板块学说能够让孩子熟悉宏观运动

小时候的地球像是一个蹦蹦跳跳调皮的“孩子”，一刻也不肯安静。 这一点在50年前还不被大多数人接受。就拿伟大的爱因斯坦来说吧，他在1955年的时候还不赞同地球的大陆漂移学说。

这样说是有证据的，证据是他在那一年给一本书写了一篇非常生动的前言，而那本书极力反对大陆漂移学说。不过不要奇怪，人们经常会出于尊敬而有意无意地忽略那些伟大人物的缺陷。还有个故事说牛顿养了两只猫，为了方便它们出入，牛顿决定在门上掏洞，聪明的牛顿是怎么做的呢？他掏了一大一小两个洞。我给女儿讲这个事儿的时候，女儿笑得前仰后合的样子至今还历历在目。

爱因斯坦写了前言的那本书的名字是《移动到地壳：解答地球科学中的一些问题》，作者是一位名叫查尔斯·哈普古德的地质学家。这个地质学家在书里嘲笑那些主张大陆漂移的人是容易上当受骗的“一群孩子”。

拼图是一种好玩的游戏，现在可要派上用场了。现在，你打开一幅世界地图，略去海洋，凝视大陆和那些星罗棋布的岛屿，你发现了什么？假如，你把那些大陆和岛屿想像成一块一块的拼图，你会怎么做？

我的做法是通过拼图游戏让孩子了解现今流行的板块学说，通过板块学说让孩子知道宏观运动，通过宏观运动的理解打下今后对于牛顿经典力学的认识基础。要想和孩子生动有趣地做好拼图游戏，家长还需要知道下面这些板块学说发展历史的知识和花絮。

你会不会发现南美洲和非洲可以连在一起？你会不会发现现在的巴西和尼日利亚、加蓬和安哥拉原来是山水相连的邻居？会不会发现美国的迈阿密和非洲的佛得角原先离得不远？

其实，也不怪查尔斯·哈普古德，那个时代很多地质学家都不接受大陆漂移的学说，人们不知道很多事情，今天也是一样。

大陆漂移学说最早是由一个名叫弗兰克·伯斯利·泰勒的美国业余地质学家在1908年提出来的。

泰勒出生于一个富裕家庭，具有足够的财力，又不受学术约束，可以按照不同寻常的办法来从事研究。他突然发现，非洲海岸与对面的南美洲海岸的形状十分相似。根据这个观察结果，他提出了大陆曾经到处“滑动”的见解。他提出——结果证明很有先见之明——几块大陆漂来漂去，撞在一起，形成了世界上的山脉。

不过，泰勒没有继续拿出证据，这个理论被认为不切实际，不值得予以重视。任何一个追求真理的人都要有这样的思想准备：一种正确的理论在其初期阶段常常被当作错误抛弃，或是当作与宗教对立的观点被否定，而一旦被人们接受就又到了另外一个极端——被当作信条来遵守而很难改变。

在大西洋的对面，德国有一位科学家接受了泰勒的观点，他就是阿尔弗雷德·魏格纳。

关于魏格纳还有一段富有传奇色彩的故事。故事说1910年的一天，年轻的德国科学家魏格纳不幸生病躺在了病床上，闲着无聊，目光正好落在对面墙上的一幅世界地图上。“奇怪！大西洋两岸大陆轮廓的凹凸，为什么竟如此吻合？”一下子，他的脑海里再也平静不下来了：非洲大陆和南美洲大陆以前会不会是连在一起的？也就是说它们之间原来并没有大西洋，只是后来因为受到某种力的作用才分离？大陆会不会是漂移的？这一连串的提问对魏格纳今后的生活影响很大。

接下来，魏格纳费了很大劲，从古生物化石、地层构造等方面找到了一些大西洋两岸相同或相吻合的证据。对此，魏格纳作了一个简单的比喻：这就好比一张被撕破的报纸，不仅能把它拼合起来，而且拼合后的印刷文字和行列也恰好吻合。事实上也确实如此，后来人们发现在大西洋的底部有一个巨大的裂口，就像熟透了的石榴裂开的口子一样。

魏格纳考察了许多植物和化石的反常现象，那些现象无法纳入地球历史的标准模型。他认识到，要使用已有的常规方法来加以解释，简直说不通。相同的动物化石不断在海洋两岸出现，而海洋很宽，动物显然是游不过去的，以前，人们习惯用大陆桥的说法来解释这种现象，动物通过大陆桥在大洋两岸穿梭往来，但是，你怎么可以让大陆桥出现在世界上那么多的陆地和岛屿之间呢？魏格纳问自己，有袋动物是怎么从南美洲跑到澳大利亚去的？为什么同样的蜗牛出现在斯堪的纳维亚半岛和新英格兰？怎么说明煤层和其他亚热带残迹会出现在斯匹次俾尔根群岛这样的寒带地区？

魏格纳进一步提出了一种理论：世界上的大陆原先属于一个陆块，他把它们叫做“泛大陆”，植物种群和动物种群原来都杂居在一起，只是到了后来，由于某种原因（我们后面还要提到），这块“泛大陆”才裂成很多块，又经过漫长的岁月，他们漂呀漂呀漂的，才漂到了现在这个位置。为了阐明自己的观点，魏格纳写了一本书，书名就叫《海陆的起源》， 那是1912年。8年后，1920年又出版了修订版。

“任何人观察南大西洋的两侧对岸，一定会被巴西与非洲间海岸线轮廓的相似性所吸引，不仅圣罗克附近巴西海岸的大直角凸起和喀麦障附近非洲海岸线的凹进完全吻合，而且自此以南一带，巴西海岸的每一个突出部分都和非洲海岸的每一个同样形状的海湾相呼应。反之，巴西海岸有一个海湾，非洲方面就有一个相应的突出部分。”这是德国伟大科学家阿尔弗雷德·魏格纳的名著《海陆起源》一书的前言中的话。

随后，认为大陆漂移很快成了人们讨论的话题。人们一直以为，尤其是地质学家，认为大陆是在上下移动而不是左右漂移，这种上下移动，地质学家称之为地壳的“均衡”，这是多少代人地质信念的一个基础，但是，好像谁也不知道它是怎样发生的，或为什么发生。

更早的时候还有一种见解，奥地利人爱德华·休伊斯提出的“云莓干”理论。这个理论认为，随着灼热的地球冷却下来，它皱缩成云莓干的样子，创造了海洋和山脉。这个理论很难解释，如果真是这样一种安排，多少亿年的风化侵蚀将抹平了凸起、填平了坑凹，地球将会像一个皮球那样光滑。无论如何，要是休伊斯的理论真的正确，山脉就会在地球表面上分布得很均匀，海洋也是一样，而实际情况显然不是这样。到了20世纪初，情况变得一清二楚，人们发现有的山脉，比如俄罗斯的乌拉尔山脉，要比别的山脉，比如美国的落基山脉，古老好几亿年。

像很多在科学上做出过惊人贡献的科学家一样，魏格纳没有地质学的背景，而且他的观念也很激进，它不过是一位气象学家，突然跑到地质学家的圈子里指手画脚，这让有些传统的地质学家十分反感。所以，有些地质学家就想方设法要排斥他。为了驳斥魏格纳的证据，解释化石在大洋两岸分布的问题，地质学家开始在几块大陆之间架设“陆桥”。

当发现一种名叫“三趾马”的古马曾经同时生活在法国和美国佛罗里达州的时候，一座陆桥就在大西洋上架起来了。很快，地理学家就在史前海洋的地图上画上了密密麻麻的假想的陆桥。从巴西到非洲，从东南亚到澳大利亚，从澳大利亚到南极洲。只要需要，把一种生物从一个大陆搬到另一个大陆，只需要一刻钟的功夫。当然，这种没有任何根据的想像，真是大错特错， “然而” ， 布莱森说， “在此后的半个世纪里， 它是地质学的正统观念。 ”

其实，早期的世界地图已清楚地表明非洲和南美洲相对海岸线存在“锯齿状拟合”。远在1801年，洪堡及其同时代的著名科学家们已经提出，大西洋两岸的海岸线和岩石都很相似。还是魏格纳首先提出，应该用深海中的大陆坡边缘进行大陆拟合，不过他没有去做这件事情。后来凯里证明，两个大陆的外形在海面以下2000米等深线几乎完全可以拟合在一起。再后来，布拉德等人借助计算机计算， 发现无论用1000米或2000米等深线拟合的结果都差别不大。复原拟合工作证明，各大陆可以通过复原形成一个超级大陆，即魏格纳所命名的 “泛大陆” 。

现在地质学家都会这样告诉你，泛大陆是由冈瓦纳大陆（南极洲、澳大利亚、新西兰和印度）和劳亚大陆（北美和欧亚）组成的复合古大陆。在南京大学地球科学数字博物馆的网站上有一个很有意思的动画，大略描述了泛大陆和之后板块漂移的过程，网址是：http://202.119.49.29/museum/rock/general/lithosphere.htm

我给女儿看了这个网站上的动画，她高兴极了，直到今天，时隔一年以后，她有时候还会让我给她上网，看看那些漂来漂去的大陆和岛屿。

魏格纳是德国气象学家、地球物理学家，1880年11月1日生于柏林，1930年11月在格陵兰考察冰原时遇难。魏格纳去世30年后，板块构造学说席卷全球，泰勒和魏格纳的研泛大陆。花岗岩质大陆像究表明，在人们仍然习惯用流行的理论解释事实时，只有少数杰出的人有勇气打破旧框架提出新理论。

现在，我们终于知道，如今的美洲、非洲、亚洲、欧洲、澳洲以及南极地区，在古生代是一个单一的大陆冰山在海洋中一样漂浮在玄武岩质基底上。由于太阳引力、潮汐力和地球自转离心力的作用。泛大陆在中生代分裂成几大块，最先是美洲和欧洲、非洲分离，中间形成了大西洋，接着澳大利亚、南极洲和亚洲分离，中间形成印度洋。移动大陆的前沿遇到玄武岩质基底的阻挡，便发生挤压和褶皱隆起为山， 而移动过程中脱落下来的大陆 “碎片” ， 便成了岛屿； 印度走得最远， 它一路向北走了2000多公里，一头扎进欧亚板块的下面，顶起了整整一座喜马拉雅山，而且，由于侧向挤压的作用，使得西藏高原向东偏北方向缓慢移动，同时，这也是造成我国华北华南大面积冲击平原的间接原因。整个的漂移过程很缓慢，直到第四纪初期才形成现今地球上海陆分布的轮廓。

当然， 这并不是说地球已经以某种方式被 “固定” 下来了， 恰恰相反，人们相信这样的事实：

1.地球的两极向大陆做相对移动；

2.大陆向地球的两极做相对移动。

可是，地壳裂开之后是什么填补了那个裂隙呢？如果正好你想到了这个问题，那我们就先到地中海去看看，那是一个不太大的海，地质学家相信，大陆要是这样“漂”下去，早晚有一天它就会只剩下一个地名了。

孩子是什么时候知道地球形状的

“地球是圆的吗？”如果你向一个上小学的孩子提出这个问题会有什么样的答案？或者，你也可以这样问：“你是什么时候知道地球形状的？”或者，你可以回想一下孩子第一次听说地球形状的时候是什么反应。

对于地球形状的认识是人类科学进步的一个标志。开始，人们不认为地球是一个球体；后来，人们知道地球是圆的，这曾经引起很大的争议，最终还是被人们接受了；现在，我们知道地球实际上是一个椭圆形的球体，而且并不规则。

孩子再接受这个事实的时候也经历了这么三个阶段。如果你给孩子讲过下面这个故事，那么，孩子再接受这个事实将更为理性。同时，更为重要的是，孩子在接受这个事实的同时，也接受了一些重要的科学思考方法。同样，科学故事有一个非常大的好处，那就是可以使人更好地记住一些科学事实。

1673年，法国天文学家里歇尔发现，在巴黎校正得很准的时钟，在南美卡晏却每昼夜慢2分28秒。里歇尔认为，出现这种情况，是因为地立即将里歇尔开除出巴黎科 球并不是一个理想的球体。法国人大为恼火，立即将里歇尔开除出巴黎科学院， 作为对这一假说的 “奖励” 。

那个时候，英国的科学气氛显然要比法国好得多，牛顿就坚信地球是一个赤道凸起、两极扁下去的椭球体，他的想法与很有名望的物理学家惠更斯的想法不谋而合，惠更斯是英国伦敦皇家学会的第一个外籍会员。

当时在科学界内部，还有另一种观点，认为地球的形状并不是赤道凸起两极扁下去，而是赤道扁下去两极凸出来。

这三种观点的争论在科学界持续了很长时间。为了确定究竟哪一种说法是正确的，法国皇帝派出两支远征队对地球形状进行重新测量。1734年，大地测量学家布格率一支远征队远赴南美；第二年，大地测量学家莫培督领导的另一支远征队进入芬兰北部。两个远征队的测量结果证明牛顿和惠更斯的观点是正确的。

作为在南美大地测量中的一个“副产品”，布格发现，大的山体对小的物体的引力是可以测量出来的，这样，用重力测量的方法来探测地球内部的结构，作为一种新的重要探测手段，进入了科学家的视野。

但是，认识我们的“家园”地球的形状，耗费了人类几千年的时间，调动了人类顶尖级的智慧。从历史的眼光来看，人类终于知道了比自已大2000万倍的大地的形状，这是一件非常了不起的事情。

知道了地球的周长，要算地球的直径，对于现在的人来讲易如反掌。不过，你要是知道地球并不是一个溜溜圆的球体，你就不会苛求几公里的误差了。事实上，地球是一个椭圆形的球体，沿着赤道的直径要大于沿地轴的直径，这是由于地球以地轴为轴心旋转的结果，旋转离心力的作用和太阳的引力使得地球南极到北极的两端被稍稍压扁了一点。

让孩子尝试算算地球有多大

曾经有半个多世纪的时间，人们特别想知道地球的大小。孩子也迟早会向你提出这个问题。这不，在和孩子玩了好几次太阳系的游戏之后，这个问题摆到桌面上来了。好在我已经准备了相关的答案。

“首先，问一个有趣的问题：设想有一群蚂蚁，生活在一个比它们大很多很多——比如，大2000万倍——的巨大的球体上，试问，它们有办法知道它们的球形‘家园’到底有多大吗？ ”

“不知道。”女儿的回答很干脆。

然后，我进一步问：“如果前面所说的这个球体就是大地，而前面所说的蚂蚁就是人类的话， 那么人类是怎样知道大地的大小的呢？ ”

“不知道。”

“比较一下现在所知道的地球的赤道周长（4万公里）和人类的特征身高（1-2米），那么便知道这两个问题还是具有可比性的。实际上，不要说整个大地，就是一座大山，要知道它的大小甚至形状都是很不容易的事情。”

女儿被彻底问住了，脸上露出沮丧的神情。

可以说，如何克服人与大地之间在空间尺度上的巨大反差来认识大地的形状， 如何克服人与大地之间在时间尺度上的巨大反差来认识大地上发生的过程，是地球科学中的两个带有美学意义的壮观问题。

于是，一个故事就可以顺理成章地讲给孩子听了。

“有一位英国数学家非常喜欢这类在常人看来非常壮观的事情，他叫理查德·诺伍德。 ” 我的故事就这样开头了。

“诺伍德这个人很有意思，他在年轻的时候曾经带着一个按照哈雷的式样制作的潜水钟去过百慕大，想要从海里捞点财宝上来，因为有很多船只经过那里就会莫名其妙的沉没，百慕大之谜直到今天也能引起人们无限的遐想。但是，他什么也没捞着。”

百慕大对于孩子来说并不陌生，电视上面经常会有“探索”一类的节目讲述许多探索之谜，我从来不反对孩子看这样的电视，我认为这有利于培养孩子的好奇心，它们是埋藏在孩子心中科学精神的火种，遗憾的是，和充斥在电视等媒体上的大量垃圾节目相比，这类节目不是太多而是太少了。

“在17世纪初，对于航海的船长们来说确定船在海上的位置很难，尤其在像百慕大这样的地方，海洋太大，百慕大太小。那个时候由于缺少精确的航海仪器，即使是一海里的长度人们也往往是说法不一。诺伍德爱好三角学，寻宝失败之后他又想在航海方面试试运气，于是他决定算算地球的大小。 ”

这是我第一次在孩子面前提到三角学。我从女儿的眼神里看出来三角学这个名词并没有引起她的注意，但我并不着急，讲三角学乃至几何学那是后面的事情。

“诺伍德背对着伦敦塔出发了。”我站起来从书架上找了一本世界地图，找到英国部分，想在伦敦的位置上画一个小圆圈。“爸爸，我来。”女儿对这种事一向很踊跃。我把笔交给她，等她画完并用询问的目光看着我的时候，我继续说：“他用了两年的时间，向北走了450根绳子来测量。在这个过程中，他公里直到约克。”

我在地图上找到约克这个地方，这会不用我说，女儿迅速地又画了一个小圆圈在上面。然后，继续看着我。

“一路上他一边走，一边用一充分考虑了地面的起伏、道路的弯曲，一遍一遍地校正、一丝不苟地核对数据。当然，在约克他还有最后一件事，这就是在一年的同一天的同一个时间，在伦敦北面450公里的约克测量太阳的高度。他出发之前，在伦敦，他已经做了第一次测量。他认为，他只要知道一度经线的长度，他就可以知道地球的周长。

“诺伍德的计算非常精确，相差微乎其微——更确切地说相差不到550米。他得出的结论是：一度经线的长度为110.72公里。由此，用一度经线的长度乘以360度， 他得到了地球的周长39859.92公里，这和我们现在说的地球周长4万公里已经相差不多了。 ”

讲这些的时候，地球仪帮了我一个大忙，没有它，很难给孩子讲清楚。

让孩子了解地球大小的故事有很多好处，通过这些故事一方面可以使孩子知道地球很大、太阳系更大，使孩子从小就不要产生妄自尊大的想法，另外一方面也使孩子知道人类在探索自然的时候所表现出来的英勇而又科学的精神。所以，知道地球到底多大，对于孩子来说并不重要，重要的是让孩子清楚自己的准确定位。

实际上，也有些人很早就对地球的大小很感兴趣。

对地球尺度的第一个成功的测量方法，是古希腊的埃拉托色尼（他生活在公元前284年至公元前192年）留下的。他选择了亚历山大里亚城这个城市在 及与亚历山大里亚城处在同一子午线上的另一座城市塞恩——这个城市在现在的阿斯旺附近，做测量。

夏至那天，太阳光直射进塞恩城里的一口枯井，照亮了井底。而同一天在亚历山大里亚城的同一时间，太阳的天顶距是7度12分。这个值是他用一根垂直标杆的影长测得的。这个角度就是两座城市之间的纬度之差，大约等于地球经圈长度的1/50。商队告诉他，这两座城市之间的距离是5000古里。因此埃拉托色尼算得地球的经圈周长约为25万古里，换算成现代的单位，这个值非常接近于地球的实际经圈周长。

埃拉托色尼得到的结果，是一个用极为粗糙的方法得到的结果。而从粗糙到精细正是人类进步的特征。

古希腊时期是西方科学文化的一个高峰。后来，西方的思想观念出现了很大的倒退，到中世纪时，甚至连大地为球形这一概念本身，也受到教廷的质疑。事实上，西方世界直到1522年麦哲伦完成环球航海探险之后，才完全接受球形大地的概念。

后来，也有一些与地球大小有关的问题出现，历史上，包括哥伦布在内的很多探险家挑战大海的动机，其实是为了找到能够从欧洲通往中国和印度的一条海上通道。当强大的穆斯林占领了君士坦丁堡，从而切断了欧洲通往中国和印度的中东陆上通道时，寻找一条海上通道就成为一个迫切的“国家需求”。有趣的是，使哥伦布对自己的探险充满信心的，竟是波希多尼在公元前133年到公元前49年间， 用 “改进的”——也许，应该叫“改退的”——埃拉托色尼方法测得的一个过小的地球周长（18万古里，比实际小1/4）。所以，当1492年10月12日哥伦布船队认为自己已经到达了印度，并把当地的土著居民称为“印第安人”时，他们看到的只是在板块漂移之前和非洲连在一起的南美洲。

错误的地球周长结果也给牛顿带来一些麻烦。由于地球半径的测量结果有问题，所以地球对月球的引力的计算结果也就很成问题。这使得牛顿在发现万有引力定律之后，不得不把他的计算结果搁置了很长时间。当时公认的地球半径，比实际的地球半径小3%，因此月球运动的计算结果就与实际不符。

1669年至1671年，法国天文学家毕卡，领导测量了巴黎和法国另一城市之间的子午线的长度。这次测量的原理与埃拉托色尼方法几近相同，只不过是用恒星代替了太阳。由此而求得的地球半径是6372公里，已经非常接近6371公里的真实结果。在此基础上，牛顿终于得到了关于月球运动与实际相符的结果。