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第一位知道地球大小的人 │ 科學史上的今天:06/22

張瑞棋_96
・2015/06/22 ・999字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

每年的夏至落在 6 月 21 日或 22 日(歐美地區則是 20 日或 21 日),這一天太陽直射北回歸線,北半球的白晝最長、夜晚最短;北回歸線地區的日正當中時,地面幾乎沒有影子。二千二百多年前的一個夏至,古希臘的埃拉托斯塞尼(Eratosthenes, 276 BC-194 BC)因此得知了地球的大小。

埃拉托斯塞尼出生於現今的利比亞,在雅典接受教育。他精通數學、天文學、地理學,還是位詩人;西元前 245 年,他被托勒密國王任命為當時規模最大的亞歷山卓圖書館館長,約莫五年後,他想到了測量地球大小的方法。

首先,埃拉托斯塞尼知道地球是球形;是的,無須等到十六世紀麥哲倫航海證明地球是圓的,早於埃拉托斯塞尼一個世紀的亞里斯多德就根據月蝕時,地球投影在月球上的弧形影子,以及眺望帆船進港時,總是先看見桅杆,接著才出現船體,而推論地球必定是個球體。亞里斯多德還從北方與南方所見的星空並不完全相同,而推論地球與星辰相比,體積並不大。因此埃拉托斯塞尼還可以將照射到地面的陽光視為平行的。

根據文獻記載,位於亞歷山卓南方五千「斯塔德」(stadia,古希臘距離單位)遠的城市塞耶尼(Syene)有一口水井,每年的夏至中午,太陽正好位於水井正上方映照在深處的水面上,太陽就像個塞子均勻地蓋住井口。也就是說,陽光的方向經過水井,直指地球中心。但此時陽光卻會令亞歷山卓的日晷投下影子,因為光線是平行的,所以光線與日晷頂點形成的夾角,會等於日晷到水井這段圓弧對應的圓心角。埃拉托斯塞尼測量影子長度與日晷高度,算出夾角大小等於圓的五十分之一,也就代表亞歷山卓的日晷到塞耶尼的水井這段距離是地球圓周的五十分之一,因此地球周長就等於五千斯塔德乘以五十,等於二十五萬斯塔德。雖然斯塔德在不同地區所定義的長度稍有不同,但學者估計換算成現代長度,與地球實際周長四萬公里誤差最多也不超過 2%。

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埃拉托斯塞尼完全展現了科學思考的力量,將看似無法克服的複雜問題,化約成本質不變的簡潔模型;不用蠻力與特殊工具,也無需深奧的理論與繁複的計算,僅憑現今國中程度的數學就能在兩千多年前算出地球的大小。當然,這背後需要豐富的想像力與抽象思考的能力,而這似乎一直是我國偏重計算能力的數理教育力所未逮之處。

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 962 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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要認清人家長得「圓滾滾」,真的有這麼難?關於地平說的二三事
Mia_96
・2021/04/17 ・4777字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

「地球到底是不是圓的?」這個疑問從過去到現在一直是為人所樂道的話題。

平的地球?圓的地球?

雖然對大部分臺灣人來說,地平說幾乎就是驚世駭俗、毫無基本常識的說法,然而,真實世界中真的有那麼一群瘋狂的人,認為「圓地球是 NASA 的謊言」,甚至呼籲「大家不要被科學家騙了」,並且創立所謂的地平說協會(Flat Earth Society)、盛大舉辦討論地平說的研討會。

地平說支持者們認為地球其實像是一張 CD。圖/Pixabay

對於這些地平說支持者來說,地球究竟長成什麼樣子呢?事實上,有許多地平說支持者都強力主張「地球像是一張 CD」,北極,就是 CD 的中心點,而南極,則圍繞著 CD 外圈的區域。

在科學、科技發展快速的 21 世紀,對於受過義務教育、習得基本科學知識的現代人而言,地球究竟是圓的還是平的,這個問題我們早就有了一定的共識和解答,因此,目前只有極少數人被地平說的論點所折服。

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然而,在古代,人們卻很難想像,我們所身處的地球竟然是一顆圓球!

「如果地球是圓的,為什麼我們不會掉進無盡的宇宙?」、「如果地球是圓的,為什麼人可以站在平面上?」,太多太多問題,都使得地球是圓的這件事情不被眾人所接受。

古代人才不笨!圓地球的種種跡象

但其實,早在古希臘,人們便已經透過許多不同的方式去佐證地球是圓的,而後這個想法便被稱之為「地圓說」。

學者們也漸漸提出許多關於地圓說的相關證據,例如,觀察遠方駛近港口的船,如果地球是平的,人們應該會直接看到整艘船緩緩駛入港口,但在船駛入時,人們卻是先看到船桿,才逐漸看到船體。

有不少古代學者透過觀察生活中的各種跡象,支持並贊同地圓說。圖/Pixabay

當月食發生時,擋住月球的地球影子看起來是圓弧形狀,人們從中推測地球也應該是圓球狀,此外,在各緯度旅行的商隊也發現,當越往北方高緯度走時,北極星的仰角越來越高,且不同緯度看到的星座位置也會發生改變。

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種種證據都讓古代人越來越相信地圓說,並且開始接受其實地球是一顆圓球。而古希臘學者——埃拉托斯特尼,便是利用地圓說為基礎,成功算出地球周長!

兩千年前,人家就算出地球的圓周長啦!

埃拉托斯特尼是一位精通數學、天文、地理等各種面向的古希臘學者,居住在亞歷山卓城。

古希臘學者埃拉托斯特尼。圖/Wikipedia

在亞歷山卓城的南方有一座賽伊尼城,每當夏至(太陽直射北回歸線)時,太陽會剛剛好位在賽伊尼城的上方,而太陽光也會直直地射入賽伊尼城的一口井裡,當埃拉托斯特尼聽說這件事情時,便想到了測量地球周長的方法。

賽伊尼城與台灣在地圖上的相對位置。圖/作者提供

當太陽直射北回歸線當天中午,埃拉托斯特尼在亞歷山卓城立了一根垂直的木棍,根據木棍的影子測量出當天太陽照射亞歷山卓城的角度,他發現,當天正午時刻,太陽並不在亞歷山卓城的正上方,而在稍微偏南一點的天空中,埃拉托斯特尼測得太陽光射到地面的角度與豎立的木棍中間夾了大約 7.2 度的夾角。

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因太陽距離地球很遠、很遠、很遠,我們可以將太陽光視為平行光,當太陽光照射到亞歷山卓城豎立的木棍,並夾了 7.2 度的夾角時,透過推算可以得知,從亞歷山卓城延伸到地心時與賽伊尼城延伸到到地心時的角度同時也夾了 7.2 度的夾角(即數學中內錯角的概念)。

從亞歷山卓城延伸到地心時與賽伊尼城延伸到到地心時的角度同時也夾了 7.2 度的夾角。圖/作者提供

換句話說,即是代表亞歷山卓城與賽伊尼城這段圓弧線所對應的弧長為 7.2 度,這時,只要再知道亞歷山卓城與賽伊尼城兩地的距離,便可以用比值的方式去得出地球真正的圓周長度。

埃拉托斯特尼詢問了往返兩地的駱駝商隊,簡易估算從亞歷山卓城到賽伊尼城的距離約為現今的 800 公里,既然 800 公里的弧長對應到 7.2 度,地球是球體,所以應為 360 度,埃拉托斯特尼便利用了比值的方法算出「地球的總長,應為 4 萬公里左右」。

自此,透過駱駝與影子,埃拉托斯特尼成為了丈量地球周長的第一人,而距今兩千年的埃拉托斯特尼所測出的地球周長,也與現今我們所測得的地球周長十分接近。

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距今兩千年前,埃拉托斯特尼就算出地球的圓周長啦!

中國人「天圓地方」的宇宙觀

西方的地圓說使的埃拉托斯特尼找出地球周長,而在東方,則發展出兩種不同的學說——蓋天說渾天說

蓋天說與渾天說同時認為「天道圓,地道方」,兩者最大的不同在於:

  • 蓋天說:我們所站立的地面是被一個「半球體」所覆蓋。
  • 渾天說:我們所站立的地面是被「一整顆圓球」圍繞。

雖然兩個學說對於天的概念十分相背,但卻同時認為,我們所站立的地面是平的,而並不是一顆球體。

在蓋天說與渾天說的爭論中,最後到底由誰勝出?一直到了唐朝,天文學家僧一行為了修改曆法而進行天文測量時,才成功確立渾天說的地位!

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當時唐朝所使用的曆法顯示,九月某一日應該會發生日食現象,但觀測後的結果卻與當時曆法產生極大的差異,唐玄宗便決定要修正曆法上的誤差,而當時修正曆法的工作,便交給了僧一行等人。

曆法的制定與地球繞著太陽公轉大有相關,以現今時常聽到的 24 節氣為例,就是透過太陽正午時的仰角所訂定出來的,因此,僧一行決定先測量中國各地,當正午時分太陽光照射到地面時,竿影長度的變化,藉由太陽照射角度與影子的變化,推算正確的曆法時間。

僧一行想利用太陽照射角度,去推算正確的曆法時間。圖/Pixabay

中國史上第一次全國大地測量!

首先,僧一行找出數個觀察點,北至蒙古,南至越南,開始測量每一個觀察點在不同日期的正午,太陽照射所產生的「竿影長度」。

古代流傳著「日影一寸,地差千里」的說法,因此當時的中國人大都認為,當兩個地方測量到的竿影長度相差一寸(約為現在的 2.5 公分),則兩地的距離相差為 1000 里(約為現在的 250 公里)。

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然而,隨著僧一行等人不斷測量和計算,他發現,測量數據並不符合「日影一寸,地差千里」的說法,當兩地距離千里時,竿影長度並不一定相差一寸。

地圓說與地平說造成日影丈量的誤差。圖/作者提供

為什麼古代人會流傳著「日影一寸,地差千里」這種錯誤的論點呢?因為當時無論是蓋天說或是渾天說,都認為地球是平的!在天圓地方的宇宙觀中,古代人認為,不同地點會接收到來自不同角度的太陽光,並使得不同地點的竿影長度會隨著距離越遠而變得越長(上圖右方)。

但實際上,造成各地竿影產生差異的關鍵,其實是因為地球本身是一顆自轉軸傾斜的「球體」,在遙遠太陽的直射光之下,才顯得各地太陽照射角度隨著時間而不同,並在各地產生不同長度的竿影!

既然「日影一寸,地差千里」來自地平說的錯誤基礎,當然就不符合與僧一行等人測量出來的資料結果啦!

然而,雖然僧一行等人推翻了過往的說法,卻不知道箇中原因。

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他不僅是和尚,也是一位天文學家

除了駁斥過往的說法,僧一行等人也找出其他的規律!

當時學者們已經具有各地所看到的星空會產生改變的知識基礎,所以僧一行不僅在各地測量了竿影長度,也開始測量各地所看到的「北極星仰角高度」

北極星仰角高度,就是從地面抬頭仰望北極星之角度,如同當今「緯度」的概念,而僧一行好奇的是,各地北極星的高度變化(也就是各地緯度)與兩地距離之間是否有相關。

透過計算,僧一行等人發現,當兩地在同一子午線上間隔約 130 公里時,其北極星高度約相差 1 度,也就是在同一條經線上,當兩點的緯度相差 1 度時,距離約相隔 130 公里註1!僧一行等人透過北極星高度成功算出子午線上的 1 度長!

僧一行算出了經線上緯度相差一度時的長度,也就是緯度改變一度時經度上南北方向的距離變化。圖/Wikipedia

算出經線的長度了,然後呢?

隨著僧一行等人持續進行精密的計算與後續的天文觀測,最終成功為唐朝編制出《大衍曆》,不僅解決曆法上的誤差,更使大衍曆成為後續曆法的重要基礎。

等等!就這樣?他們只測得子午線的 1 度長?

然後,就沒有然後了。僧一行等人只有算出子午線 1 度長,並沒有繼續算出地球圓周長。追根究柢,僧一行等人止步於此的主要原因,最終還是回歸到當時東方人所信奉的是「渾天說」而非「地圓說」。

由於渾天說認為地面是平的,因此僧一行等人雖然算出子午線的 1 度長,但他們受困於根深蒂固的古代東方宇宙觀而無法繼續往下思考,也無法像埃拉托斯特尼一樣得出地球的圓周長。

逐漸擺脫地平說的掌控

到了明朝,雖然中國科學家終於提出了「接近」地圓說的概念,但仍難以擺脫地平說的影響,使得他們提出的概念比較偏向「陸球觀」:只勉強承認大地是圓的,但四周的海洋依舊是平面的圍繞著大地。

換句話說,雖然明朝科學家認定「地表是圓球狀」的結構,但其背後的核心觀念還是較接近地平說的觀點,他們勉強承認大地是球形的,但認為海洋是平面的,海洋佔據宇宙的下半部,而陸地浮在平面的海洋上。

「圓地球」的概念,到了明朝末年才漸漸開始走進中國人的心裡。圖/Pixabay

直到明朝末年,西方傳教士逐漸將西方的地圓說、地圖帶至東方後,「地球」的概念才逐漸被東方所接受,而世界各地的人們,也透過科學家們提出的各種證據開始相信,地球是一顆圓球!

無論是埃拉托斯特尼成功算出地球周長,或是僧一行得出子午線一度的長度,其實科學就是一個不斷演進的過程,科學家不斷在過程中發現、嘗試、犯錯、再發現,跳脫過往不曾懷疑過的觀念,抽絲剝繭並發展出新的知識。

從地表到外太空,再到整個太陽系,人類經歷了多少的努力?圖/Pixabay

對於 21 世紀的我們來說,「地球」只是平凡不已的常識,地球圓周長、經緯度座標系也是教科書上實實在在的數字與基本概念,但現在,我們知道,在這些看似「理所當然」的背後,其實是數百、數千來的嘔心瀝血與跋山涉水。

註解

  1. 今日所得之經線 1 度長約為 111.7km。

參考文獻

  1. 楊榮垓,楊效雷(2018)。一位身披袈裟的科學家:僧一行的故事。
  2. 宋正海. (2012). 傳統地平大地觀. 中華科技史學會學刊, (17), 79-82.
  3. 【大宇宙小故事】01 平的還是圓的 | CASE報科學
Mia_96
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喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師

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麥哲倫的航海夢——繞行地球一週,證實地圓說│環球科學札記 (1)
張之傑_96
・2020/11/18 ・2462字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 535 ・七年級

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  • 作者/張之傑

自序

今年元月間,新冠肺炎傳入台灣。經過SARS,一時風聲鶴唳,在公衛機構的宣導下,上了年紀的人大多宅在家裡。一些例行集會取消了,朋友絕少晤面,連兒孫也不敢來看我們。

在這特殊時期,應該寫點東西才對。首先想到的是,將去年的和平號郵輪環球日記(四月十九日至八月一日)整理出來。思及日記中有許多不足為外人道的私事,還是先做其他事為宜。又想到自短篇科幻小說集《什麼也沒發生》出版,去年一年沒出新書,何不再寫二十篇短篇輯成一本集子。

將要行動時,內人建議應該寫我的強項(科普),可將環球日記中與科學有關的部分摘出,或借題發揮,寫一本別開生面的科普書,連書名也想好了。內人還提出一些題目,如地中海飲食、原始飲食、救難演習等。這倒是個方便法門,環球日記十六萬多字,很多素材可資利用。

於是自元月下旬起,以紀實加上散射出的知識,根據時間軸一路往下寫。第一篇〈麥哲倫環繞地球〉,第二篇〈橫濱開埠的聯想〉,第三篇〈時區和時差〉,第四篇〈暈船和壞血病〉,第五篇〈黑水溝〉,第六篇〈另眼看香港〉……。五月三日殺青,計六十篇,約十萬字,每篇配上幾張圖,將是一本很像樣的小書。

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昨日完工,今天適逢五四。許多人可能忘了,五四是中華民國的文藝節(中國大陸訂為青年節)。我年輕時曾經是文藝青年,在文藝節寫下這篇自序,對我來說有其特殊意義。(民國一○九年五月四日晨於新店南軒)

旅程的起點

2019 年 4 月 20 日,我們搭乘和平號從日本橫濱出航,同年 8 月 1 日回到橫濱,以 103 天繞行地球一週。

如今即便是小學生,也知道地球是圓的。從地球上的任一處,向西、或向東航行,都可以回到原點。可是在地理大發現初期,這還是個有待證實的學說呢。

不論東西,古人都認為大地是平的。

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圖:Pexels

從推論到地球走一遭:地圓說如何被證實?

古希臘時期,學者們開始以科學觀點探討大地的形狀。西元前四世紀,亞里斯多德以三個例證說明大地是圓的。其一,越往北走,北極星越高;越往南走,北極星越低。其二,進港的船隻,先露出桅杆,再露出船身,最後才看得到整艘船。其三,月食時,地球的投影為圓形。

此後,西方學者普遍接受地圓說。然而,直到麥哲倫率領船隊繞行世界一週,才真正證實了地圓說。

麥哲倫環球一週航線圖。(點圖放大)彭範先繪

堅信地圓說,實踐航海夢:麥哲倫的繞地球計畫

麥哲倫(1480-1521)是葡萄牙人,他年輕時,葡萄牙人已取代了阿拉伯人,掌控從印度洋到東方的航路,並在很多地方建立起殖民地。1492 年,哥倫布發現美洲,西班牙成為另一個殖民帝國。

麥哲倫像,作者不詳,作於1848年,馬德里海事博物館藏。圖:Wikipedia

1493 年,教皇雖作出裁決:「雙方以子午線為界,線西歸屬西班牙,線東歸屬葡萄牙。」但葡、西兩國的競逐並未停止。

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麥哲倫曾在東南亞參與殖民戰爭,他意識到香料群島(摩鹿加群島)以東,是一片大海,再往東可能就是美洲。他堅信地圓說,1518 年向西班牙國王提出繞行地球一週的計劃。翌年 8 月 10 日,率領一支由五艘海船,約 270 人組成的船隊出發了。

帆船時代:先有風,才有出海的理由

帆船時代航海,除了逆風,只要調整風帆,可以利用各種方向的風,但先決條件是要有風。

在大洋上,赤道附近及南北緯三十度(馬緯度)屬於低壓帶,不是沒風,就是風力微弱,不利帆船航行。然而,靠近陸地會有季風,譬如鄭和下西洋,都是冬季利用東北季風西去,夏季利用西南季風東歸。

南北半球的低緯度地區,即赤道至南北緯三十度,分別存在著東南信風帶和東北信風帶。它們風向穩定,很講「信用」。

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帆船時代的遠洋航海,主要利用信風,所以又稱貿易風。在南北緯中緯度地區,即南北緯三十度至六十度之間,固定吹西風,稱為盛行西風帶。南北緯六十度至九十度之間,固定吹東風,稱為極地東風帶。這都是帆船時代遠洋航海所必須掌握的。

地球上的季風帶與環流。圖:Wikipedia

麥哲倫從西班牙出發,一路航向西南,到達南美,當時從西歐到南美已是一條熟悉的航道。

再沿著南美海岸線南下,1520 年 10 月間,從南美最南端找到一個出口(麥哲倫海峽),經過二十多天艱苦迂迴的航行,出了海峽眼前頓時呈現出一片風平浪靜、浩瀚無際的海洋。麥哲倫稱之為 Mare Pacificum,意為平靜的海,這是太平洋一名的由來。

地理和航海史上的革命——繞行地球一週

麥哲倫首次橫渡太平洋,在地理學和航海史上是一場革命。

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此舉證明地球表面大部分地區不是陸地而是海洋;世界各地的海洋不是相互隔離,而是一個完整的水域。這為後人的航海事業起到了開路先鋒的作用。

圖:Pexels

此後他們航向西北,經過一百多天,船隊首次抵達有人居住的島嶼(馬里亞那群島)。1521 年 3 月 16 日,船隊來到現今菲律賓的霍蒙洪島。船上的一位馬來籍奴僕,聽出島民說的是馬來方言,由此證明穿越太平洋向西,也可以抵達遠東地區。

1521 年 4 月 27 日,麥哲倫因介入部落戰爭,在菲律賓宿霧的麥克坦島被殺。他的部屬繼承他的遺願,經香料群島,從帝汶橫渡印度洋,繞過好望角北上,1522 年 9 月 6 日回到西班牙,完成繞行地球一週的壯舉。

張之傑_96
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張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。