【知識專欄】旨在邀請ME學院的老師為孩子和家長們講解各領域的知識，科普行業前沿的資訊、行業發展的歷史、現狀和未來；同時，分享與各學科知識相關的內容，或是與ME學院課程有關的內容延伸，旨在拓展孩子的知識面。
ME學院口碑爆棚的物理精品課《無處不在的物理學-機械，運動和能量》上周重新開課啦！
剛開課大家就非常活躍，在群裡提出各種物理問題。其中有個學員問：「地球是自轉的，為什麼我們卻感覺不到它在轉？」
對此，滿教授沒有直接回答，而是反問：「我們看鐘表時，發現秒針轉得很明顯，那分針呢? 再觀察幾分鐘時針，看起來動了沒有? 它們的區別是什麼？你坐在火車上，怎麼知道火車是停了還是在運行呢？如果火車完全勻速前進，你看窗外靠什麼判斷車在動?」等問題，引發學員積極思考。
有學員疑惑：地球自轉與時針分針有什麼關係？
滿教授再次啟發：「仔細想想，為什麼你能感覺秒針在轉，卻感覺不到時針在轉？它們最大的區別是什麼？它們轉動時，你怎麼知道哪個是秒針哪個是時針？
經過引導，學員們意識到與快慢有關係。
（PS：這就是ME學院物理課群的真實互動場景，上述問題的答案會在文末揭曉）
恰巧，滿教授前幾天寫了一篇乾貨滿滿的觀星科普小記。文章既普及了一些天文知識，還回答了學員的問題。快來和滿教授一起看星星~
普林斯頓大學物理系博士
現任美國加州州立大學舊金山分校（SFSU）
物理與天文系終身教授
從事軟凝聚態物理、準晶、光子能隙、無序材料及非線性光學的研究。
在《自然》《美國科學院院刊》《美國物理快報》《自然通訊》等頂級科研期刊發表多篇論文。多次獲得美國自然科學基金委等機構頒發的的科研資金。
好幾年沒去我們學校組織的天文臺露營了。
昨天跑過來，發現星空特別好看。
前半夜，銀河璀璨，後半夜，殘月如鉤。
先發一組手機拍的星空。
（圖1）
（圖2）
圖1、圖2是早上5點多醒來時拍的（其他圖是入睡前拍的）。
圖1中最大最著名的那個星座，人人都認得吧？
我是手動調節曝光15秒拍攝的，所以農曆二十五左右的勾月也被照成了一大團。
（PS：滿月通常在日落的時候升起，而農曆下半月的月亮，每天都比前一天晚40幾分鐘，所以殘月是天快亮時才升起。想知道為什麼嗎？我們的科普課會講到哦。）
（圖3）
（圖4）
圖3中有幾個星座，教大家認一認。
藍色那一團很密的是昴宿星團，又稱「七姊妹星團」，英文名是「Pleiades」，羅馬拼音「Subaru」（因斯巴魯車標而出名）。
其實這一團有好幾十顆恆星，但肉眼只能看見5-7顆。
▲斯巴魯汽車的標誌就是昴宿星團的六連星
在昴宿星團下面一點，是金牛座。它有一個比較顯著的銳角，由昴宿星團和金牛座中間那幾顆星組成，我在圖4中用藍色的點標出來了。
再下面就是最著名的三連星，傳說是獵戶座獵戶的腰帶。我也用藍色的點標出來了，以後大家就認得了吧？
而這個時候，獵戶座還剛剛從東方升起不久。
（圖5）
（圖6）
往頭頂天空更高的位置看（圖5），昴宿星團，金牛座的銳角，仍然清晰可見。
圖6左上角，有一個扭曲的w形狀，是著名的仙后座。仙后座的位置處有璀璨的銀河。
從市裡驅車2小時到達此處的天文臺，遠離城市，手機沒信號，已經是附近最暗的地方，才能看到銀河。可惜手機鏡頭太小，拍不出銀河，能拍到這些星星已經很了不起了。
（圖7）
（圖8）
再換一個方向，仔細看一下仙后座（側立起來的W），它的旁邊是仙女座。我拍到的那一長串仙女座的星星，也在圖8上標出來了，簡直是一模一樣，大家看到了嗎？
從入睡前到早上五六點，星空就變化了很多，因為我們的地球在自轉。
地球沿著貫穿南北極的一個軸進行自轉，地球北極軸線指向的方向有一顆星，不管地球怎麼自轉，這顆星永遠對著地球的北極點，所以，我們把它叫作「北極星」。
我們在北半球總能看見北極星，而且它總是指向北方。北極星與北鬥七星的關係很簡單，找到北鬥七星的大勺子之後，沿著勺子外沿的短邊，延長7倍的距離，就看到了北極星（參考上面的動圖）。我也在圖9裡用紅色的圓圈標識它。
（圖9）
由於地球是沿著北極與北極星之間連線的軸進行旋轉，所以導致我們看到的日月星辰，都是圍繞北極星在逆時針轉圈。
距離北極星近的會圍繞北極星轉小圈，像上圖的小紅圈一樣；遠一點的就圍繞北極星轉大圈。就像北鬥七星也是圍繞北極星逆時針轉圈，所以我們在這個位置看到的北鬥七星的大勺子已經立起來了。開個小玩笑，如果這時勺子裡盛滿粥是會漏出來的。
若干小時以後，北鬥七星會繼續升上去，仿佛整個勺子完全倒扣過來了。當然那時候天已大亮，我們是看不見的。
一天之間，從地球（北半球）看過去，所有恆星都在圍繞北極星用24小時轉一圈，近的轉小圈、遠的轉大圈，包括太陽。行星和月球雖然位置會相對地球有移動，但在一天之內移動得並不多，總體仍然是圍繞北極星轉一圈。
所以，我們每時每刻看到的天空其實都在隨著地球的自轉而變化，只是變得比較慢而已，一時半刻看不出來。如果你盯著月亮和旁邊的建築稍等10分鐘，就能看出來一點點。
下面這張圖10是我在網絡上找到的，照相機長時間曝光拍出來的效果，可以看到，每一顆星星都在圍繞北極星移動了一段圓弧，而轉一圈要花24小時。那麼，這一張照片大概曝光時間是多少呢？大家能猜出來嗎？（文末揭曉）
（圖10）
如果能夠在天空中，劃出一道太陽從日出到日落穿越的軌跡，再劃出月亮的軌跡，還有星辰的軌跡，我們就能夠清楚地發現，地球是在圍繞北極連接北極星的那條軸自轉呢。
地球自轉沿著的軸是貫穿地球北極和南極的軸，這個軸指向一個恆星，所以自轉也是沿著北極和這顆恆星之間的連線為軸進行旋轉，而這顆恆星被起名為「北極星」。在北半球的任何位置看過去，北極星都是指向北方的，並且，它不會因為地球自轉而移動。
（PS：感謝父母給我買的一套《十萬個為什麼》，那時大概不到10歲吧，我讀得特別起勁，其中有一本是天文，都被翻破了。其實天文和物理不分家，天文處處是物理。）
——滿威寧，2018年11月2日
揭曉答案
Q：圖10拍攝的照片曝光時間是多少呢？
滿教授：大約是曝光3個小時拍的。每顆星星留下的痕跡大約佔整個圓周的1/8，所以是24小時的1/8。你猜對了嗎？
Q：你坐在火車上，怎麼知道火車是停了還是在運行呢？為什麼地球一直自轉，我們卻感覺不到？
滿教授：我們第一節課的視頻裡講過，火車內的物體包括我們自己，如果火車加速/減速/轉彎/左右搖晃時，由於慣性，我們不能完全跟上火車的加速/減速/搖擺，所以相對於火車本身，我們能感覺到搖晃和車座的推力等。
但如果火車完全不加速、不減速、不搖晃地保持前進的話，車廂內的物體整體都在一起運動，所以我們感覺不到力和搖晃，只有通過看窗外，才知道車廂在動。
火車向前走的時候，窗外的東西在車裡看起來向後退。
同理，我們在自轉的地球上，就好像在一個速度均勻，也不搖晃的火車上，周圍的房子、樹木，所有的一切都用同樣的速度在自轉，看地球上（的物體），包括看雲層都是看不出來的。要往「窗外」看，也就是看天空上的東西，才能夠看出來，地球在轉。
那麼我們往天上看的時候，像在火車上那樣，看見周圍的景物倒退了嗎？
冷不丁一看，你可能覺得沒有，就好像我們去看一個鍾，看起來秒針走得很快，時針卻紋絲不動。
實際上時針在走，只是很慢，12個小時才能轉一圈。你盯著它看三五分鐘幾乎看不出來什麼。
而我們的地球轉得更慢了，24小時才會轉一圈呢。
地球在轉的時候，我們往天外看，發現周圍的天體（包括太陽、亮、星星）從東向西轉動，實際上是地球正在從西向東轉的結果。
雖然轉得非常緩慢，但是如果你仔細觀察也能看見哦。比如說早晨看下太陽，中午再看時發現太陽已經升得很高了，就是因為你所在的位置已經轉到了正對著太陽的方向。（為了保護眼睛，任何時候我們都不能直接盯著太陽看，黯淡的夕陽除外）
如果你去山上或海邊看日出或日落，你會發現大約幾分鐘後，太陽就整個升出或落入地平線。你也可以觀察一下月亮和周圍的建築，大約幾分鐘後你會發現，月亮跟周圍的建築比起來，升高了一點點。
這就是地球，緩慢，自轉的結果。
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*本文為滿威寧教授原創，未經允許不得轉載
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