宇宙的结构物质/做中学问不倒

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但是，它在转动！ 两个世界体系 西哈诺·德·贝热拉克1657年出版的小说《另一个世界：月球之旅》中 有个人物说“我们看到日升日落，怎能认为太阳是静止的？我们感受到脚下 坚实的大地，怎能想象地球在快速自转？”的确，日常经验不能“证明”地 球相对于太阳和星星运动，反之亦然。所以，人们直到16世纪才开始认真考 虑地球的运动就不足为奇了。 方特奈尔在《多元世界》(1686年)里这样解释：“一个叫哥白尼的德国 人抹杀了古人想象的不同世界和坚实苍穹。他摧毁了一个，分解了另一个。 顶着天文学家的头衔，他把地球远远扔出了它过去所处的世界中心，而把太 阳放到了中心位置，太阳完全配得上这个荣誉。行星不再是绕着地球转动… …现在，包括地球在内的所有行星都围绕着太阳转动。” 我们知道，17世纪初有两个“世界体系”：古希腊天文学家托勒密创立 的地心说和新出现的哥白尼创立、开普勒修正的日心说。两者应如何取舍？ 真正的“世界体系”又是什么？谁能推翻我们每天看到的太阳运动，让我们 相信地球在自转的同时围绕太阳公转，且这两种运动联系密切？ 在伽利略的时代，没有任何客观原因可以在两者中做出选择。伽利略在 《关于两大世界体系的对话》(1632年)中一一反驳了地心说者提出的证据， 并指出地球在运动并非不可能。例如，地心说者提出，如果地球在转动，那 么把一块石头扔到空中，再落下时应该落在抛出点的西面，因为石头在空中 的时候地球也在运动。而且这个距离差应该比较大，因为赤道上的一点在10 秒内可以移动5千米。如果地球在自转，赤道上的一点在24小时内会转动相 当于地球周长的距离：2×∏×6378千米。10秒移动的距离是这个数值除以 24×60×6。为了反驳这个观点，伽利略举了行进中的船的例子：在船的桅 杆上扔下一块石头，它将会落到桅杆下，而不会落到船后面去。这一点无可 反驳，但还是有一些人做了一些危险的实验来证明：垂直树立一门大炮，发 射一颗圆球，看它到底是否会落到炮筒里！ 伽利略也只能以此类推，而不能证明地球在转动：我们可以看到木星的 卫星绕其转动，但这不能证明地球也在绕着太阳转动。另外，伽利略自己也 没有说过在封闭的船舱里做的实验不能证明是船在动而不是海在动吧？ 在这点上，现代物理学肯定了他的看法。在某个相对另一个参照物匀速 直线运动的参照物上(就是说：我们在一个直线运动的参照物上，并且它以 恒定的速度相对另一个参照物运动)，没有任何实验可以证明这个参照物在 运动。大家都会同意上面的物理学说法：当我坐在月台边的火车上时，怎样 辨别是我坐的车开了，还是旁边轨道上的车开了？ “你看到地球在转动了吗？” 但是地球并不是直线运功，它在自转，而且绕着太阳公转。这导致很大 的不同。虽然匀速直线运动的参照物之间分辨不出哪一个在运动，但是加速 运动，尤其是转动是不同的。地球自转还是引起了一些我们可以用实验证明 的结果。有一个结果很难证实：自由落体运动会向东偏移一些；另一个现象 要更精彩一些：福柯钟摆。 先来讨论自由落体运动的偏移。像牛顿那样想象一下，一块石头从塔顶 落下。由于塔顶的地球自转速度比塔脚下快(因为塔顶离地心更远些)(见下 图)，因此石头将会落到塔偏东一些。会偏离多少呢？这个计算并不简单， 还得要考虑空气阻力，当然这个值非常微小：下落30米会有4毫米的偏离。 这个实验做了很多次都没成功，直到1831年在一个高达158米的矿井做实验 才得到了最终数据。 地球自转的影响不大？对于福柯钟摆来说，可就是另一回事了。我们来 回忆一下这个实验。1851年，在巴黎先贤祠的穹顶上，一根67米长的绳子吊 着一个28千克重的球摆动。摆幅是6米，持续16秒。钟摆第一次摆动回来时 很奇怪，钢球回到了出发点左边好几毫米的地方。第二个来回，又产生了偏 差：每次摇摆时，钟摆都会有偏差，而且摆动面在转动。 只有两种可能可以解释这些奇妙的现象：不是钟摆在转动，就是地球在 转动。我们不明白钟摆为什么会转动，而且总是向左。所以结论是地球在转 动，而摆动面是固定的。相对于什么固定呢？福柯总结说是相对于远方的星 星。如何理解这种现象？想象我们把钟摆吊在北极。使钟摆摆动，让经过巴 黎的子午线处在摆动面上。从远方的星星上看过来，摆动一个来回后，钟摆 又回到了出发点。但是地球在逆时针转动，我们身处地球，所以看到钟摆回 了到出发点的左边。为了便于演示，我们想象一次摆动持续6分钟——1小时 的1／10：在这段时间内，地球会转动1／24周的1／10，也就是1.5°，我们 将会看到钟摆也发生了同样的变化(见上图)。 因此，一个身处匀速运动的火车上的物理学家在拉上窗帘的情况下无法 设计出任何实验证明自己在运动。但是，如果他在一根很长的绳子上吊一个 球，他就能知道火车在运动，即使这种运动很慢，身体都感觉不到。 P30-32