如果地球换个模样，那会如何？

出生于昔兰尼（Cirene）的埃拉托斯特尼（Eratostene）是一名古代科学家，生活在2200年前的埃及亚历山大。他是地理学的创始人，同时也是数学、几何学、史学以及天文学的一位先驱。这位人物是一名全才，以致不怀好意的人给他起绰号叫“贝塔”[1]，也就是第二的意思，因为他的兴趣太广，阻碍了他在任何一个领域内夺得头筹。但这个绰号并没有妨碍他成为人类知识总汇——亚历山大图书馆的馆长。在他的管理下，亚历山大图书馆里的图书显著增加，而且托勒密三世为摘抄或收藏图书颁布了法令，搜查所有进入亚历山大的船只和马车。但我们记住埃拉托斯特尼的主要原因是，他是第一个通过简单实验证明了地球形状的人。他听说在塞伊尼，即现在的阿斯旺，太阳的影子会在夏至那天倒映在井底，这意味着太阳光完全垂直于地面。于是埃拉托斯特尼决定在亚历山大做个实验。夏至那天，他将日晷指针——一根普普通通的棍子放在地上，测量其影长。他惊讶地发现晷针的影子与其本身形成了一个7度角，约等于一个圆周的1/50。除非地球是球状的，否则不会出现这种情况。假设亚历山大和塞伊尼两座城市中，一座正好位于另一座的北部，那么地球周长就应该等于两地距离的50倍。那个时代没有里程表，人们测量距离要请专人统计自己的步数，这些人叫测距人。通过糅合不同测距人的测量结果，并借鉴其他人的数据，埃拉托斯特尼计算出埃及亚历山大与塞伊尼之间的距离是5000斯塔德，那么地球周长就是250 000斯塔德。1斯塔德相当于176米，所以地球周长为44 100千米，这一数据只比实际高10%。虽然古希腊人早在几世纪前就猜想地球是球体，但埃拉托斯特尼是第一个用实验证实该猜想，并估算出地球周长的人。

可惜，地球根本就不是球体。虽然在很多情况下确实需要把它看作一个完美球体，比如埃拉托斯特尼测周长时，但其实它与球体还有很大差异。更准确地说，应该把地球看作一个椭球，也就是被压得有点儿扁的球。因为地球有一部分是**，所以自转过程中会受到轻微的挤压，导致赤道部分隆起，就像填了料的比萨。地球赤道直径与两极直径相差43千米，这点儿差距同地球的平均直径12 742千米相比似乎微不足道，但它却导致了赤道和两极的重力相差1%。也就是说，一个体重100千克的人分别在极点和赤道上称体重，结果会相差1千克。

但很可惜，用椭球来形容地球也不够准确。地球上的物质并不是均匀分布的，你们想想巍峨、高耸的喜马拉雅山脉，再想想那些深不见底的海沟，就能理解了。密度越大的地方，受到的地心引力就越大，而这会反映在某些事物上，比如海平面：地心引力越大的地方，锁住的海水质量就越大。海水通常会稳定在一个重力处处相等的“平”面（专业术语为“重力等位面”），因此，在“椭球体”以外，还衍生出了“大地体”的概念（大地水准面）。大地体是一个不规则固体，其形状反映出地球上不同位置所受地心引力的大小差异。大地体和椭球体看起来是同一个概念，但二者区别大着呢：冰岛附近的大地水准面比参考椭球面高85米，而在印度南部，大地水准面却比参考椭球面低106米。这一差异对使用GPS卫星导航的人影响很大。大地水准面模型会定期更新，包括智能手机在内的所有具备导航功能的设备都配有校正表，从而精确算出我们所处位置的海拔高度。

如果这些内容看起来还不是很复杂，那我们来看看有意思的：假如地球不是椭球状，而是一个更奇怪的形状，那会发生什么？游戏规则是：我们的幻想仅限于地球形状，而现有的物理定律保持不变。我们要研究的第一个有趣的假设是，如果地球是一块扁平的圆盘，那会如何？最近几年这个想法又流行起来，“多亏”了社交网络的传播、人们对科教的“不信任”，以及某些“了不起”的大型团体的出现。这么多人在这么开放的环境中讨论“圆盘地球”，在历史上是前所未有的，甚至包括中世纪。19世纪，人们声称中世纪的人都是“地平论”者，但那是为了抬高启蒙运动而贬低前人。

好了，欢迎来到“圆盘地球”，一个圆盘状、直径20 000千米、厚度约3500千米的星球。“圆盘地球”和球状地球，即真实地球的质量一样大，虽然它实际上更像一枚胖嘟嘟的硬币，而不是圆盘。站在“圆盘地球”的中心，我们会注意到的第一件事是：这里的地心引力比想象中小一点儿，大约是真实引力的2/3。这里的一切都不正常。随着我们慢慢走向边缘，身后的圆盘对我们的吸引力会增大，并将我们拽回去，也就是拽回圆盘中心。我们越靠近边缘，身后的引力也随之增加：感觉像走在一条越来越陡的坡路上。幸运的是，我们行走时受到的合力在减小，人也变得越来越轻。当我们终于到达边缘时，地心引力的方向就完全朝向圆盘中心了：所以别指望圆盘边缘有什么大瀑布。要跨越“圆盘地球”的边缘，必须像攀岩似的爬上一层很高的干燥地面，到了那儿就能站起来了，只不过在那里走路就像是走在一枚硬币的边缘上。这里的引力给人的总体感觉是，“圆盘地球”更像一个碗，而不是圆盘。真是让人抓狂啊：从每个角度看地球都是平的，但越靠近边缘，路却越陡。水和气体能够自由流动，这意味着它们会朝引力势能更小的地方，即“低处”流动。于是乎，“圆盘地球”上的所有水都汇聚到圆盘中心，形成纵横千里的汪洋大海，这片大海的深度远远超过真实地球上的海洋深度。大气在海的上空盘旋，覆盖约200千米宽的空间。圆盘上剩下的区域是绵延数千千米的层层山峦，而山峰则位于星际真空之中。随着时间流转，经过海水侵蚀、洪水冲刷和山体滑坡，“圆盘地球”的构成物质将全部聚集到圆盘中心。由山脉构成的圆盘边缘被完全腐蚀后，一切便会达到平衡，然后圆盘就会变成……一个球！唯一能让“圆盘地球”保持原本形状的方法是，像烤比萨一样让它绕自己的中轴线快速旋转，这样它就能保持圆盘形状了。可惜岩石的可塑性远比不上做比萨的面团，所以，“圆盘地球”会在一瞬间瓦解，只剩下一堆石头和粉末。就算它奇迹般地保持完整，快速旋转产生的离心力也会把圆盘上不牢固的东西全部甩出去。

更奇怪的地方是圆盘的引力场。如果圆盘厚度缩减200千米——比如当组成“圆盘地球”的物质是密度很大的金属，如钨和锇时，那么圆盘上的引力作用会变得更加难以理解。引力方向还是指向中心，所以**和气体都将汇聚在那儿，并且越靠近边缘地面越陡。但地心引力不会减小，反而会增大。在这个极薄的“圆盘地球”上，中心位置的引力要比实际地球中心的引力小20%，但边缘区域的引力却几乎翻倍，比实际引力大60%。

到现在为止，我们假设的“圆盘地球”是一个特别坚硬、冰冷的天体，但如果变换一下它的内部结构，比如说，假设它的核心是**，那么情况将更加糟糕。由于自身引力作用，**核心会呈球状，而这会使圆盘发生不可逆转的变形。可怕的地震将会随之而来，同时，圆盘上的层层山峦也会坍塌，整个圆盘会像成熟的西瓜一样裂开，释放出来的能量足以熔化全部岩石。等一切平息下来后，什么圆盘都没了，只剩下一个美丽的熔岩球，被一圈气体包围着。大自然总是在势能最低时达到平衡状态，而在地心引力作用下能够保持这种平衡状态的形状，正是球体。

但从天文学的角度来看，“圆盘地球”与真实地球就没多大区别了：观察任何一个有质量的天体，在距离足够远的情况下，我们都感觉其构成物质全部集中在重心（baricentro）。因此，卫星（天然和人造）会继续绕其质心（centro di massa）运转。如此看来，只要站在20 000千米以外，我们就看不出“圆盘地球”和真实地球的区别了。由于整个“圆盘地球”都会被太阳一直照亮，所以没有必要划分时区。要想既有白天也有黑夜，就得让圆盘绕直径翻转，而不是绕中心点旋转。或者，想象有个小“太阳”围绕“圆盘地球”转动，可这样的话，我们又回到地心说了。至于季节和气候如何变化，就看我们在太阳与圆盘的相对位置上能发挥出多大想象力了。不过在这方面，我们很难超越特里·普拉切特（Terry Pratchett）以及他创作的一系列关于圆盘状地球的奇幻小说[2]。

另一个有意思的地球形状是“正方体地球”，它比“圆盘地球”的可能性更大一些。从名字便可看出，这个地球呈正方体，有6个平面，边长是10 270千米，质量和真实地球一样。“正方体地球”上的引力作用没有“圆盘地球”上的那么奇怪，并且很幸运，它不会因为一场洪水就毁灭。因为在这个星球上影响最大的力同样也是地心引力，所以它的每个面就像一个独立的“圆盘地球”。每个面的中心位置受到的引力最大，引力方向朝着正方体中心。在每一个面上，越靠近边缘，地面就变得越陡峭，尽管没有“圆盘地球”上的情况那么夸张。**和气体汇聚到每个面的中心，而正方体的8个顶点处则是高耸的山峰，这些山有数千千米之高，屹立于太空之中。正方体的12条棱是长长的山脉，连接着这些山峰。要从一个面转移到另一个面是不可能的，因为必须爬上正方体的棱，也就是那些山脉，并站立于其中一座山峰之上，但早在爬上山顶之前，我们就已经出了大气层。“正方体地球”的每个面上最终会各自形成独特的生物圈。能移动到其他面上去的只有非常高级的物种，它们要么能跨越星球，要么能在地幔中挖通隧道。不同于“圆盘地球”，“正方体地球”上存在日夜更替和季节交替。这不难想象：只需要把它想成真实的地球，那么每个面上都会形成各具特色的生物圈，因为各个面与太阳光线之间的平均夹角不等。很可能会这样：有两个面气候极端，两个面气候温和，还有两个面上形成沙漠气候。虽然这些差异也许不会特别明显，但是因为每个面上都有海拔相差巨大的地方，所以最终可能每个面上都会出现所有生物群落。但无论如何，几十亿年之后“正方体地球”也会因为岩石腐蚀、变形而逐渐变成球体，这是不可避免的。

最后值得一提的形状是“甜甜圈地球”。令人难以置信的是，甜甜圈形状的地球（数学家称之为“环形地球”）居然真的有可能存在。实际上，只要自转速度够快，“甜甜圈地球”就有可能存在。唯一的缺点是，高速旋转达到的平衡状态并不稳定，就像一只立起来的铅笔：只要受到一丁点儿扰动，铅笔就立不住了，会向另一个更稳定的平衡状态转化，比如水平放置状态。一旦某处质量增加，或地壳结构发生变化，“甜甜圈地球”就如同喝醉了一般，像陀螺一样摇晃起来，然后崩塌。如果它奇迹般地保持了稳定，没有崩塌，那我们将会发现许多有趣的事情。

“甜甜圈地球”是一颗环状行星，质量与真实地球相等。为了保持形状不变，它要在2小时50分钟内完成自转。“甜甜圈地球”的内赤道距圆心1300千米，外赤道距圆心10 600千米。它的切面像是受到了挤压：高4000千米，是宽度的一半。它有两条赤道，一条内赤道，一条外赤道，有两个极点，但这两个极点并不是真的点，而是距离赤道平面最远的两个圈。这里的引力作用十分怪异：两赤道附近地区的物体所受引力大约是真实地球上的1/3，而“极点”处为2/3，也就是赤道处的2倍。比引力更奇怪的是这里的气候。外赤道和两个极点同真实地球上的赤道、极点大体上没有区别，但内赤道上人们看到的天空其实是一个巨大的拱，即“甜甜圈地球”本身，因此在一年中的某段时期，太阳可能会被遮挡住，这与其赤道面和公转轨道面的夹角度数也有关系。如果该夹角为零度，那么内赤道上永远也没有阳光照射，将永远处于冬季，被大面积冰川覆盖；与之相反，外赤道将会是一片荒野，所以大部分生物应该会居住在两极地区。而如果该角和真实的黄赤交角一样，即23度左右，那么两极地区的冬季和夏季将分别持续6个月，并且在冬季时，“甜甜圈地球”上的某些地方一天会出现两次日出和日落。夜晚一定美极了，因为欣赏天空时，内环的某一部分会被太阳照亮而闪闪发光，就像有几千个满月挂在天空上。至于气象嘛，“甜甜圈地球”转得太快了，将会引发更强烈的气候事件，特别是热带气旋（cicloni tropicali）。在“甜甜圈地球”上看到的云朵更宽大，赤道附近的大气层也更厚。不过，最令人惊叹的要数绕其转动的天然卫星。“甜甜圈地球”周围的一些天体也能绕普通的圆形轨道稳定转动——就像“球形地球”“立方体地球”和“圆盘地球”周围的天体一样——只要这些天体离它足够远。但是，也有可能一些天体正好从它中间的洞里穿过，即上-下型轨道，甚至还可能出现“8”字形轨道。这样一个星球确实值得去看看，只要你们不怕头晕。

[1] 希腊字母中第二个字母β。

[2] 即英国奇幻小说《碟形世界》系列。