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我們感覺不到地球在太空中飛行,主要是因為我們和地球同處於一個運動系統中,就像你坐在高鐵上,如果你不去看窗外的景色你也感受不到高鐵正在高速行駛。又或者曾經你在座上高鐵時,是否有種錯覺,你不清楚是你身處的高鐵在動,或者是旁邊的高鐵在動!
圖:2005年8月2日,水星信使號宇宙飛船在引力的幫助下掠過地球時,拍下了幾張令人震驚的地球照片。信使號的水星雙成像系統(MDIS)使用廣角相機拍攝了數百張照片,並將其連續排列起來,記錄了信使號離開地球時的景象。
地球每24小時繞地軸自轉一圈,每年繞太陽公轉一圈,而整個太陽系圍繞銀河系以每秒220公裡的速度公轉,銀河系加速向仙女座星系靠近,仙女座星系本身相對於大爆炸留下的輻射移動。然而,對於習慣了在地球上的經歷的人來說,我們根本感覺不到。
圖:如果你在移動的汽車上把你的四肢伸出窗外,當空氣衝過來的時候你會感到一種力量。如果速度加倍,這種力量也會增加。如果你相對於空氣處於靜止狀態,你就不會感受到任何力。
這個力的存在只是因為你的手在外面。從物理角度,是因為手以一個相對的速度運動撞向空氣分子。相反,如果您關閉了車窗,您的手根本不會感到任何力。因為車內的空氣相對於你的身體是靜止的。只有當兩個物體相對運動時,你才能感覺到力。
圖:行星圍繞太陽運行,太陽以不同的運動方向在星系中移動。
當我們在宇宙中運動時,我們沒有傳感器可以用來檢測這個運動的影響,因為因為我們與地球同步加速運動。就像你在關上車窗、平穩行駛的汽車裡感覺不到自己在運動一樣,只要你也與地球相連,你就感覺不到地球在宇宙中移動。這個現象愛因斯坦早在100多年前就已經知道了。他意識到,物體運動的任何變化都似乎是一種加速度,而所有形式的恆定加速度很難與萬有引力區分。
愛因斯坦稱它為等效原理,並且等效原理說明了任何加速參考系的加速度原因都不可能由內部系統的一個物體決定。換句話說,如果你也是地球的一部分,地球在加速,那麼你也會加速,這就是我們將無法感受地球運動的原因。
伽利略從比薩斜塔上扔下來的球是垂直下落的,而不是由於地球自轉而落在後面,因為地球的大氣層是隨著地球的運動而運動的。
圖:一個球在加速火箭中(左)和在地球上(右)軌跡相同(等效原理)
即使你不在地球上,這種現象也會發生。比如在國際空間站上,你肯定具有加速度。因為大地拉著你;太陽和行星拉著你;銀河系和宇宙的其他因素也會對你施加引力,這些力使你加速。但同樣的力也會導致你周圍的所有物體,包括和你在一起的其他太空人,物體,空間站本身產生和你一樣的加速度。你體驗到的其實是「自由落體」,其他物體也是如此。所有的東西相對於環境,並沒有力,因此沒有與環境不存在加速度,也就不存在相對運動。
圖:太空人和水果在國際空間站上
那就沒有什麼力和加速度是可以體現地球運動,跳出地球系統之外的?當然有,而且大部人體驗過,只是它太小了,所以你很難察覺到。雖然人類處於系統之中,不過地球是一個三維球體,而我們每一個個體都是位於它的表面的一個點上。所以相對於地球本身,我們能感受到的一些力與地球感受到的力有些不同。
例如:潮汐力,我們的腳在地面上,比頭更為接近地球的中心,這意味著來自地球的引力對你的腳稍微大一些。這可能還不足以引起我們的注意,但依此我們可以設計一個對引力的微小差異足夠敏感的實驗。第一個這樣的實驗室龐德-雷布卡實驗,它主要是想測試愛因斯坦的引力理論,從而也驗證了地球的運動。
圖:物理學家格蘭·雷布卡,在哈佛大學傑弗遜塔的下端,在著名的龐德-雷貝卡實驗的準備階段,他打電話給龐德教授。
另一個是潮汐對地球的影響。地球自轉,月球拉扯著地球的地殼和它周圍的海洋。當地球旋轉時,來自月球的引力作用在每個點上,導致海洋膨脹。
雖然你作為一個獨立的人,對力的變化不夠敏感,但你可以很容易地感受到潮汐的漲落,雖然地球是繞地軸自轉的,但是潮汐方向並非單一的。
圖:月球對地球施加潮汐力,這不僅引起潮汐漲落,而且不停地使地球自轉減速,結果就是24小時慢慢地就不是地球上的一天了。
最後,地球本身的旋轉也會產生了一種特殊的力,物理學家叫它科裡奧利力,所有物體都能感受到這種力。因為地球是相對於一個固定的位置旋轉的。沿其表面不同緯度上的點會受到一個輕微的力,引起額外的旋轉。
一個物體在北極或南極所受的力最大,這將使它比一個不在地球上的物體多經歷一個360度的旋轉。但兩個不同的半球的旋轉方向相反:北極的旋轉方向是逆時針,而南極的旋轉方向是順時針。對於在赤道的人來說,力降為零,而中緯度的人在一天中只能增加小程度的旋轉。
圖:科氏力對北緯45度旋轉的影響,請注意看兩次同一位置的箭頭。鐘擺要繞地球轉兩圈才能在這個緯度上做一次完整的旋轉。
1851年裡昂·福柯在法國做了一個戲劇性的實驗,他用一根長繩子把一個重物系在法國巴黎萬神殿的天花板上。讓它沿直線運動後,監測它一天的運動過程,發現它不停地擺動。時間一分一秒地過去,鐘擺顯然不是簡單地來回擺動,而是相對於萬神殿發生了旋轉。因此證明了地球本身是在旋轉的,科裡奧利力是真實存在的,而且關於地球旋轉的預言,實際上是源於一個更直接的、更容易觀察到的實驗。
圖:在西班牙馬拉加市的瓦倫西亞城,福柯鐘擺正在運動。隨著它的擺動與地球的旋轉,撞倒了地板上的各種釘子。
作為人類,我們身體上的力傳感器是原始的,只能在極短的時間內工作。想要體驗到地球的旋轉則需要一天的累積效應或者進行遠遠超出我們身體能力的精確測量。
地球的運動是真實的,而你感覺不到它的原因不是因為我們沒有移動,而是因為你的人體相對於地球本身處於恆定的、一致的運動中。如果有什麼東西從地球上對你施加一個不同的力,你會立刻感覺到它。如果是非常微小的力,長期持續的施加在你的身上,慢慢你會習慣。如果你想要讓它顯現,就需要一個比身體的感官更靈敏的儀器。簡而言之,這就是科學的一個重要部分,找到超越感官的方法去探索和了解宇宙。