作为人类的基本生存空间，地球是人类最早了解也最为熟悉的天体。这个自西向东自转的蓝色星球，现在已经有四十六亿年的历史。地球表面百分之七十以上为海洋，陆地面积不到三分之一；内部由地核、地幔和地壳的结构组成；外部由水圈、生物圈、大气圈等众多圈层构成……然而，这些当代人了如指掌的信息，是人类经历了三千年才逐步掌握的。直到步入航天时代之后，人类才真正看清了地球的全貌。
进入文明社会以后，地球有了另外一种容貌，即人类根据自身的观察与思考，用文字描述、图像绘制、科学归纳、数据统计出来的形象。与自然地球相对，我们称之为“人文地球”。自然地球有着四十六亿年的历史，人文地球却只有三千年的岁月。
在历史长河中，自然地球的演化是缓慢的，而人文地球则随着科技的进步日新月异。她的容貌不仅在不同的历史时期不一样，即便是同一历史时期，在不同地域和不同文化当中，也存在着巨大的差异。人文地球更像是万花筒，在历史长河中不断变化、丰富多彩。
文明的延续离不开地球，因此关于她的知识显得至关重要。在漫长的历史长河中，人类从未停止过认识、探索的脚步。自从三百万年前出现人类以后，出于生存的本能，人类就开始观察、认识周围的世界。但是在漫长的三百万年的时间里，99% 以上的阶段，人类对于地球的认识都处于原始、朴素的描述状态，关于地球的知识在缓慢地积累着。
每年的4月22日是世界地球日，作为一项世界性的环境保护活动，今年的主题是“携手为保护地球投资！”（Invest In Our Planet）。关于地球，我们还有许多未知。中国科学院自然科学史研究所研究员张九辰认为，探索地球，我们不仅需要借助科技的进步，更需要新的思维方式和宽阔的历史视野。在他的新作《人文地球：人类认识地球的历史》中，张九辰讲述了人类在认识地球过程中的科学故事和文明史故事，显然，这有助于我们更为深刻地理解人类自身以及人类与地球的关系。
本文选自《人文地球：人类认识地球的历史》，较原文有删节修改，小标题为编者所加，非原文所有。文中所用插图均来自该书。已获得出版社授权刊发。
《人文地球：人类认识地球的历史》，张九辰 著，北京大学出版社2022年4月版。
五六千年以前，世界不同区域陆续出现了文明古国。众多古老文明的发源地，构成了人文地球的不同起点。先民们以各自的方式观察着居住环境，尝试着描述和解释各种现象。随着社会的发展和生产的进步，人类对于自然界的认识逐步深入，除了对居住环境的经验性描述外，对地球的理性思辨也开始萌芽。
中国人过去常说四大文明古国：古埃及、古巴比伦、古印度和中国。这些文明古国都产生于大河流域的肥沃平原地区。古埃及文明发源于尼罗河流域，古巴比伦文明发源于两河流域，古印度文明发源于印度河和恒河流域，中国文明发源于黄河流域。这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……与此同时，也有了对其居住环境的初步认识。
另外一个无法忽视的古文明，是稍后在爱琴海一带发展起来的古希腊文明。该文明是一个地缘的概念，并不是专指现在希腊这个国家。它泛指在欧洲东南部、地中海东北部、土耳其西南沿岸的广大地区和海上岛屿上发展起来的古代文明。与上述发源于大河流域的古代文明不同，这里多低山丘陵，受地中海式气候影响，夏季干旱、冬季多雨，不利于农业的发展。地中海面积广阔，风平浪静，众多岛屿星罗棋布，利于航海贸易的发展。
因此，这里航海事业发达，水手和商人带来了大量的海外见闻和知识，开阔了人们的视野。大批古希腊人移居到地中海和黑海周围的许多地方，进行“殖民活动”。这些移民对新地区的兴趣和好奇心，激励他们对地理环境进行考察和探索。贸易、航海和海外移民事业的广泛开展，在促进古希腊人对新环境认知的同时，也使其获得了丰富的经验和资料。
近三千年前发展起来的古希腊文明，被当代西方学者公认为西方科学精神的发源地。尤其关于地球的认识，古希腊文明远远走在了各古文明的前列。古希腊人在理性自然观的影响下，形成了独特的地球知识，并最终成为西方近现代地理学思想的源头。古希腊文明对大地的思辨性认识，影响了整个西方世界，并在持续了六百多年以后，被稍后由意大利中部发展起来的古罗马文明继承。
古希腊、古罗马时代的著作中，包含有大量关于人类居住环境的描述、观察与分析。对于大地的形状、火山、地震、海啸、海陆变迁等自然现象，他们给出了各种解释。同时代的古代中国文明，也对人类居住环境有着详细的描述，并且在对陆地山川观察的基础上进行了区域划分。古希腊罗马文明对于欧洲科学的重要性和古代中国文明长期延续下来的地球叙事传统对东方文明的影响，代表着东西方地球科学的源头，并影响着其后的发展脉络。
地理树（《人文地球》插图）
先民如何理解大地的形状？
地球是个球体，这在今天已经成为基本常识。但是在遥远的古代，辽阔的大地与人类较低的迁徙能力之间的反差，成为正确认识地球形状的巨大障碍。于是，凭借感官知觉，人类把在狭窄视野中观察到的扁平大地形状当作了真实图景。这种认识结合居住区域的地理景象和各自的神话传说，演绎出丰富多彩的关于天与地的遐想。
各文明古国神话人物众多，在天地的形成及大地形状方面，这些神话人物更是不可或缺的角色。中国古代有盘古开天地的神话，《圣经》第一章《创世记》就是讲述上帝创造万物的故事。这里略去各种神话人物不谈，重点看看各文明古国先民的想象力。这种源于实际观察又超越了现实的思考能力，造就了人文地球的最初形象。而这种想象力，正是古人对其居住空间的原始认识。
先民如何理解大地的形状？如何解释大地与蔚蓝天空之间的关系？对此，各种文明有着多种的猜测，但有两点是相对一致的：其一是观测者认为自己所在的位置一定是大地的中央；其二是在绝大多数猜测中，天穹都有支撑物。
古巴比伦人把宇宙看作是一个封闭的箱子或者小室，大地是其底板。底板中央耸立着冰雪覆盖的区域，幼发拉底河发源于区域的中央。大地周围被水环绕，水之外还有大山，以支撑蔚蓝色的天穹。也有传说表明古巴比伦人把大地看作是漂浮在海上的圆盘，但不管是方形还是圆形，周围都要有水，水外还要有山以支撑天穹。
古埃及人也有着类似的看法，认为宇宙是一个南北较长的方盒子，底面略呈凹形，古埃及正好位于凹形大地的中心。蓝天是平坦的或穹隆形的天花板，四方有天柱支撑。古印度人认为天穹是由四头大象托起来的，而大象就站在一只巨大的乌龟背上，漂浮于茫茫大海之中。而远在高纬度地区的古俄罗斯，那里没有大象，托起大地的动物是三条巨大的鲸鱼。
关于大地的形状，中国古代曾经产生过多种理论，形成最早且影响广泛的是“盖天说”宇宙模型。盖天说的观点大概形成于殷末周初，记载于公元前1世纪西汉时期的天文学和数学著作《周髀算经》当中。书中阐述了盖天说描述的宇宙模型。早期的盖天说提出“天圆如张盖，地方如棋局”。后来为了弥补“天圆”“地方”所造成的天地之间无法合理衔接这一理论缺陷，又将宇宙模型发展成为“天似盖笠，地法覆盘”。这样天和地之间就可以无缝衔接了。《周髀算经》还试图用“七衡六间图”定量地表示盖天说的宇宙模型。
这个模型认为，天穹以北极为中心形成间隔相等的七个同心圆，这就是太阳运行的七条轨道，称为“七衡”，七衡间的六个间隔称为“六间”。不同的节气，太阳在不同的轨道上运行。《周髀算经》还给出了轨道之间的距离数字，但这些数据都是在其理论框架之下，根据一个假想的宇宙直径推演出来的。
公元1世纪“浑天说”逐步兴起，并替代盖天说占据了主导地位。这个理论可能始于战国时期，到了东汉时期由张衡（78—139）发展完善。张衡在《浑仪注》中指出：“浑天如鸡子。天体圆如弹丸，地如鸡子中黄。”浑天说出现以后，曾经与盖天说产生了争论。
两种学说在争论的过程中，都在不断调整并完善各自的理论，但是最终谁也没能说服谁。到了南北朝时期，甚至出现了“浑盖合一”的调和理论。
除了盖天说和浑天说之外，战国时期还出现过“宣夜说”的宇宙模型。但宣夜说的影响没有盖天说和浑天说广泛，所以我们很少看到这一理论与浑、盖二说的争论。宣夜说主张“日月众星，自然浮生于虚空之中，其行其止，皆须气焉”。由于宣夜说创造了天体漂浮于气体中、不再需要支撑点的理论，打破了固体天球的观念，形成了宇宙无限的思想，所以引起了后人的重视。但是上述各种理论，都没有对于天体运行的规律作出基于实测或者科学推演的解释，仍然属于朴素的经验性、思辨性的认识，自然也无法准确解释各种宇宙现象。
魏晋南北朝时期，古印度的宇宙理论随着佛教传入中国。此时中国关于宇宙结构的理论逐渐增多，各种观点之间的争论也渐趋活跃。除了传统的宇宙模型以外，这一时期又产生了新的宇宙理论：“昕天说”“安天说”和“穹天说”。三种学说没有摆脱盖天说的理论体系，但都从不同角度发展了盖天说的宇宙模型，以弥补其缺陷。这些理论的代表性著作多已佚失，后人是从《晋书·天文志》的记载中了解到其主要的观点。
大家都知道古希腊文明最早产生了球形大地观，其理论水平已经远远走在了各古文明的前列。但是早期古希腊人也认为大地是扁平的。荷马（Homer，前9世纪至前8世纪）在其著作《荷马史诗》中就有扁平大地的描述。
对扁平大地最详细的描述，来自古希腊的爱奥尼亚学者。最著名的就是泰勒斯（Thales，约前624—约前548）提出大地是漂浮在水面上的圆盘。泰勒斯的学生阿那克西曼德（Anaximander，约前610—约前546），把老师的设想变得更加具体明晰。他认为天空是一个球体，它的下半部人们看不见。地球是一个圆柱体，由于环绕地球的天空各点的引力相等而得以维持在天球体的中央。
爱奥尼亚的另一位学者赫卡泰（Hecataeus，约前550—约前476）曾经在地中海一带广泛游历。他的《旅行记》中就绘制有最早的世界地图。在地图中，人类居住的大地呈圆盘状，由欧洲和亚洲两部分构成，欧洲在北方，亚洲在南方。圆盘状的大地被海水包围着。还有一位叫作埃弗勒（Ephorus，前405—前330）的学者，也绘有类似的世界地图，这张地图保存于他的著作、三十卷本的《世界通史》中。这部名为“历史”的著作，第四、第五两卷实际上是对世界地理知识的描述。由于这些学者均来自爱奥尼亚，后人就称这些在扁平大地观的影响下绘制的圆盘形地图为“爱奥尼亚地图”。
探索地球的人类（《人文地球》插图）
与其他古文明的扁平大地观不同，古希腊人的扁平大地观是在旅行中、在对实地观察的基础上形成的。
人类居住的大地就是一个球状的物体
在爱奥尼亚学者津津乐道地描述扁平大地的时候，位于今天意大利南部地区的先哲，已经开始通过观测和思辨探讨大地的形状了。传说生活在公元前6世纪的古希腊数学家、以发现勾股定理闻名于世的毕达哥拉斯（Pythagoras，约前570—约前497）就认为，人类居住的大地是球形的。毕达哥拉斯痴迷于数学研究，并试图用数来解释一切现象。他认为对称形式是物质的完美属性之一，而最完善的对称就是球形。于是他推测人类居住的地方应该是用最完美的形式创造的，是球形。毕达哥拉斯的观点只是来自哲学的思辨，他并没有提出证据并作进一步的阐释。
有文字记载的球形大地观念，出现在柏拉图（Plato，约前428—约前348）的著作中。柏拉图是古希腊著名的哲学家，他和他的老师苏格拉底（Socrates，前470—前399）、学生亚里士多德（Aristotle，前384—前322）并称为“希腊三贤”。他们三人也是最早描述球形大地观的学者。柏拉图在公元前380年所著的《斐多篇》中，提到苏格拉底曾经思考过大地究竟是平的还是圆的这个问题。很多年以后，他又在著作《蒂迈欧篇》中第一次明确大地是一个球体，并说这个球体位于宇宙的中心，其他天体都环绕它作圆周运动。
柏拉图的学生亚里士多德继承了老师的球形大地观念，并从理论上作出了解释。亚里士多德认为，宇宙间的每一样事物都有它的天然位置。如果移动了，就无法再回到原处。而构成地球的固体物质必然要向一个中心点聚集，其结果就形成了球状的结构。人类居住的大地就是一个球状的物体。
亚里士多德的理论不仅仅是来自思辨，他还通过观测进行验证。他指出，一个人沿着南北方向旅行时，各种星辰的高度（角）会发生变化。那个时代已经有人认为月食是地球投射在月球表面的影子。亚里士多德指出，月食发生的时候，月面上的影子是圆弧形的。但有些人看到太阳升落时世界地球日是什么，与地平面的交线是直线而不是曲线，试图以此否定球形说。亚里士多德反驳了这种观点，指出由于太阳和地球的距离非常遥远，球面与太阳交切的弧线与地球的周长相比是很小的，所以这段弧线看起来像是一条直线。
古希腊人喜欢游历，他们发现随着远行，天空中一些星星消失了，同时又有新的星星出现在人们的视野里。他们通过实地观测，得到了越来越多的支持大地为球形的证据。例如，当海船由远处驶近时，人们总是先看到船的桅杆，然后才看到船身。这一现象，后来也被作为支持球形大地观的证据。球形大地观逐步被更多的人接受了。
球形大地观的确立，是人类认识史上的重要一步。既然是球形，说明人类聚居的大地是一个独立的天体。从此，地球从宇宙中独立出来，人类观测的角度和思路发生了重大的转变。既然大地是个球体，就会有体积和周长，人们就能够知道地球到底有多大。亚里士多德曾经根据南北两个不同点的恒星高度的变化，推断地球是一个不大的球体。对地球大小的测算，是由公元前3世纪下半叶的埃拉托色尼（Eratosthenes，前276—前194）完成的。
埃拉托色尼出生于古希腊在非洲北部的殖民地。他在雅典接受了良好的教育，后来长期在亚历山大图书馆工作，并担任了馆长一职。亚历山大图书馆藏书丰富，他充分利用图书馆的藏书和地图进行分析和研究。同时通过实地观测，根据南北两个观察点之间太阳高度的变化量，以及两个地点之间的距离，精确地计算出了地球的周长。埃拉托色尼曾经著有《地球大小的修正》和《地理学概论》两部著作，可惜后来均已失传，因此很少有人知道他的测量与计算结果。多亏一位生活于公元前2世纪至前1世纪之间的天文学家克莱奥迈季斯（Cleomedes，前2世纪至前1世纪），他在其著作《论天体的圆周运动》中记述了埃拉托色尼的工作。
继埃拉托色尼之后，哲学家波西多尼斯（Posidonius，前135—前51）也对地球大小进行了测量，但是数值却比前者测定的小很多。波西多尼斯是古希腊罗马时期著名的学者，也是政府官员。他曾经在地中海一带广泛游历且著作颇丰。此人擅长演讲，听者众多，因此他的观点影响广泛。他测定的数据虽然不如埃拉托色尼准确，却被托勒密（Ptolemaeus，100—170）接受并对后世影响深远。
托勒密是古罗马地理学家和天文学家，也是古希腊科学的集大成者。他主要生活在亚历山大，现在人们对他的生平知道得很少，但是他的著作《天文学大成》却对后世影响很大。这部百科全书式的著作认为，地球位于宇宙的中心，行星和恒星围绕着它运行。此书一直被尊为天文学的标准著作，17世纪以前的欧洲和阿拉伯世界都是采用托勒密的观点。
托勒密八卷本的《地理学导论》，是对古希腊数理地理知识的全面总结。他在书中判断波西多尼斯测得的数据比埃拉托色尼的更为准确，并采用了前者的数字。这个观点影响了其后1500年人们对地球大小的认知。直到地理大发现时期，哥伦布（Cristoforo Colombo，1451—1506）仍然使用这个数据，并直接导致他试图向西航行驶往亚洲。
人类认识地球的重要一步
球形大地观为人类了解地球奠定了基础。它对地球知识的重大贡献，是推动了纬度地带性思想的产生。球状造成了太阳高度角由低纬度地区向高纬度地区递减，太阳辐射的热量在南北方向上有规律地成带状分布。古希腊哲学家帕门尼德（Parmenides，前515—？）首创将天球投影在地球上的方法，从而把地球划分为五个地带：中间一个热带，南北两个温带和两个寒带。攸多克索（Eudoxus世界地球日是什么，约前400—约前347）根据球形大地的观点划分出赤道、热带圈和极地圈，这些便是早期的气候分带理论。
善于实地观察的亚里士多德进一步指出，地球上的可居住区与纬度有着密切的关系。他认为，太阳光线在球面各个不同地点的入射角度不同，引起了热量的南北差异，进而造成了不同的气候地带。他推测靠近赤道的热带和远离赤道的寒带或是太热、或是太冷，都不适宜居住，只有温带才能成为人类的居住地。
亚里士多德可居住区的观点影响很大，准确计算出地球大小的埃拉托色尼就接受了这个观点，并进一步计算出有人居住世界的长度和宽度。斯特拉波（Strabo，前64—21）也赞同可居住区的想法，并根据这个理论写出了集大成之作《地理学》（本章第三节将详细讨论这部著作）。
虽然古希腊罗马时期气候带的划分和人类可居住区的理论还很粗糙，却是人类认识地球的重要一步。因为地表纬度方向上表现出的热量地带性变化，是全球地域分异规律的基础。地球表层的气候、植被、动物、土壤等要素的空间分布，在全球尺度上都表现出纬度地带性特点。地带性规律是后来发展起来的一个基本概念，它的发现使地理学由对个别的、特殊的、互不联系的现象描述，转向对地理现象空间分布规律的研究，使地理学系统化、理论化、形式化成为可能。可以说，球形大地观和纬度地带性规律的发现，使古希腊出现了地理学的萌芽。
地球的形状确定之后，地理坐标的建立成为可能。人们在长途旅行中，尤其是远洋航行过程中，时刻需要辨识和确定自己的位置。在陆地上旅行，可以根据周围的景物特征来表述自己所在的地点。这样的表述虽不够精确，至少还可以用文字描述、用图像表达。但是在海洋之中，位置的表述就变得十分困难。
古希腊天文学家希帕库斯（Hipparchus，约前190—约前125）长期在罗德岛上进行天文观测，他于公元前2世纪建立起用经纬线组成的地理坐标，试图用数学方法来确定地面各点的精确位置。由于缺少测量经度的方法，其用地理坐标确定位置的办法还停留在理论推演阶段，缺乏实际应用价值。但是随着人类测量技术的不断完善，地理坐标的理论价值和实用价值逐渐显露出来。古希腊罗马时代，人们用太阳或者恒星高度与纬度的对应关系来确定位置；到了15世纪的大航海时代，地理坐标更显重要。球形大地观还包含了一个重要的可检验蕴涵，即东行可以西达，西行也可以东达。也就是说，环球航行是可能的。
球形观念也引出了许多新的争论，其中之一就是地球背面是否有人类存在？如果存在，那他们是否倒悬着？人们称在那里生活的人为“跖人”。关于环球航行和“跖人”是否存在等问题，在西方引起了长期的争论，也是激励人们远航探险的动力之一。直到大航海时代，这些疑问才最终解决。
数理地理学在古希腊罗马时期昙花一现
人类的认识水平并非直线上升。古希腊罗马之后的欧洲，科学思想出现了断崖式的跌落，进入了“黑暗时代”。古希腊时期发展起来的关于地球的各种科学解说沉寂下来，代之以宗教神学的阐释。
后人将古希腊罗马时期测算空间位置的科学知识，称为数理地理学。数理地理学传统自托勒密之后便沉寂下来。直到一千多年后，德国地理学界才重新肯定了托勒密的思想，数理地理学再度进入人们的视野。但此时，因为没有了明确的对象和内容，这门学科宛如昙花一现，很快衰落了。
地理学体系表（《人文地球》插图）
到了17世纪，微积分的发明使函数、速度、加速度和曲线的斜率等可以用通用的符号进行讨论，并为定义和计算面积、体积提供了一套通用的方法。微积分的发明推动了很多知识的科学转向。此时荷兰物理学家、数学家惠更斯（Christiaan Huygens，1629—1695）和英国物理学家牛顿（Isaac Newton，1643—1727），根据力学原理推测赤道附近的地表必然会向外膨胀，而两极则趋于扁平。这种理论的推演虽然很难被大众接受，但是开放的环境促使人们去证实或者证伪这个观点。
18世纪上半叶，法国科学院派出的测量队通过实地测量，最终证明了惠更斯和牛顿的说法是正确的。数理科学的发展使人们对地球形状的认识又进了一步。数理地理学传统并没有进一步推动地理学的进步。到了19世纪，近代地理学的创建人、德国学者亚历山大·冯·洪堡（Alexander von Humboldt，1769—1859）曾经试图把地理学变成像数学、物理学那样的科学。但是这门学科的对象太过复杂，无法用数学、物理学的方法简单地解决，洪堡只好另辟蹊径。
近代地理学出现以后，数理地理学没有再次复兴，而是作为一种方法，纳入地理学、天文学、测量学、地图学、地球物理学、空间地理学等研究范畴。20世纪中后期兴起的计量革命，促使数学统计应用于人文地理学研究之中，地理学开始走向定量化。但这与古希腊罗马时期的理论，已经没有任何血脉关系了。
数理地理学在古希腊罗马时期昙花一现，而比它出现更早的区域地理学却一直延续至今。人们可能觉得数理地理学因为远远超出了当时的认知水平而缺乏生命力，但是通过它与区域地理学的历史比较，我们不难发现，随着人类认识水平和科技的进步，区域地理学一直面临着巨大的挑战，但是每一次挑战都意味着新的变革和学科的进步。而数理地理学因为缺少新材料和新问题，并未因科技的进步再度复兴。
原文作者丨张九辰
摘编丨安也
编辑丨张进
校对丨柳宝庆
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