地球上的北方和南方完全是武断的吗？

　　如果你生活在地球上，你可能对我们的南北概念很熟悉。
　　地球的尖端--北极--是地球上你能到达的最北端，而地球的最底部是南极：地球表面的最南端，位于南极洲。
　　在地理上，两极是地球自转的轴线与地球表面相交的位置。
　　它们是唯一的点，如果你站在它们上面，你将保持在相对于地球中心的相同位置，即使地球自转。
　　我们的地图和地球仪总是在顶部显示北方，底部显示南方。
　　但这是出于任何物理原因，还是完全武断呢？
　　＂澳大利亚会在北半球吗？
　　宇宙是有一个确定的上或下，还是澳大利亚可能在北方，这是一个观点/历史习惯的问题？
　　北方和南方的概念在历史上由来已久：绝对是在科学之前的时代。
　　那么，考虑到我们今天所知道的情况，我们的定义能支持得住吗？
　　地球绕太阳运行，绕轴自转，直到2000多年前，人们才知道地球是球形的。
　　然而，像＂北方＂和＂南方＂这样的概念存在的时间要长得多。
　　理论上，＂北＂这个词来源于＂北方＂，因为当你面对早晨的旭日东升时，北方就在你的左边。
　　因为太阳总是从东方升起。
　　从同样的语言来看，其他三个基本方向也与太阳的位置有关。
　　我们估计，原始印欧语大约是在公元前4500年到公元前2500年之间使用的，所以＂北＂这个词的由来，以及它与我们今天所知的北的方向的认同，至少有大约4500年的历史。
　　很难说，这种人类从那以后就一直使用的身份识别，至少对它没有一些历史偏见。
　　当我们看到太阳从地平线上升起时，我们可以肯定的是，当我们面对太阳时，＂左＂方向指向北，而＂右＂方向指向南。
　　在整个世界上，无论你在哪个半球，这一点都是正确的，因为这是地球相对于太阳位置旋转方向的结果。
　　毕竟，直到2000多年前，我们才知道地球是圆的。
　　早在公元前5世纪，被广泛认为是欧洲文化第一位历史学家的希罗多德访问了埃及，询问尼罗河的源头是哪里。
　　尼罗河当然是从南到北，在尼罗河三角洲注入地中海。
　　他承认没有人确切地知道，但他给出了两种他认为可能的可能性，然后讲述了埃及人与他有关的第三种可能性：再往南有山，这些山积雪。
　　随着季节的变化，雪融化了，融化的雪流入尼罗河，成为尼罗河的源头。
　　尽管这在事实上是正确的，但希罗多德本人排除了这种可能性。
　　他解释说，每个人都知道，地球越往南走，地球就会变得越热，而埃及北部已经热得离谱；太热了，不适合积雪。
　　认为一个人可以再往南走，遇到积雪丰富的地理特征的想法是荒谬的，因此不能被认真地认为是尼罗河的源头。
　　国际空间站上从南向北俯瞰的尼罗河。
　　尼罗河的源头几千年来一直是个谜，但现在已知发源于尼罗河三角洲南部遥远的山脉。
　　在希罗多德之后大约200年，在公元前3世纪，地球的形状以科学的方式得到了真实的展示。
　　埃拉托塞尼是一位居住在埃及的希腊人，他熟悉太阳在一年中在天空中的路径变化。
　　在冬至期间，它达到了最低点，白天的持续时间最短，太阳从未冒险离开南边地平线很远。
　　但随后，每一天都会变得更长一些，太阳的路径在一年中越来越高，直到我们到达夏至，在夏至，太阳将在正午--就在头顶--比其他任何一天都更接近天顶。
　　在亚历山大，他知道在夏至，地面上的一个垂直物体投射出一年中最短的阴影。
　　但令他困惑的是，他从更南边的城市锡尼收到了一份报告，这座城市相当于现代的阿斯旺。
　　在那里，他被告知，在夏至，一根垂直的棍子根本投不下影子，如果你在夏至的正午往井里看，你自己的头就会挡住太阳本身的反射。
　　就纬度而言，在北回归线和摩羯座之间的所有位置，一年中有两天太阳在其顶端直接照耀头顶。
　　在这张照片的拍摄地夏威夷，这种现象被称为拉海纳正午。
　　这可能是什么原因造成的？
　　如果太阳离得很远，它发出的光线应该都大致彼此平行。
　　如果地球是完全平坦的--这是当时许多人的假设--那么你在地球表面的位置应该不会影响太阳光线照射它的角度。
　　但如果地球是弯曲的，那么你会认为太阳的光线会以不同的角度在不同的位置照射到地球表面。
　　此外，有两种不同的方式来思考你的立场：
　　在纵向上，太阳投射的阴影在相同的日期具有相同的角度，但这些阴影出现的最短/最长的时间因观察者而异，
　　在纬度上，即使在相同的日期，不同纬度的观测者也会看到太阳在地平线上达到不同的最大高度。
　　埃拉托斯提尼在夏至那天测量了一根竖杆在亚历山大港投射的角度，发现最小的角度是太阳光线和竖杆之间的角度只有7.2度。
　　然后，在气温为0度的Syene，他意识到接下来会发生什么。
　　如果地球是完全平坦的，那么太阳 的光线将在正午时分在地球各地的冬至投射相同的阴影(上图)，无论你位于哪里。
　　但如果地球 的表面是弯曲的(底部)，不同位置的阴影将在同一天投射不同的阴影，这取决于太阳 的光线照射到有问题的物体的角度。
　　通过测量地球 表面两个点之间的阴影角度差，第一次有可能测量地球的大小。
　　亚历山大港比锡耶纳更北，在同一天，两者之间的阴影相差7.2度，这意味着如果你旅行50次，无论锡耶纳和亚历山大港之间的距离有多远，你都会穿越一整圈-360度。
　　当时，距离是用体育场来衡量的，埃拉托斯提尼报告说，这两个城市之间的距离是5000体育场。
　　这一点本身是用骆驼来衡量的，假设一头骆驼一天可以走一定数量的体育场，再乘以旅行所需的天数。
　　那么，总共需要25万个视距才能环绕地球，这告诉我们地球的周长。
　　如果我们假设埃拉托色尼-同样是一个居住在埃及的希腊人-使用阁楼(希腊)体育场作为他的测量单位，按今天的单位计算，他的地球周长是46,620公里：大约比实际值大16%。
　　然而，如果我们假设他使用的是只有157.5米的埃及体育场，那么他计算的地球周长是39,375公里：只比我们今天使用的现代值小2%。
　　为什么要费心讲这个故事呢？
　　因为埃拉托色尼的科学贡献并没有随着发现地球的圆形或他对地球周长的测量而结束。
　　相反，埃拉托色尼后来成为了世界上第一位地理学家。
　　他发明了经度和纬度的概念。
　　他画出了200多个彼此相对的地点。
　　他建造了第一批包含球形地球的模型和地图。
　　他把世界分成了五个区域：
　　在高纬度有两个寒冷的极地地带，一个在北部，一个在南部；
　　中纬度有两个温带，一个在北边，一个在南边，
　　一个热带位于赤道纬度，从地球中线向南和向北延伸一小段距离。
　　从那时起，2000多年来，我们一直认识到，我们的地球是圆的，它绕着轴自转，世界的＂顶＂是北极，世界的＂底＂是南极。
　　从NASA的信使号宇宙飞船上看到的地球自转，因为它离开了我们星球的附近。
　　如果你想象在这张图片的＂上方＂并向下看，你会发现地球是逆时针旋转的；如果你想象在这张图片的＂下方＂并抬头看，你会看到地球顺时针旋转。
　　这两种观点都同样有效。
　　当然，所有这些都是从人类历史中出现的。
　　在地球上，大陆的大部分都在北半球，大多数人类在北半球居住了至少几千年。
　　其结果是：
　　我们的地图和地球仪总是以北为上，南为下，
　　我们定义太阳系内天体的运动，就像我们从地球北极上方向下看一样，
　　因此，我们认为太阳系中的行星围绕太阳逆时针旋转，地球逆时针旋转，我们的月球逆时针绕地球旋转。
　　还有更多。
　　这一武断的定义现在也扩展到了太阳围绕银河系的运动，定义为当你俯视银河系时，银河系圆盘中的恒星围绕银河系中心逆时针旋转的方向。
　　然而，我们选择从顶部向下观察我们的星系，让它逆时针旋转，这一事实不仅是武断的，而且是因为我们的定义是建立在我们对地球北极在顶部和地球从那个角度逆时针旋转的定义上的。
　　这种观点一直是完全武断的，导致了一系列自我强化的定义。
　　由于地球金属核心中发生的电磁过程，地球不仅有由地球绕其轴自转的地理极，而且还有磁极。
　　磁极偏离地理极几度(约7度)，但如果你有一个磁化的或简单地可磁化的针，它会与那些磁力线排成一条线。
　　指针的一端将始终指向地球的磁北极，而另一端将指向地球的磁南极。
　　令人惊讶的是，我们实际上定义了磁力，所以最接近我们地理北极的磁极也被定义为＂磁北＂。
　　当两极翻转时--这是他们通常在数万年的时间尺度上所做的--我们的地理和磁极将变成反对齐而不是对齐。
　　这个定义已经传播到了所有的电磁学中，但就像我们用来描述地理学的定义一样，它完全是任意的。
　　人们可以很容易地辩称，如果人类历史以非洲人或澳大利亚人为中心的方式展开，而不是以欧亚大陆为中心，我们对南北的定义很容易在任何可以想象到的方式上颠倒。
　　最初的＂蓝色大理石＂图像来自阿波罗17号，实际上是在这里所示的方向上拍摄的：南方在顶部，北方在(看不见的)世界的另一边。
　　无论是在太空中，还是在地球上，我们将北方称为＂向上＂，将南方称为＂向下＂，都是武断的。
　　幸运的是，每当我们量化物体的运动时，我们现在都很清楚，宇宙中任何地方都没有绝对的参照系。
　　对象只是相对于彼此运动，所有参照系都是任意的。
　　星系顺时针旋转的可能性和逆时针旋转的可能性一样大。
　　虽然行星的自转和自转方向往往与其母恒星的自转方向相同，但这是角动量的函数，当恒星系统由原行星盘形成时，角动量一直保持不变。
　　一旦你冒险走出地球，我们所做的任何以地球为中心的定义都变得比它们目前在这里所具有的武断含义更没有意义。
　　事实上，每当航天器在地球之外冒险时，我们对方向和导航的地面定义很快就变得毫无用处。
　　如果人类有一天成为一个星际或星际物种，我们无疑会把我们对南北的反复无常的定义抛在脑后，作为已经过时的过去的遗迹。
　　与此同时，我们都应该认识到，我们之所以这样定义北方和南方，是因为历史原因--而不是任何科学原因。
　　这些身份可能会继续存在，但在地球上，唯一的身体动力来自万有引力：地球的中心下降了！
　　而不是任何科学上的-我们已经定义了北方和南方。