第六章 地球的两极是扁平的

把一根绳子牢牢地拴在装有半杯水的杯子上，然后按照图12那样，绕着圆圈甩起来。在这种情况下，杯子有时候是倒着的，有时候是斜着的，但是只要转得足够快，不管它转到什么位置，杯子里的水都不会洒出来，水就好像受到什么压力一样，压着杯底。但是，如果杯子脱离了原来的轨道，稍微停留在某个倒立或倾斜的位置，那么很显然，水肯定会洒出来。因此可以说，是快速的旋转运动使得杯子里的水一直压着杯底，不会洒出来。

用一根绳子系着一块石头，然后也让它快速旋转，当速度越来越快时，你有感觉绳子越来越紧绷吗？在确保旁边没有人的情况下，让它旋转得更快一点。当加到一定速度时，你会听到砰的一声，绳子断了，石头也飞出去了。在快速旋转的过程中，石头用力拉着绳子，试图脱离你的手所划的圈，就是这个拉力拉伸了绳子。当拉力足够大时，就会超越绳子的极限，最后绳子就断了。同样，任何绕着某个中心做圆周运动的物体都会受到推力的作用，迫使它脱离它的运动轨迹。这个推力就叫做离心力，会随着物体运动速度的增加而增加。正是这个离心力压住了杯子里的水，所以当杯子转到倾斜或倒着的位置时，水不会洒出来。同样，也是离心力把系在绳子上的石头往外推，最后，当速度太快时，绳子受到的力太大，所以就断了。

离心力会使绕自身转轴转动的球体发生变形：假如球体很软，那么它就可能承受不住外来的压力，球体就会在赤道处膨胀，自然而然地，两极就会变平。我们可以用实验来证明这个结论，但是要找到一个柔软度适合的球体着实很难，不过这个问题是可以克服的，现在我来解释给你们听。把油倒入水中，油会漂在水面上，而倒入酒精中，就会沉下去。这是因为油比水轻，比酒精重。不过如果把水和酒精按照一定的比例混合，那么油就会悬浮在这种混合液体的中间，而如果油的数量够多，它就会变成跟苹果一样大小的完美球体。如图13所示。

周围的液体产生了一股向上的力支撑着这油滴，这让我们想起地球也是像这样悬浮在太空中的。现在让我们假设从这油滴中心穿一根长长的有发条装置的指针，然后让油滴绕着假想出来的指针快速旋转。轻微触碰产生的摩擦力使得油滴转动起来，直到油滴和指针的运动完全重合。这时我们会发现，指针刺穿的两个地方，也就是油滴的两端（两极）开始有点变平，而中间的地方（赤道）开始膨胀起来。如图14所示。另外，速度越快，两极和赤道的变形就越厉害。假如是一种非常坚固的物质，那么就不会出现这样的情况，因为物体太硬完全可以承受离心力，除非这个离心力大到超出我们的想象。

绕着自身的轴转动的液体球体为什么会变形，这个很容易解释。赤道附近的地方转得最快，是因为它们的运动轨迹最长，而在两极附近的运动轨迹最短，所以就转得最慢。因此，赤道的离心力最强，而两极的是最弱的。由于受到离心力的作用，赤道部分被迫产生更大的转圈，所以它的运动轨迹就会向外延伸，自然而然就会产生一部分空隙，而这些空隙只有靠它附近的物质去填补，所以，受离心力影响最弱的两极就会向里凹陷。

确实，地球并不是像油滴一样全部由液体组成的。地球表面的3/4是被海洋覆盖的，所以刚刚所讲的离心力对地球的海洋部分是适用的。所以，我们能够理解液体这部分，由于地球的自转，海洋失去了原来的形状，两极变平，赤道膨胀，然后在离心力的作用下，保持在一定的位置。

不仅是海洋部分会有这样的变化，经过精确的计算，地球表面的固体部分——土地、陆地，也会产生这样的变形。也就是说，整个地球就是中间膨胀、两极扁平的球体。就好像在很久以前，地球就是全部由液体组成的，由于长期受到离心力的作用，才发生扭曲，形成了现在的形状。

让我们来看一下，这个显著的事实是怎样被证明的。地球的引力能够使物体掉落，力的大小因物体离地心的距离的不同而不同。离地心越远的地方，地球引力就越小；离地心越近的地方，地球引力就越大。牛顿因为发现这个定律而闻名于世。地球表面的物体与地心的距离就是地球的半径，地球表面的物体做自由落体时，第一秒走过的距离就是4.9米。如果物体是从地球半径2倍的地方落下来，速度就是地球表面物体下落速度的1/4，也就是说物体在第一秒走的距离只有1/4乘以4.9米，即1.225米。如果把它放在离地心距离3倍、4倍、5倍高的地方，那么物体在第一秒所走的路程就只有4.9米的1/9、1/16、1/25。这就是由牛顿发现的引力定律，简单描述就是：引力与距离的平方成反比。

因此，从平原上落下来的石头的速度会比从高山落下来的快，因为平原比高山更接近地心。这是可以用实验来证明的，不过会有点难处理，因为相对地球半径来说，平原与高山之间的距离差是可以忽略不计的。我们用另一种方式来证明。

如图15，我们把铅球系在绳子上。假如把绳子的另外一端固定在某个地方，如图中的A点，那么球在运动一段时间后就会停下来，最后绳子的方向就是垂直的，绳子的方向用直线AB来表示。现在把球放在C点的位置，然后松开手。这时，如果球没用绳子绑住，它就会垂直下落，不过现在因为有绳子，它不会垂直下落，而是会因为悬挂点方向的引力作用沿着以悬挂点为中心的弧线CD运动。球会落到B点，走弧线CD，最后到达D点。到了D点之后，它又开始下滑到B点，然后再上升到C点或接近于C点的位置，到最后又向D点运动。这个球会一直这样来回运动一段时间，直到受到空气阻力的阻碍。如果A点的位置选得很准确，这个球是不会停下来的。

这种运动就叫摆动，由线和球组成的这个装置，就叫做钟摆。钟摆之所以会摆动，是由于受到地球引力的作用。摆动过程中的每一次掉落都受到吊绳的阻碍，而钟摆的长度保持不变，因此，受到的地球引力越大，摆动速度就要加快，这样摆动才能正常进行。也就是说，钟摆越靠近地心，摆动的速度就越快。同样，如果是放在地球引力比较小的地方，也就是离地心比较远的地方，那么它就会摆得慢一些。事实上，实验确实证明了放在高山上的钟摆会比放在平原上的摆得慢一些。因此，假如想证明地球表面的点与地心之间的距离是否一样，那么只需要把钟摆放在这些点上，看它们的摆动速度是否一样。如果在这地方摆得快，在另外一个地方摆得慢，就说明摆得快的这个地方离地心更近。

假设有一个观察者在赤道和两极之间选了几个点，这些点之间的距离是一样的，而且都是在海平面上，他把同一个钟先后放在这几个地方，然后细数每个地方钟摆的摆动次数。在赤道上，一小时内，钟摆的摆动次数是4000次；赤道以北的某个地方，是4001次；再往北一点点是4002次；然后再往北是4003，在此基础上再往北是4004。假设在我们所在地方摆动次数是4008次，北极附近的是4012次。很明显，钟摆摆动次数越多，证明它的速度越快。从上面的数字可以看出，钟摆在北极的摆动次数比赤道的多，说明它在北极摆得更快，这就证明了北极的地球引力比赤道的地球引力大。换句话说，北极比赤道更接近于球心。因此，整个地球一定是一个中间膨胀、两极扁平的球体，不管是陆地还是海洋。所以，极有可能地球表面的固体部分最初的时候就是液体，这才会在离心力的作用下，发生变形，变成现在的形状，就像上述实验所描述的变形的油滴一样。

钟摆实验告诉我们一个多么令人惊奇的事实啊！那些形成坚固地壳的岩石，那些构成陆地框架的巨石，以及那些能让铁具都钝化的花岗岩石，在以前某个时代，也是流体状的，就像在炼铁炉里被熔化的铁一样。现在高耸入云的高山，以前很可能是海洋里的液体矿物质的一部分。就像钟摆实验证实的那样，只有在地球原先是液体的情况下，才能够解释地球整体变形的这一事实。

不过，你可能会问，钟摆所证实的是真的吗？观察员数的单摆摆动的次数确定是没错的吗？这绝对是不会错的，像这种观察都是非常严密地进行的。而且，在规定的时间内，钟摆的摆动速度总是会在越靠近两极的地方越快，这是既定的事实。即使用钟来做实验，结果也是一样的。钟是一种相当复杂的装置，它有很多不同的齿轮，这些齿轮能够使指针绕着转盘转，它的动力来源于一根弹簧或者一个砝码，也就是发条装置。为了保证钟的准确性，防止它走得太快或太慢，每一个钟里面都安装了一个非常重要的零件确保时钟按固定的速率来回摆动，维持规律运作。对钟摆钟来说，钟摆就是它本身的校准器，它摆动得越快，钟就走得越快，转盘上的指针也就走得越快；摆动的速度越慢，钟也就走得越慢。

现在，我们发现，钟摆时钟的准确率是非常高的，它在赤道及其附近走得很慢，而在两极走得很快，无一例外。17世纪时，人们第一次发现了这个定律，这在当时引起了巨大的轰动。有人问：是什么神秘的机制，像手指轻轻拨动机器一样，让它在赤道附近慢下来，在两极快起来呢？牛顿在证实苹果为何会落下的同时，也证实了这样一个事实：钟在赤道附近走得很慢，是因为这里的地球引力比较小；钟在两极走得很快，是因为这两处的地球引力比较大。因此，我们可以推断出地球就是赤道膨胀、两极扁平的扁球体。

除了钟摆实验，我们还能找到其他更为直接的证据来证明。在不同的时代，都会采用大量的几何测量措施，现在的测量都以米为单位。通过大量的测量，人们发现钟摆证实的是对的，地球确实发生了变形，而且它的变形还是可以测量出来的。如果我们把赤道圈的半径（也就是赤道上的点与地心的距离）分成300等分，那么两极圈的半径只有其中的299等分。换句话说，两极与地心的距离比赤道到地心的距离少20千米，这个距离比最高山脉的海拔高度的两倍还高，不过，相对于地球庞大的体积来说，这也是可以忽略不计的，它是不会改变地球的形状的。假如用一个直径为2米的球体来表示地球，按照相同的比例，20千米相当于这个球的3毫米，那么这个球也只扁平3毫米，跟2米比起来，实在是可以忽略了。

更准确一点的话，事实上，地球的赤道半径大约是6377千米，而极点半径大约是6356千米，两者大概相差21千米。