正是这些人，才让人类前进了一大步丨纪念张首晟教授
高小山说
张首晟，高山书院（GASA）创始校董、美国华裔物理学家、美国斯坦福大学终身教授、美国科学院院士、中科院外籍院士。
高山书院成立之初，张教授给予帮助良多，为“科学复兴”使命的传播做出了杰出的贡献。
四年前的今天，张教授离开我们远赴星辰大海，而他的音容笑貌和对科学的无限热忱，始终长留我们心中。
2017年，在高山的一次科学峰会上，张首晟教授演讲完毕之后，即兴为大家带来了一场别开生面的日食月食科普演讲：几个简单的公式，一枚小小的硬币，带我们窥探宇宙天地的秘密。
以下为现场视频和文字摘录，以作纪念。
张首晟教授（左）与文厨（右）在“文谈”现场
张首晟教授即兴演讲视频
演讲文字摘录如下：
本周有两个重大事件，首先是全球科学创新峰会，然后周一有一场日全食。
我和我家人前往俄勒冈州的塞勒姆观看了日全食，今天我要做一个即兴演讲，谈谈有关日食和月食的科学发现。
在座各位，有谁知道人类是在什么时候测算出地球半径的？人们什么时候知道地球与太阳的距离的？
是在公元前200年到公元前100年之间。
古希腊人通过观察月食和日食的现象，先是测算出了地球半径，之后又知道了地球与太阳之间的距离。这两大发现就发生在短短一百年间。
估算出的地球半径与真实的地球半径数值相差不到10%，虽然计算的太阳与地球的距离没那么准确，但也很不错了。
现在我来给大家详细讲下故事的来龙去脉。这些发现展现了人类不可思议的精神和创新能力以及想象力和猜测的力量。
一座图书馆带来的文明
这些发现都始于一个叫做亚历山大图书馆的地方。
这座图书馆建于亚历山大大帝军事征战期间，他到处征战，到达埃及后，他决定建一座图书馆。他为什么要建一座图书馆呢？
这源于他的老师。
亚历山大大帝有两个老师，一个是他的父亲马其顿国王腓力二世，他的父亲传授他军事才能。征服世界，这是亚历山大大帝的梦想，他后来也确实征服了能够到达的所有地域。
他的另外一个老师是当时最伟大的哲学家亚里士多德，亚里士多德向他传授毕生所学，亚历山大大帝不仅认真学习知识，还把老师的心愿铭记于心。
他每征服一个地方就会建一座城池，当他来到埃及时，他希望在这里按照希腊文明建一座城池。于是他在一个海港建立了亚历山大城，我们今天仍然可以在埃及的地图上看到这个地方。他对手下的一位将军说：“请为我建一座图书馆，这座图书馆用来收集人类智慧和知识。”
但要如何收集呢？
亚历山大城是地中海地区一座重要的港口城市，来往的船只很多，所以他就命人在来往的船只上搜查，不是为了搜查毒品，而是为了搜查书籍。
只要发现一本他们之前从未见过的书，他们就会没收这本书，并把这本书放进图书馆中，之后让抄写员把这本书抄写下来，做成副本。一年后等那艘船又经过这个港口时，他们不仅会物归原主，还会附赠一大笔钱。
慢慢地，消息传开了，人们不再卖大米等货物，而是直接卖书。
所以地中海地区的所有船只不管去哪里，都会寻找一些鲜见的书籍，等到去亚历山大港口时，就把书的抄写本卖给亚历山大图书馆。通过收集各种书的抄写本，亚历山大图书馆收录了那个时期几乎所有的书籍。
纵观人类文明，我们会发现，历史上一些伟大的时刻都是在信息呈爆炸式增加时发生的，这个时候通常伴随着新事物的出现。
当时的亚历山大图书馆就是地球上信息的聚集点，几乎任何书都可以在那里找到。
他们雇了一些有学识的人来管理图书馆，其中有一位卓越的图书馆馆长，名叫埃拉托色尼，管理着亚历山大图书馆的大小事务。他本身也读了很多书。
有一天，他读到一本书中记录了埃及的一个叫做阿斯旺的地方，距离亚历山大城很远。书中写道：“在阿斯旺夏至日这天，正午时分，从井口往下看，发现太阳直射到井底，并且一根直立在地面上的棍子在太阳底下是没有影子的。”
看到这个，埃拉托色尼就想到，在夏至日这天，亚历山大城太阳底下直立的棍子是有影子的，为什么在阿斯旺就没有影子，为什么会出现不同的现象呢？
思考这个问题时，他意识到地球是圆的。受此现象启发，埃拉托色尼想到，他可以通过这种方法测量地球的半径。他是怎么做的呢？
他请求埃及法老给他一个排的士兵，这些士兵受过良好的训练，可以长距离跋涉。埃拉托色尼让这些士兵在亚历山大城和阿斯旺之间行走，通过计算步数，估算他们行走的距离，就可以测量出亚历山大城和阿斯旺之间的距离（高小山注：详细计算过程请看视频06:30处，教授讲得非常简单清晰）。
埃拉托色尼在公元前200年计算出的地球半径与实际值误差在10%左右。
这是今天故事的第一部分。
无知带来的新发现
在讲述地月距离、地日距离之前，我给你们讲一个有趣的事情。这个故事与“复兴”有关，“复兴”到底是什么意思呢？
总的来说，“复兴”是指重新关注古代的知识，比如在西方世界已经遗失的知识，在西方进入中世纪之后遗失的人类智慧，在阿拉伯世界却还保存着并已经与阿拉伯世界融为一体的这些智慧等等。
穆斯林文化在发展过程中，展现出对所有科学知识的浓烈兴趣。在那个时代，战争大多都发生在世界的文化之都，那里集聚了所有的人类智慧，比如西班牙。
阿拉伯人占据西班牙南部安达卢西亚长达700年，之后，人类知识就传到了这个地方，之后又传到了葡萄牙。
在迎来大航海时代后，葡萄牙人当时已经知道了地球的半径以及它是圆的这一事实。但是当时的西班牙国王费迪南和女王伊莎贝拉，一心想着征服整个西班牙半岛。
伊莎贝拉女王是一个狂热的基督教信徒，所以当她夺回西班牙南部领土时，她赶走了所有的穆斯林信徒，穆斯林人带着人类智慧离开了这片土地。
这期间，克里斯托弗·哥伦布出现了，他想航游世界，但说白了就是为了开辟一条通往印度的航路。于是他前往葡萄牙寻求国王的资助。
当时哥伦布知道地球是圆的这一事实，但他并不知道地球半径的具体数值，而葡萄牙人知道地球有多大，按照当时的科技，他们认为，向西行驶无法到达印度。
所以葡萄牙国王拒绝了哥伦布的提议，哥伦布又去找了伊莎贝拉女王。女王对地球大小一无所知，告诉哥伦布说，会赞助他的航海，这就是当时事件发生的大致过程。
有时，无知反倒帮助人们发现新事物。
古希腊人的智慧
月球沿着它的轨道运转，正常情况下，我们可以看到月亮，而当月球进入地球的阴影部分，也就是地球挡住了太阳照向月球的光时，就会出现月食，这时我们就看不到月亮了。之后，只有当月球走过一个地球直径，离开阴影区，月球就会完全出现在人们视线中了。 当时人们不知道月球自转的速度，但假设月球的公转速度V已知。然后我们可以借助别的可计算的量来达到目的。
设地球半径为Re，月球半径Rm。
假设人们观察到了月偏食的时间点为T1，到完全看不到月亮的时候，时间点为T2，当月球再次完全出现在人们的视野中时时间点为T3，人们可以记录这3个时间点。
根据月食出现的过程，我们可以知道，从月偏食开始到月全食，月球走过了一个月球直径的距离；而从月全食开始到完全看到整个月亮，月球走过了一个地球直径的距离，也就是①V（T2-T1）=2Rm；②V（T3-T2）=2Re。 但当时人们并不知道月球公转的速度V，不过这不要紧，将①和②相除，就可以消掉V，而已知T1、T2和T3以及埃拉托色尼估算的地球半径，月球的半径便可以计算出来了。
就这么简单。非常神奇，对吧？ 好，接下来如何计算月球与地球的距离呢？也很简单，只需要一枚（大）硬币。 闭上一只眼，前后移动这枚硬币直到它遮住月亮，月球的半径除以硬币的半径就等于月球与地球的距离除以手臂的长度。测量出硬币的半径，以及硬币刚好遮住月球时手臂的长度，同时月球的半径已知，我们就可以计算出月球与地球之间的距离。 不可思议吧？仅靠观察月食我们就能有这么多发现。 现在人们可能又想知道地球与太阳之间的距离，那么怎么计算呢？有时我们只能看到半个月亮，那具体又是什么时候呢？ 从数学角度，那就是当月球和太阳处于同一水平线，并且月球、太阳和地球的位置形成了一个直角三角形的时候，你看到的就是半个月亮。 在这个直角三角形里，已知的地月距离，只需要测量出月地太阳之间的夹角的度数，就可以利用正切函数测出地球和太阳的距离了。
怎么测量这个夹角呢？这个比较好办，只需要观察月球和太阳的位置就可以了。 当然这个测量并不准确，因为地球与太阳的距离要比地球与月球的距离大得多，这个角度非常接近90度，但事实上只有89度左右，所以在测量这个角度时还是要非常准确。 在计算出地球与太阳的距离之后，最后我们要估算太阳的大小。 太阳系的一个奇迹就是，当出现日全食时，月球几乎完全遮住了太阳。所以在一定程度上它为我们做了一个实验，在日全食的时候，月球、太阳的位置呈一条直线。 虽然毫无道理，但巧的是，地球和太阳的距离与地球和月球的距离之比，等于太阳半径与月球半径之间的比例。如果月球再小一点，你会看到，月球出现在太阳的中心，并不能完全遮住太阳。但现在月球几乎能完全遮住太阳，你可以看到光晕。
在俄勒冈州，我实际上看到了这一现象。
根据这一巧合，在几何学上，我们可以推测出地球和太阳的距离与地球和月球的距离之比，约等于太阳半径与月球半径之间的比率。用这种方法，我们便可以计算出太阳的大小。 好，现在故事讲完了。 这真的是宇宙的一个奇迹。阿姆斯特丹曾说：“我的一小步，人类的一大步。”我认为，正是这些人才让人类前进了一大步。
爱因斯坦和牛顿，谁正确？
人类通过观察月食和日食发现了很多伟大的发现。
1915年，爱因斯坦提出了广义相对论。爱因斯坦提出这一理论之后，还做了一个大胆的预测，他认为地球围绕太阳转是因为所处的是弯曲时空，而不是太阳引力牵引着地球。同样，如果光环绕在太阳周围，那么光会受到折射。
他的预测给人们提供了一个新的观测视角，让人们判断到底是爱因斯坦的理论正确还是牛顿的理论正确。
1917年，普鲁士科学院组织了一次观测太阳的探险。由于太阳光太过刺眼，无法直接观测，只有在日全食的情况下，观测才能进行，于是他们组织前往当年可以观察日全食的俄国。但在火车进入俄国领土后，他们被拦下并被逮捕，关进了监狱。
当时的德意志皇帝威廉二世不得不用俄国打印机交换这些科学家，所以那次探险以失败告终。
1918年一战结束，先进文明的西方国家生灵涂炭。人们也对人类文明和社会丧失信心。
但1918年，在非洲又出现了一次日全食。一位叫做亚瑟·斯坦利·爱丁顿的英国科学家组织了一次非洲太阳观测探险。他在非洲观察到了日全食，并且看到光线有弯曲的现象，他初步判断爱因斯坦是正确的，牛顿的理论是错误的。
虽然在一战中英国和德国是仇敌，但科学家之间却愿意承认对方理论正确，这是对人类精神的一种鼓舞。
好，这就是今天我们要讲的内容。
关于“张首晟奖学金”
为继承和发扬张首晟教授在科学事业上的探索精神，把“科学复兴”的理念传播到更广阔的天地，经与教授家属商议后，高山书院决定从2019年开始，设立“张首晟奖学金”，以此怀念张首晟教授，致敬科学。
同时鼓励热爱科学，积极探索的年轻创业者们用科学的方式看问题，用科学的精神造福世界。
“张首晟奖学金”面向优秀的爱科学的年轻创业者和投资人开放，获奖者将获得全额学费资助参加高山书院正式课程，跟随高山的同学们，一起去全球探索科学的奥秘。
高山书院“2023年张首晟奖学金”申请即将开放，敬请关注。更多详细信息，可微信咨询小高老师（gaoshanshuyuan）。
关于高山书院
高山书院（GASA）是一个以“科学复兴”为愿景，“让科学精神惠及民族”为使命，以“没有受教，求知探索”为理念，以“公心大用，智识生活”为共识，引导企业家、创业者及各界知名人士学习科学，同时向社会传播科学精神和科学知识的学习型组织。（高山书院是一个什么样的地方？）
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