第7章 上知天文(5)

此积雨云在与来自北方低温干燥的喷射气流合流后更加壮大，于是形成更多的云粒、雨滴和冰晶，又促使潜热释放出更强大的上升气流，其每秒速度有时还达数十公尺，因而在地面引起狂风、暴雨、下雹、雷电，带来灾害。如果积雨云会旋转，则能延长寿命，可能成为巨型积雨云。

温热多湿的东南风，与顺沿落基山脉南下西北风的界线就是干燥线。干燥线显现出波浪状形态，并在即将形成旋涡时，墙云就由巨型积雨云中出现而发生龙卷风。

知识小链接：什么是“潜热”

“潜热”就是水蒸气变为液态水时释出的热能，例如摄氏25度时，1克水蒸气变成同温度的液态水时，会释出583卡潜热。将手掌伸到沸腾水上方而感觉到烫的热度，就是水蒸气变为白色小水滴时的潜热。

龙卷风

第三节 天文仪器

灵台的由来

在今河南洛阳南郊的夯土台，建于公元56年，是中国现存最早的天文台，也是世界上最古老的天文台。

天文观测要有特定的场所，以保证观察广阔的星空时可以一览无余，不被房屋、树木等东西遮挡。所以，天文观测大多在高山上，一般还筑有高台，以便于观测。这就是现代天文台的始祖。

相传远古的尧帝，让一个叫羲和的人通过观察天象，告诉老百姓掌握农时。到了夏朝，在都城建立国家天文台，成了历代沿袭的一种制度。天文台的规模一代一代不断发展，观测仪器也不断发展，日趋完善。

知识小链接：灵台是如何工作的

史书上说，灵台是在太史令的领导下工作的，机构、人员很庞大。全台有43人。台丞1人，总管全台的工作；14人候星，2人候日，3人候风，12人候气，3人候晷景（测日影），7人候钟律（报时刻）；另有舍人1个，负责后勤工作。

测景台的由来

位于今河南登封县城东南的周公庙，是一个观象测景、测定节气、预报气象的古代天文台。

相传，周文王的四子周公把这里确定为大地的中央，还树立了“土圭”来测日影，以验正四季的节气。公元723年，南宫说奉唐玄宗之命，仿照周公土圭，建造了纪念性的石表，还在石表上刻了“周公测景台”5个大字。这座石表，至今还矗立在周公庙大殿的南面。圭表是古代测量日影的仪器，可从一年中日影的长度上，测定冬至日和夏至日。

在周公庙大殿北面，有一座观象台，为元代郭守敬所建。台上起测日影的表尺作用的，是台身北面正中央的垂直凹槽，顶端有一根直径10厘米的铜制横梁，相当于表尺的顶端，与圭面的垂直距离为四丈，取“四丈高表”之意。凹槽的下端，是石圭的起点，石圭用青石沿南北向平铺于地面上，长31.19米。圭面中线上有尺、寸、分的刻度，中线两侧刻有两条平行的水槽，可用来校正圭面的水平状态。

由于日光的散射，表愈高，顶端横梁的影子就越模糊，难于在圭面上读出日影的准确读数。为解决这一缺陷，元代的郭守敬发明了景符。

到了明代，郭守敬的观象台，改称观星台。又在台顶修建了两间小屋，安装了简仪、漏刻之类的观测仪器。

周公庙享誉中外，是世界上保存比较完好的最早天文台之一。

知识小链接：什么是景符

景符，是安在一个小框架上可以转动的薄铜片，中间开有小孔。当太阳过子午线时，把景符放在圭面上移动，同时转动铜片，让通过表顶的日光穿过小孔，在圭面上形成一个米粒大小的、正中有一条细细的横梁影子的太阳像，投射到圭面的中线上，就可准确读出表影的读数。

登封测景台

望远镜的由来

说起望远镜的起源，其中有很大的偶然性。

在荷兰的密特尔堡小镇上，有一个叫利珀希的眼镜制造匠人。1607年的一天，他的一个孩子站在窗台上，两只手一前一后，把两只镜片重叠起来，然后闭上一只眼睛，好奇地通过镜片望着远方。猛然间，他发现远处的景物被拉到了眼前，看得十分清楚。这使他十分兴奋，赶忙去告诉爸爸。利珀希听了之后，学着孩子的样子，果然也看清了远处的景物。这引起了利珀希的极大兴趣。他反复查看这两只镜片，它们一只是老花镜片，另一只是近视镜片。他发现，老花镜片在前，近视镜片在后，只要适当调整两只镜片之间的远近，就可以看清不同距离的东西。利珀希经过一番研究，制成了一架简单的望远镜。它只有一个30厘米长的筒，里边装着一只老花镜和一只近视镜片，但它却是世界上第一架望远镜。

知识小链接：天文望远镜的过去与现在

传统的天文望远镜，一般是用眼睛直接观测的，有的则在望远镜后装上照相机给天体拍照，采用手动调节。现代天文望远镜多用计算机控制，把要观测的星体和区域的坐标输入计算机，望远镜就可以精确对准目标，通过一个叫做CCD的电子器件，记录下天体的信息，然后通过计算机处理后形成天体的图像。

太空中的哈勃望远镜

显微镜的由来

最初的显微镜是由一个凹镜和一个凸镜构成的。这种构造简单的显微镜是由一个叫詹森的眼镜制造匠人于1590年左右发明的。虽说他是发明显微镜的第一人，但他本人并没有认识到显微镜的真正价值。

事隔90多年后，一个叫列文虎克的荷兰人，又研制出一架显微镜，还用它进行科学研究试验，成了现代显微技术的先驱。

列文虎克于1632年出生在荷兰的德尔夫特市。虽然他只是一名读书甚少、没受过科学训练的普通店员，但他是一个好奇心极强的人。一次，他从朋友那里听说有眼镜店磨制的放大镜可以把肉眼看不清的东西放大变清楚，于是对这个神奇的放大镜产生了兴趣，但因为价格太高买不起。于是，他经常出入这家眼镜店，认真观察磨制镜片的工作，暗自学习磨制镜片的技术。

俗话说：天下无难事，只怕有心人。1665年，列文虎克制作出一块直径只有0.3厘米的小透镜，还给它做了一个架子，把这块小透镜镶在架子上，又在透镜下边装了一块铜板，上面钻了一个小孔，使光线从这里射进来而反射出所观察的东西。列文虎克的第一台显微镜由此诞生。

知识小链接：显微技术的发展

20世纪以来，现代显微技术高速发展，紫外线显微镜、电子显微镜、透射式电子显微镜、扫描式电子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜相继问世，大大扩展了人类对微观世界的认识。

地动仪的由来

从古代文献中，人们得知最早的地震发生于舜帝之时，但一直到西汉，还没有关于研究地震的记录。只是到了东汉，张衡发明了地动仪，这才开始了人类对地震研究的探索。

在张衡生活的时代，地震频繁发生，灾害造成巨大的损失。于是，他下决心认真研究地震，试图设计一种能够监测地震的仪器。

基于对地震方向性的认识，又从建筑中的“都柱”(宫室中间设柱)获得启示，公元132年，张衡创制了世界上第一架地震—地动仪。

地动仪制成后，人们将信将疑。公元139年，仪器西边方向龙嘴里的铜球掉了下来，说明京城西方发生了地震。几天后，陇西果然有人到洛阳报信，说那里发生了强烈地震。这件事，证明了地动仪的准确性和可靠性。随后，人们对张衡的猜疑和责难平息了，地动仪的神妙迅速传播开来。

张衡的地动仪是古代地震学的最高成就，欧洲的同类仪器是在他之后1 700多年才出现的。

知识小链接：我国第一个地震观测台

我国第一个地震观测台是1930年由地震学家李善邦主持建立的，位置在北京鹫峰。经过半个多世纪的奋斗，我国地震台由一个发展到几百个，目前已拥有全国基本台网、大地震速报台网，都可以由地震仪记录下来，并报送到中国地震分局分析预报中心，使我国地震观测技术位于世界前列。

地动仪

经纬仪的由来

经纬仪，是用来测量远处物体的方位和仰角的一种仪器。它把中世纪占星家的几何象限，与建筑家们为制图而采用的水平刻度盘结合了起来。这种安有罗盘的刻度盘，在1510年前后用来测绘罗马的地图。它被称为polimetrum，是现在能见到的最早的经纬仪。

“经纬仪”这个名称最早见于《仪器》一书，此书是由德国的迪格斯于1571年出版的。不过，书中只把水平刻度盘称为经纬仪，因而与polimetrum这种经纬仪不同。

知识小链接：经纬仪的发展

1730年前后，一个叫西桑的人，制作出最早的有望远镜的经纬仪。他还用泡水平仪取代了铅垂线，制造了有齿边的垂直度盘，使它能用一个齿轮来转动。消色差透镜的发明，使望远镜的长度大大缩短，很容易安装在便携式的仪器上。1787年，拉姆斯登为英国军械署制作了大型经纬仪，增添了显微镜和测微计，从而使近现代经纬仪大体定型。

指南针的由来

作为古代定向仪器的指南针，是中国古代四大发明之一。

在春秋之际，人们对磁现象有了深刻的认识。古人认为：磁石吸铁，有如慈母怀子。所以，在先秦的文献中，“磁石”一般多写为“慈石”。在战国哲学家韩非的著作中，不但有关于磁现象的记载，还有把磁性用于辨别方位的记载。

东汉哲学家王充在《论衡》中说，司南用天然磁石琢成，勺柄指向南极，勺头指向北极。因“司南”需放在平整、光滑的“地盘”上，所以又把它叫做“指南针”、“罗盘针”。不过，指南针早先大多是用于“看风水”这类活动。

知识小链接：指南针的发展

两宋时期，古代罗盘技术发展到了一个新阶段。一方面，形如勺子的司南，已发展成为具有近代形式的指南针。另一方面，对磁学的研究也取得了重要进展。北宋大科学家沈括是古代罗盘技术与磁学知识的集大成者。他在《梦溪笔谈》一书中系统总结了包括缕悬法、水浮法在内的4种不同的指南针制作方法。

气压计的由来

1643年，伽利略的学生托里切利和他的同事维亚尼，将一些水银灌入一根长约0.9米的一端封闭的管子里，用大拇指按住顶端；然后将它倒置，把管口浸入一个装有水银的盘子里。当他松开大拇指时出现了一个有趣的现象：管子里的水银逐渐下降，在水银的顶端，形成了一段长六英寸的真空，为什么会产生这种现象呢？

托里切利解释说，空气的压力向下压盘中的水银，把管内水银托住，直到使水银柱的重量恰好与大气压产生的上托力平衡为止，由水银柱的高度计算出大气压力的大小。这一现象被后人称为“托里切利真空”。据此，他制成了第一个气压计。

后来，帕斯卡在实践中证实了托里切利的结论。他带着托里切利的气压计去爬山，随着高度的上升，水银柱逐渐下降，越向上爬，空气就越稀薄，气压计受到的大气压力就越小。

托里切利和维亚尼，还注意到水银柱的高度每天略有变化。如果在暴风雨来临之前或者天气阴晴不定时，气压就较低。在1649年，气压计为某些国家做系统的气象观察时提供了很多有用资料，并成为不可缺少的重要工具。

知识小链接：第一个非水银气压计

1843年，法国人维迪设计出第一个非水银气压计。它有一个扁平的金属盒，盒内空气自然要完全抽出来。现在家用的，就是这种小巧坚固的无液气压计。