為編者所加，非原文所有。文中所用插圖均來自該書。已獲得出版社授權刊發。

《人文地球：人類認識地球的歷史》，張九辰 著，北京大學出版社2022年4月版。

五六千年以前，世界不同區域陸續出現了文明古國。眾多古老文明的發源地，構成了人文地球的不同起點。先民們以各自的方式觀察着居住環境，嘗試着描述和解釋各種現象。隨着社會的發展和生產的進步，人類對於自然界的認識逐步深入，除了對居住環境的經驗性描述外，對地球的理性思辨也開始萌芽。

中國人過去常説四大文明古國：古埃及、古巴比倫、古印度和中國。這些文明古國都產生於大河流域的肥沃平原地區。古埃及文明發源於尼羅河流域，古巴比倫文明發源於兩河流域，古印度文明發源於印度河和恆河流域，中國文明發源於黃河流域。這些古代文明都有了文字，有了城市，有了宗教信仰和政治制度……與此同時，也有了對其居住環境的初步認識。

另外一個無法忽視的古文明，是稍后在愛琴海一帶發展起來的古希臘文明。該文明是一個地緣的概念，並不是專指現在希臘這個國家。它泛指在歐洲東南部、地中海東北部、土耳其西南沿岸的廣大地區和海上島嶼上發展起來的古代文明。與上述發源於大河流域的古代文明不同，這里多低山丘陵，受地中海式氣候影響，夏季乾旱、冬季多雨，不利於農業的發展。地中海面積廣闊，風平浪靜，眾多島嶼星羅棋佈，利於航海貿易的發展。

因此，這里航海事業發達，水手和商人帶來了大量的海外見聞和知識，開闊了人們的視野。大批古希臘人移居到地中海和黑海周圍的許多地方，進行「殖民活動」。這些移民對新地區的興趣和好奇心，激勵他們對地理環境進行考察和探索。貿易、航海和海外移民事業的廣泛開展，在促進古希臘人對新環境認知的同時，也使其獲得了豐富的經驗和資料。

近三千年前發展起來的古希臘文明，被當代西方學者公認為西方科學精神的發源地。尤其關於地球的認識，古希臘文明遠遠走在了各古文明的前列。古希臘人在理性自然觀的影響下，形成了獨特的地球知識，並最終成為西方近現代地理學思想的源頭。古希臘文明對大地的思辨性認識，影響了整個西方世界，並在持續了六百多年以后，被稍后由意大利中部發展起來的古羅馬文明繼承。

古希臘、古羅馬時代的著作中，包含有大量關於人類居住環境的描述、觀察與分析。對於大地的形狀、火山、地震、海嘯、海陸變遷等自然現象，他們給出了各種解釋。同時代的古代中國文明，也對人類居住環境有着詳細的描述，並且在對陸地山川觀察的基礎上進行了區域劃分。古希臘羅馬文明對於歐洲科學的重要性和古代中國文明長期延續下來的地球敍事傳統對東方文明的影響，代表着東西方地球科學的源頭，並影響着其后的發展脈絡。

先民如何理解大地的形狀？

地球是個球體，這在今天已經成為基本常識。但是在遙遠的古代，遼闊的大地與人類較低的遷徙能力之間的反差，成為正確認識地球形狀的巨大障礙。於是，憑藉感官知覺，人類把在狹窄視野中觀察到的扁平大地形狀當作了真實圖景。這種認識結合居住區域的地理景象和各自的神話傳説，演繹出豐富多彩的關於天與地的遐想。

各文明古國神話人物眾多，在天地的形成及大地形狀方面，這些神話人物更是不可或缺的角色。中國古代有盤古開天地的神話，《聖經》第一章《創世記》就是講述上帝創造萬物的故事。這里略去各種神話人物不談，重點看看各文明古國先民的想象力。這種源於實際觀察又超越了現實的思考能力，造就了人文地球的最初形象。而這種想象力，正是古人對其居住空間的原始認識。

先民如何理解大地的形狀？如何解釋大地與蔚藍天空之間的關係？對此，各種文明有着多種的猜測，但有兩點是相對一致的：其一是觀測者認為自己所在的位置一定是大地的中央；其二是在絕大多數猜測中，天穹都有支撐物。

古巴比倫人把宇宙看作是一個封閉的箱子或者小室，大地是其底板。底板中央聳立着冰雪覆蓋的區域，幼發拉底河發源於區域的中央。大地周圍被水環繞，水之外還有大山，以支撐蔚藍色的天穹。也有傳説表明古巴比倫人把大地看作是漂浮在海上的圓盤，但不管是方形還是圓形，周圍都要有水，水外還要有山以支撐天穹。

古埃及人也有着類似的看法，認為宇宙是一個南北較長的方盒子，底面略呈凹形，古埃及正好位於凹形大地的中心。藍天是平坦的或穹隆形的天花板，四方有天柱支撐。古印度人認為天穹是由四頭大象托起來的，而大象就站在一隻巨大的烏龜背上，漂浮於茫茫大海之中。而遠在高緯度地區的古俄羅斯，那里沒有大象，托起大地的動物是三條巨大的鯨魚。

關於大地的形狀，中國古代曾經產生過多種理論，形成最早且影響廣泛的是「蓋天説」宇宙模型。蓋天説的觀點大概形成於殷末周初，記載於公元前1世紀西漢時期的天文學和數學著作《周髀算經》當中。書中闡述了蓋天説描述的宇宙模型。早期的蓋天説提出「天圓如張蓋，地方如棋局」。后來爲了彌補「天圓」「地方」所造成的天地之間無法合理銜接這一理論缺陷，又將宇宙模型發展成為「天似蓋笠，地法覆盤」。這樣天和地之間就可以無縫銜接了。《周髀算經》還試圖用「七衡六間圖」定量地表示蓋天説的宇宙模型。

這個模型認為，天穹以北極為中心形成間隔相等的七個同心圓，這就是太陽運行的七條軌道，稱為「七衡」，七衡間的六個間隔稱為「六間」。不同的節氣，太陽在不同的軌道上運行。《周髀算經》還給出了軌道之間的距離數字，但這些數據都是在其理論框架之下，根據一個假想的宇宙直徑推演出來的。

公元1世紀「渾天説」逐步興起，並替代蓋天説佔據了主導地位。這個理論可能始於戰國時期，到了東漢時期由張衡（78—139）發展完善。張衡在《渾儀註》中指出：「渾天如雞子。天體圓如彈丸，地如雞子中黃。」渾天說出現以后，曾經與蓋天説產生了爭論。

兩種學説在爭論的過程中，都在不斷調整並完善各自的理論，但是最終誰也沒能説服誰。到了南北朝時期，甚至出現了「渾蓋合一」的調和理論。

除了蓋天説和渾天説之外，戰國時期還出現過「宣夜説」的宇宙模型。但宣夜説的影響沒有蓋天説和渾天説廣泛，所以我們很少看到這一理論與渾、蓋二説的爭論。宣夜説主張「日月眾星，自然浮生於虛空之中，其行其止，皆須氣焉」。由於宣夜説創造了天體漂浮於氣體中、不再需要支撐點的理論，打破了固體天球的觀念，形成了宇宙無限的思想，所以引起了后人的重視。但是上述各種理論，都沒有對於天體運行的規律作出基於實測或者科學推演的解釋，仍然屬於朴素的經驗性、思辨性的認識，自然也無法準確解釋各種宇宙現象。

魏晉南北朝時期，古印度的宇宙理論隨着佛教傳入中國。此時中國關於宇宙結構的理論逐漸增多，各種觀點之間的爭論也漸趨活躍。除了傳統的宇宙模型以外，這一時期又產生了新的宇宙理論：「昕天説」「安天説」和「穹天説」。三種學説沒有擺脫蓋天説的理論體系，但都從不同角度發展了蓋天説的宇宙模型，以彌補其缺陷。這些理論的代表性著作多已佚失，后人是從《晉書·天文志》的記載中瞭解到其主要的觀點。

大家都知道古希臘文明最早產生了球形大地觀，其理論水平已經遠遠走在了各古文明的前列。但是早期古希臘人也認為大地是扁平的。荷馬（Homer，前9世紀至前8世紀）在其著作《荷馬史詩》中就有扁平大地的描述。

對扁平大地最詳細的描述，來自古希臘的愛奧尼亞學者。最著名的就是泰勒斯（Thales，約前624—約前548）提出大地是漂浮在水面上的圓盤。泰勒斯的學生阿那克西曼德（Anaximander，約前610—約前546），把老師的設想變得更加具體明晰。他認為天空是一個球體，它的下半部人們看不見。地球是一個圓柱體，由於環繞地球的天空各點的引力相等而得以維持在天球體的中央。

愛奧尼亞的另一位學者赫卡泰（Hecataeus，約前550—約前476）曾經在地中海一帶廣泛遊歷。他的《旅行記》中就繪製有最早的世界地圖。在地圖中，人類居住的大地呈圓盤狀，由歐洲和亞洲兩部分構成，歐洲在北方，亞洲在南方。圓盤狀的大地被海水包圍着。還有一位叫作埃弗勒（Ephorus，前405—前330）的學者，也繪有類似的世界地圖，這張地圖保存於他的著作、三十卷本的《世界通史》中。這部名為「歷史」的著作，第四、第五兩卷實際上是對世界地理知識的描述。由於這些學者均來自愛奧尼亞，后人就稱這些在扁平大地觀的影響下繪製的圓盤形地圖為「愛奧尼亞地圖」。

與其他古文明的扁平大地觀不同，古希臘人的扁平大地觀是在旅行中、在對實地觀察的基礎上形成的。

人類居住的大地就是一個球狀的物體

在愛奧尼亞學者津津樂道地描述扁平大地的時候，位於今天意大利南部地區的先哲，已經開始通過觀測和思辨探討大地的形狀了。傳説生活在公元前6世紀的古希臘數學家、以發現勾股定理聞名於世的畢達哥拉斯（Pythagoras，約前570—約前497）就認為，人類居住的大地是球形的。畢達哥拉斯痴迷於數學研究，並試圖用數來解釋一切現象。他認為對稱形式是物質的完美屬性之一，而最完善的對稱就是球形。於是他推測人類居住的地方應該是用最完美的形式創造的，是球形。畢達哥拉斯的觀點只是來自哲學的思辨，他並沒有提出證據並作進一步的闡釋。

有文字記載的球形大地觀念，出現在柏拉圖（Plato，約前428—約前348）的著作中。柏拉圖是古希臘著名的哲學家，他和他的老師蘇格拉底（Socrates，前470—前399）、學生亞里士多德（Aristotle，前384—前322）並稱為「希臘三賢」。他們三人也是最早描述球形大地觀的學者。柏拉圖在公元前380年所著的《斐多篇》中，提到蘇格拉底曾經思考過大地究竟是平的還是圓的這個問題。很多年以后，他又在著作《蒂邁歐篇》中第一次明確大地是一個球體，並説這個球體位於宇宙的中心，其他天體都環繞它作圓周運動。

柏拉圖的學生亞里士多德繼承了老師的球形大地觀念，並從理論上作出瞭解釋。亞里士多德認為，宇宙間的每一樣事物都有它的天然位置。如果移動了，就無法再回到原處。而構成地球的固體物質必然要向一箇中心點聚集，其結果就形成了球狀的結構。人類居住的大地就是一個球狀的物體。

亞里士多德的理論不僅僅是來自思辨，他還通過觀測進行驗證。他指出，一個人沿着南北方向旅行時，各種星辰的高度（角）會發生變化。那個時代已經有人認為月食是地球投射在月球表面的影子。亞里士多德指出，月食發生的時候，月面上的影子是圓弧形的。但有些人看到太陽升落時，與地平面的交線是直線而不是曲線，試圖以此否定球形説。亞里士多德反駁了這種觀點，指出由於太陽和地球的距離非常遙遠，球面與太陽交切的弧線與地球的周長相比是很小的，所以這段弧線看起來像是一條直線。

古希臘人喜歡遊歷，他們發現隨着遠行，天空中一些星星消失了，同時又有新的星星出現在人們的視野里。他們通過實地觀測，得到了越來越多的支持大地為球形的證據。例如，當海船由遠處駛近時，人們總是先看到船的桅杆，然后纔看到船身。這一現象，后來也被作為支持球形大地觀的證據。球形大地觀逐步被更多的人接受了。

球形大地觀的確立，是人類認識史上的重要一步。既然是球形，説明人類聚居的大地是一個獨立的天體。從此，地球從宇宙中獨立出來，人類觀測的角度和思路發生了重大的轉變。既然大地是個球體，就會有體積和周長，人們就能夠知道地球到底有多大。亞里士多德曾經根據南北兩個不同點的恆星高度的變化，推斷地球是一個不大的球體。對地球大小的測算，是由公元前3世紀下半葉的埃拉托色尼（Eratosthenes，前276—前194）完成的。

埃拉托色尼出生於古希臘在非洲北部的殖民地。他在雅典接受了良好的教育，后來長期在亞歷山大圖書館工作，並擔任了館長一職。亞歷山大圖書館藏書豐富，他充分利用圖書館的藏書和地圖進行分析和研究。同時通過實地觀測，根據南北兩個觀察點之間太陽高度的變化量，以及兩個地點之間的距離，精確地計算出了地球的周長。埃拉托色尼曾經著有《地球大小的修正》和《地理學概論》兩部著作，可惜后來均已失傳，因此很少有人知道他的測量與計算結果。多虧一位生活於公元前2世紀至前1世紀之間的天文學家克萊奧邁季斯（Cleomedes，前2世紀至前1世紀），他在其著作《論天體的圓周運動》中記述了埃拉托色尼的工作。

繼埃拉托色尼之后，哲學家波西多尼斯（Posidonius，前135—前51）也對地球大小進行了測量，但是數值卻比前者測定的小很多。波西多尼斯是古希臘羅馬時期著名的學者，也是政府官員。他曾經在地中海一帶廣泛遊歷且著作頗豐。此人擅長演講，聽者眾多，因此他的觀點影響廣泛。他測定的數據雖然不如埃拉托色尼準確，卻被托勒密（Ptolemaeus，100—170）接受並對后世影響深遠。

托勒密是古羅馬地理學家和天文學家，也是古希臘科學的集大成者。他主要生活在亞歷山大，現在人們對他的生平知道得很少，但是他的著作《天文學大成》卻對后世影響很大。這部百科全書式的著作認為，地球位於宇宙的中心，行星和恆星圍繞着它運行。此書一直被尊為天文學的標準著作，17世紀以前的歐洲和阿拉伯世界都是採用托勒密的觀點。

托勒密八卷本的《地理學導論》，是對古希臘數理地理知識的全面總結。他在書中判斷波西多尼斯測得的數據比埃拉托色尼的更爲準確，並採用了前者的數字。這個觀點影響了其后1500年人們對地球大小的認知。直到地理大發現時期，哥倫布（Cristoforo Colombo，1451—1506）仍然使用這個數據，並直接導致他試圖向西航行駛往亞洲。

人類認識地球的重要一步

球形大地觀為人類瞭解地球奠定了基礎。它對地球知識的重大貢獻，是推動了緯度地帶性思想的產生。球狀造成了太陽高度角由低緯度地區向高緯度地區遞減，太陽輻射的熱量在南北方向上有規律地成帶狀分佈。古希臘哲學家帕門尼德（Parmenides，前515—？）首創將天球投影在地球上的方法，從而把地球劃分爲五個地帶：中間一個熱帶，南北兩個温帶和兩個寒帶。攸多克索（Eudoxus，約前400—約前347）根據球形大地的觀點劃分出赤道、熱帶圈和極地圈，這些便是早期的氣候分帶理論。

善於實地觀察的亞里士多德進一步指出，地球上的可居住區與緯度有着密切的關係。他認為，太陽光線在球面各個不同地點的入射角度不同，引起了熱量的南北差異，進而造成了不同的氣候地帶。他推測靠近赤道的熱帶和遠離赤道的寒帶或是太熱、或是太冷，都不適宜居住，只有温帶才能成為人類的居住地。

亞里士多德可居住區的觀點影響很大，準確計算出地球大小的埃拉托色尼就接受了這個觀點，並進一步計算出有人居住世界的長度和寬度。斯特拉波（Strabo，前64—21）也贊同可居住區的想法，並根據這個理論寫出了集大成之作《地理學》（本章第三節將詳細討論這部著作）。

雖然古希臘羅馬時期氣候帶的劃分和人類可居住區的理論還很粗糙，卻是人類認識地球的重要一步。因為地表緯度方向上表現出的熱量地帶性變化，是全球地域分異規律的基礎。地球表層的氣候、植被、動物、土壤等要素的空間分佈，在全球尺度上都表現出緯度地帶性特點。地帶性規律是后來發展起來的一個基本概念，它的發現使地理學由對個別的、特殊的、互不聯繫的現象描述，轉向對地理現象空間分佈規律的研究，使地理學系統化、理論化、形式化成為可能。可以説，球形大地觀和緯度地帶性規律的發現，使古希臘出現了地理學的萌芽。

地球的形狀確定之后，地理座標的建立成為可能。人們在長途旅行中，尤其是遠洋航行過程中，時刻需要辨識和確定自己的位置。在陸地上旅行，可以根據周圍的景物特徵來表述自己所在的地點。這樣的表述雖不夠精確，至少還可以用文字描述、用圖像表達。但是在海洋之中，位置的表述就變得十分困難。

古希臘天文學家希帕庫斯（Hipparchus，約前190—約前125）長期在羅德島上進行天文觀測，他於公元前2世紀建立起用經緯線組成的地理座標，試圖用數學方法來確定地面各點的精確位置。由於缺少測量經度的方法，其用地理座標確定位置的辦法還停留在理論推演階段，缺乏實際應用價值。但是隨着人類測量技術的不斷完善，地理座標的理論價值和實用價值逐漸顯露出來。古希臘羅馬時代，人們用太陽或者恆星高度與緯度的對應關係來確定位置；到了15世紀的大航海時代，地理座標更顯重要。球形大地觀還包含了一個重要的可檢驗藴涵，即東行可以西達，西行也可以東達。也就是説，環球航行是可能的。

球形觀念也引出了許多新的爭論，其中之一就是地球背面是否有人類存在？如果存在，那他們是否倒懸着？人們稱在那里生活的人為「跖人」。關於環球航行和「跖人」是否存在等問題，在西方引起了長期的爭論，也是激勵人們遠航探險的動力之一。直到大航海時代，這些疑問才最終解決。

數理地理學在古希臘羅馬時期曇花一現

人類的認識水平並非直線上升。古希臘羅馬之后的歐洲，科學思想出現了斷崖式的跌落，進入了「黑暗時代」。古希臘時期發展起來的關於地球的各種科學解説沉寂下來，代之以宗教神學的闡釋。

后人將古希臘羅馬時期測算空間位置的科學知識，稱為數理地理學。數理地理學傳統自托勒密之后便沉寂下來。直到一千多年后，德國地理學界才重新肯定了托勒密的思想，數理地理學再度進入人們的視野。但此時，因為沒有了明確的對象和內容，這門學科宛如曇花一現，很快衰落了。

到了17世紀，微積分的發明使函數、速度、加速度和曲線的斜率等可以用通用的符號進行討論，併爲定義和計算面積、體積提供了一套通用的方法。微積分的發明推動了很多知識的科學轉向。此時荷蘭物理學家、數學家惠更斯（Christiaan Huygens，1629—1695）和英國物理學家牛頓（Isaac Newton，1643—1727），根據力學原理推測赤道附近的地表必然會向外膨脹，而兩極則趨於扁平。這種理論的推演雖然很難被大眾接受，但是開放的環境促使人們去證實或者證偽這個觀點。

18世紀上半葉，法國科學院派出的測量隊通過實地測量，最終證明了惠更斯和牛頓的説法是正確的。數理科學的發展使人們對地球形狀的認識又進了一步。數理地理學傳統並沒有進一步推動地理學的進步。到了19世紀，近代地理學的創建人、德國學者亞歷山大·馮·洪堡（Alexander von Humboldt，1769—1859）曾經試圖把地理學變成像數學、物理學那樣的科學。但是這門學科的對象太過複雜，無法用數學、物理學的方法簡單地解決，洪堡只好另闢蹊徑。

近代地理學出現以后，數理地理學沒有再次復興，而是作為一種方法，納入地理學、天文學、測量學、地圖學、地球物理學、空間地理學等研究範疇。20世紀中后期興起的計量革命，促使數學統計應用於人文地理學研究之中，地理學開始走向定量化。但這與古希臘羅馬時期的理論，已經沒有任何血脈關係了。

數理地理學在古希臘羅馬時期曇花一現，而比它出現更早的區域地理學卻一直延續至今。人們可能覺得數理地理學因為遠遠超出了當時的認知水平而缺乏生命力，但是通過它與區域地理學的歷史比較，我們不難發現，隨着人類認識水平和科技的進步，區域地理學一直面臨着巨大的挑戰，但是每一次挑戰都意味着新的變革和學科的進步。而數理地理學因為缺少新材料和新問題，並未因科技的進步再度復興。

原文作者丨張九辰

摘編丨安也