最近看了两大老牌动作影星史泰龙和施瓦辛格联手打造的越狱大片《金蝉脱壳》，主角们除了发达肌肉的全武行之外，激荡的脑力和不时的卖萌成为此片巨大亮点，令人大呼过瘾。

 （图片来自于网络，据说当年的《魂斗罗》俩主角就是以这二位为原型的，这么多年过去他们终于联手战斗了）

不过，作为全剧核心要素之确认监禁地点的情节，却存在着很大不足，作为不吐槽会死星人，在此吐槽几句。其实吐槽不是主要目的，也就是借此介绍一些天文方面的常识，哪位朋友如果那天不幸在野外迷了路，或许可以有所凭借：

【一、如何确定纬度？】

剧中，龙叔搞到个刻度圆盘，抢来狱友的眼镜，做了副“六分仪”，让人去观测北极星与地面的夹角，以确认纬度……

我们首先要问：纬度是什么？如何测量？

从地球纵截面来看，小船在A点的纬度就是从地球的球心到它的连线，与到赤道上一点的夹角（即∠a）

 

测量纬度的原理是这样的：

• 首先，在A点画一条与地球圆面的切线，它延伸到远处，就是A点所看到的地平线。
• 然后，从A点画一条地轴的平行线，它与地平线形成夹角∠b，经过简单的几何推算可得，∠a=∠b
• 第三，我们知道，地球的地轴北极延长线指向北极星。所以，要求某地的纬度，就如电影剧情所示：测量北极星与地平线的夹角。（或者说是测量北极星的高度角）

（有个日本电影《天地明察》，主角安井算哲在御城棋的对局中出手怪异被视为不祥，罚去日本各地测量北极星高度角，也就是测量日本各地的纬度。）

古代的航海家，就是依照这种测量纬度的方法来校正自己的航线：如果他要沿着图中蓝线所示的既定纬线航行，只要每天晚上掏出测量仪器看看北极星的高度角是不是还和昨天一样就可以，如果变高了说明他跑到航线以北，就要往南驶一些。这事儿其实找根圆规都能干：一根规腿瞄准海平面，另一根规腿瞄准北极星，然后量量之间的夹角。当然这种简易工具测量数据很不精准，不过那时候实际所做的也不比这个好到哪儿去，他们所用的道具的名字看起来比较高大上，叫做“星盘”。

如图所示就是中间那位大叔手里拎的货：

 

（图片来自于网络）

一个带有角度刻度的圆盘，中间安装一根可以旋转的指针，用的时候悬挂起来。观测者顺着指针去瞄准一颗星，就能从圆盘读数上查出这颗星的高度角。（这跟现在热衷于星相命理的妹纸们四处请人看自己的什么上升星座月亮星座的“星盘”可完全不是同一个东西哈）

回到电影剧情，貌似龙叔也就是需要这么个东西就够达成目标了吧？那么他所做的六分仪又是什么？（我起初疑心那个“六分仪”是被翻译搞错了，后来上网down个枪版的重看一遍，英文原版也是说的sextant。那就是电影本身的问题了。）

正规点儿的六分仪是这样的：

 

它的主要结构是：一块六分之一圆周的扇形底盘（也就是其得名由来，另有使用八分之一圆周的底盘的就叫八分仪），底盘前面有块镜片，但是被切成两半，一半是透镜，一半是反射镜；中间有一根可以绕着圆心旋转的摇臂，摇臂靠圆心的部分有块反射镜；底盘的后端有个小型望远镜（不一定必须用）。另有遮光片若干，可用于测量太阳时消除其刺眼光芒。

使用时拿着它从后端往前看，让前面那块透镜中显示海平面（或地平线），然后调整摇臂，使星光从圆心处镜片反射到前面那块镜子，再反射到观测者的眼睛里，并且要和旁边的海平面平齐。这时就可以从底盘的边缘读取摇杆的读数，也就是星星的高度角了。（当然，它也可以用来测量别的两个物体间的视角，比如我就用它来测过早晨和中午的太阳视角大小看看究竟是否一样大等）

 

（图片来自于网络）

这玩意儿所到用的几何原理非常精巧（大名鼎鼎的艾萨克·牛顿爵爷设计的），在读数盘上使用了类似游标尺的结构，使得其测量精度可以达到1度角的360分之一，携带轻便，测量简单，成为广大航海家、测绘员、天文学家们喜爱的一件利器。

在电影里，龙叔抢来的眼镜片基本没有反射星光的能力；使用的时候又是在一个低于甲板的坑里趴着，看不到海平面，怎么可能测到高度角呢？

他应该做的，其实就是前面提到的星盘，用那个带刻度的半圆盘，中心系根线挂个重锤指向地面，顺半圆的直径去看北极星，也不需要找地平线，这时重垂线的偏转读数就是高度角。这比做六分仪简单多了（不过从卖萌和装酷角度，效果却会差好多）

 

【二、如何确定南北半球？】

电影里，龙叔看了马桶冲水漩涡的方向就判断出在北半球了，然而……这虽是一个流传很久的说法，但近年来有不少科普贴进行过指正，所谓的地转偏向力或曰科里奥利力让水平运动的物体方向产生偏转，需要长距离或较长时间的积累才有可能。像大气运动，河流洋流，或是张拾迈教授所提出在高铁钢轨上飞跑的火车什么的，跨越很大尺度才能体现出来。

而在家中看到水槽泄水产生漩涡的方向，可能跟下水道管壁花纹方向关系更大；还有时候，水流一开始就是以特定的方向猛冲出来的（比如有些马桶的冲水），也能对漩涡方向起到决定性影响。

国外有人做过实验，在水槽这么小的尺度里，消除了初始速度水管花纹等因素，用了几个星期，偏向力才累积出了漩涡效果。

那龙叔该如何确定北半球呢？其实很简单——在测量纬度的时候，他能看到北极星就肯定是在北半球了，万万没想到这么简单吧哈哈哈（想装酷又露馅了）

这得再次回到天文学，了解一个“恒显圈”的概念。

我们知道地球是在自转的，由此导致太阳星星等看起来都呈现东升西落的运动（这被称作“周日视运动”）

在不同的纬度，延伸到远处的地平线会使得一部分星星的旋转轨迹总是能被看到，这个圈子就被称为“恒显圈”。反之，另一个方向的地平线会遮蔽部分星星，使之总是看不到，这叫“恒隐圈”。

 

在恒显圈里的星星，我们如果能保持24小时的观测，就会看到它们绕着地轴转动一圈。

由于我国地处北半球，而地轴北极的延长线正好指向一颗星星，也就是北极星（其实略偏一点儿）。所以会看到群星围着北极星转。在中国古代这被想象为北极星作为天宫的最高管理者，被部下一群星官围着转的模式，并由此产生“群星皆拱北，无水不朝东”的台词（顺带说一声刘欢大叔当年唱“大河向东流，天上的星星参北斗”的典故就是这儿来的，不过他那的词儿为了押韵，群星不去“参北极”而参了紫微大帝的座驾，真是搞错对象）

现代人有了照相机可以更好地展现这种环绕效果，就是夜晚拍摄星空的常见题材：星轨（顺带吐个槽，我其实很怀疑星轨照片的“常见”是被无知媒体当作“流星雨”来展示的，哈哈）。拍星轨的原理就是把照相机固定住对准北极附近，曝光十几分钟到几小时不等，群星绕着北极星旋转过程中的位置被胶片或CCD记录下来，最后就成为一组同心圆。其中能形成整圆的区域就是恒显圈。

 （图片来自于网络，好像是Steed老湿拍的？）

（图片来自于网络）

由恒显圈的原理图可知，观测者所处的纬度越高，地轴的仰角就越高，如果他来到北极点，北极星在头顶正上方，这时候的恒显圈最大，为整个北天球。但同时整个南天球的星星却都在地平线以下，一个也看不到，恒隐圈也是最大的。

反之，如果来到南极点则相反，能看到整个南天球的星星都不会落下地平线，北天球的星星却一颗也看不到。

如果在赤道上，南北极都贴着地平线，没有哪颗星星是整晚不落的，恒隐圈和恒显圈都为0，但可以有机会看到整个天球的星星。

 

回到电影剧情：如果龙叔使用“六分仪”能看到北极星的高度角，那他肯定在赤道以北（要是在赤道以南，北极星就处于地平线以下的恒隐圈没法看到了）而完全不必去“活学活用”那条错误的水槽漩涡理论。

——古代在南半球航行的船只怎么确定纬度？我还真不清楚，因为地轴南极延长线并不指向某颗星，祈盼航海达人指点。至于近现代则有无线电定位、GPS（以及约炮神器陌陌什么的），定位就不在话下了。

 

顺带纠正一个常见误识，因为北极星的作用很大，所以它的知名度很高，但其本身并不是特别明亮。我遇到不少朋友看到亮星也不管方向位置，就猜是北极星，属于既不知道北极星命名的来历，又误解了它名气大的原因所致。============================================再说一个bug，不过和天文关系不大，是他利用钢材的受热膨胀把地板上的钢钉崩出来那段儿。

想起我以前去香港玩，过海关的时候，那儿有个展出，介绍香港铁路的铺建，其中提到火车的钢轮，外沿要做得比内芯略小，装配的时候加热外沿，使之内孔增大然后套到内芯上。这样它俩就牢牢铐在一起永不分离了。

——如果一个外圈受冷收缩不会把内芯挤出来，那内芯受热膨胀时怎么会跳出来呢？应该是塞得更紧才对。我感觉正确做法应该是：用纸片把反光镜中心的部分帖起来，让反光去照射钢钉周围的板材使之受热后中心孔径扩大，才有利于他拔出钢钉。

带孔径的钢板受热后中间的孔径是增大还是减小，是中学物理的一道经典题目，有个非常直观易懂的美妙证法 ，可惜这里空白的地方太小，写不下 ：）