为什么古人利用日高公式无法精确测量太阳的“高度”?
在古代,人们仰望天空的时候,自然会问:天有多高,日月星辰有多远?显然,当时这些想法被看成一种奢望。直到有一天,古希腊出了一位了不起的哲人泰勒斯,他通常也被认为是人类历史上第一位留名的科学家。从此,人们的各种猜测和理想开始转化为现实。
据说泰勒斯曾利用几何学中的相似原理,开创了计算不可达目标距离(或长度)的方法。泰勒斯并没有去测量太阳的高度,他测量的是金字塔的高度。假定太阳很远,它的光线是平行的(这一假定是合理的)。泰勒斯断定,金字塔高度与影长之比等于他本人身高与影长之比,尤其是当这个比值为1的时候,就更为清晰。需要说明的是,因为泰勒斯不用爬到金字塔顶,所以只有一个未知长度,即金字塔高度,另外三个量都是可以测出来的(有部分影子被金字塔底盘抵消,不过这并不难处理)。泰勒斯此举,除了技惊四座(据说古埃及法老、祭司们都在现场观看)之外,也意味着几何与测量分了家(几何的原意是测量术),走上了逻辑推理的道路,具有极为重要的意义。
中国也有两位杰出的数学家赵爽和刘徽想到了类似的方法,且更为精致。赵爽是三国时期的吴国人,也许是中国第一位给出勾股定理完整证明的数学家。可能稍晚些的刘徽是魏晋时代的数学家,通常也被认为是中国古代最伟大的数学家。
赵爽在给《周髀算经》写注的时候,提出了测量太阳高度的想法。假定大地是平的(这也是合理的,因为赵爽的两次测量之间相距不过几十或几百米),在平地上立两表(表就是“杆”的意思),高度相等(或一个表用两次也可),设为h。两表一前一后,距离为s,且与目标(此处是太阳)在同一平面内。前面的表(即离目标近的表)的影子长度为a,后面的影子长度为b。利用相似原理,容易计算出日高H 但是,这一方法尽管在理论上可行,其实是无法测出太阳真实高度的,因为H太大了,a与b几乎相等,而且表的任何轻微晃动所造成的误差,都将远超过b与a的真值之差。因此,这个“日高公式”在理论上是正确的,在实践上却是不可行的。
难道这么漂亮的方法就此终结了吗?没有,刘徽写了一本名为《海岛算经》的书,用完全一样的方法测出了不可到达的海岛高度。由于海岛不是非常之高,所以a、b不很接近。经过刘徽的妙手改造,实践上不可行的日高公式变成了实践上可行的“岛高公式”。刘徽后来对此方法又做了进一步发挥。
今天,只要读过初中数学的人,都容易理解泰勒斯的方法与“日高公式”,但古人能首先意识到可利用这种方法测出不可达目标的高度或距离,无疑是很天才的想法。