第三部分「太空中真的是無重力嗎？萬有引力貫穿宇宙空間」
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理解了人類渺小不足以察覺地球自轉、並討論了證明地球自轉的直接實驗證據後，我們來討論一個稍為離題的問題：為何太空裡「好像沒有重力」呢？這概念大概是被科幻電影、小說等大眾文化所灌輸的吧！在這一節，我希望直接指出這是個錯得非常離譜的概念。
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首先，我們必須討論一下物理學裡的重力概念。關於「物件為何會往下掉落」這個問題，早於古希臘時期已經有過很多理論，其中最著名的莫過於前兩部分裡介紹的「對宇宙之間的物質作二分法」的例子：天上物質會環繞地球轉動、地上物質會向地球中心墜落。這個理論並沒有解釋為什麼宇宙裡會有兩種不同特性的物質，也沒有解釋到底是什麼力量驅使天上物質的圓周運動以及地上物質的下墜傾向。
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直至哥白尼（Nicolaus Copernicus）過世的1543年，他出版了《天體運行論》（On the Revolutions of the Heavenly Spheres）重新提倡日心說，即亞里斯塔克斯提出日心說的差不多1,800年後。不過，哥白尼的日心說其實並不比托勒密（Claudius Ptolemy）在公元2世紀出版的《至大論》（Almagest）裡描述的地心說更準確。
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事實上，兩者解釋天文數據的能力相當，複雜程度亦相差不遠。這是因為哥白尼的日心模型依然認為天體環繞太陽的軌道必然為正圓形，所以他仍必須使用一大堆複雜的、假想出來的數學規則，才能以與地心模型相同的準確程度去描述天體運行的觀測數據。
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即使到了17世紀初，科學界仍未普遍接受日心說。不過進步是有的。繼承第谷（Tycho Brahe）成為丹麥皇家天文學家的克卜勒（Johannes Kepler）發表了他的三大行星運動定律、發現行星軌道形狀是楕圓形。
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然而，克卜勒第一定律指出，太陽應該位於行星的楕圓形軌道的兩個焦點的其中之一，但這並不正確。事實上，行星並非環繞太陽運動，而是環繞整個太陽系的質心（centre of mass）運動。所以嚴格來說，地心說和日心說都不正確。而且克卜勒亦沒有到解釋行星環繞太陽運行背後的原因。
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「天上的物質vs.地上的物質」這二分法，最後被牛頓（Isaac Newton）所推翻。他提出的萬有引力定律（引力也可稱為重力），不單指出了所有物質之間都會相互吸引，更解釋了這種吸引力的來源就是物件的質量。因此，不論是地上的或天上的物質，所有擁有質量的東西都會互相吸引。
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把牛頓的萬有引力定律和運動定律結合，就會自然地得出克卜勒行星運動定律。因此，牛頓不單發現了重力的解釋，更一舉統一了宇宙間的物理學。「最基本的大自然定律應該是全宇宙適用的」更成為了現代科學研究的一個重要指標。
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跟據萬有引力定律，兩個物體之間的重力與兩者質量的乘積成正比，並與兩者質心之間的距離的平方成反比。換言之，質量越大，重力越強；相隔距離越遠，則重力越小。重要的是重力只會在無限遠時歸零。
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因此，在太空中，尤其是在距離地球很近的太空站或太空船軌道，地球施加在物體身上的重力根本不是零。再者，如果太空中沒有重力，那麼太陽如何吸引八大行星繞其運動？地球又怎能吸引月球環繞我們轉動？所以「太空中無重力」是對力學非常離譜的誤解。
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萬有引力（即重力）從地球、太陽、月球，以及所有天體表面貫穿宇宙空間，因此可說重力在宇宙中無處不在。可是回到最初的問題，為何太空人在太空船、太空站又會漂浮著，就好像沒有重力的樣子？
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牛頓在1687年出版了《自然哲學的數學原理》（Mathematical Principles of Natural Philosophy），裡面描述了一個思想實驗：想像有一個能夠以任何力度發射炮彈的炮台。如果力度很小，那麼炮彈會以拋物線在不遠處落在地面上。如果加強力度，炮彈就能夠飛得遠一些。因此把發射力度逐漸加強，炮彈就能飛得越來越遠才落在地面上。
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我們也知道地球表面是彎曲的，因此如果炮台發射炮彈的力度很強，那麼發射出去的炮彈就會飛越一段很長的距離才下降少許。然而，因為地球表面是彎曲的，炮彈下降同時地面亦會向下彎曲。所以，如果發射力度足夠大的話，炮彈的下降率就能夠「追上」地面下降率，結果就是炮彈永遠不會碰到地面（假設忽略空氣阻力），環繞地球一圈後從炮台後方擊中自己。
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[思想實驗（Gedankenexperiment）指只在腦海中進行的實驗，並不一定有在現實中進行過。當然，思想實驗並不是真的實驗，並不能夠用來作為科學理論的證據。不過很多物理學家都愛用思想實驗去幫助他們跟據已知物理定律想像未知的結果。有時候，透過改變思想實驗的參數而得出不同的想像結果，能使我們對物理概念有更深入的了解。]
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正在環繞地球運行的人造衛星、太空望遠鏡、國際太空站，以及地球的天然衛星月球，都是上述那顆炮彈。他們其實一直都在萬有引力的控制之下，不斷地「跌落」地球，只是由於速率非常快，所以就永遠跌不到落地面、只能環繞地球運行了。
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國際太空站連同裡面的太空人都正在以同一速率前進和「下跌」，因此就看似在太空站中「漂浮」起來了。順帶一提，飛機突然關掉引擎作自由落體，裡面的人也會看似「漂浮」起來，太空人就是這樣訓練如何在太空中「無重力」狀態下工作的。
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因此，太空中根本就不是「無重力（weightless）」。萬有引力貫穿整個宇宙空間，太空人會「漂浮」只不過是「無重力感（weightlessness）」罷了，是錯覺來的。有些電影會有剛飛出大氣層的太空船裡面的人突然漂浮起來的場景，但這完全是大錯特錯。
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德國物理學家夫琅和費（Joseph von Fraunhofer）在1814年使用棱鏡和望遠鏡觀察太陽光譜（注意：這是非常危險的實驗，會對眼睛造成永久損害！），發現太陽大氣的吸收光譜線。經過分析，部分譜線與在地球上找到的元素的光譜線吻合，直接證明天上的物質與地上的物質皆由同樣的元素構成。
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俐媽真的有夠拚！
上禮拜和主任、編輯開了N個會，
回答眾多針對北/全模、開學英文學習的私訊，
還錄了3課網版！
魂都快空了😵😵😵～

其中一課是翰林遠東的B3L3 A Journey Through Time，
文中提到時空旅行的可能性及結果，
更提到愛因斯坦的相對論(Theory of Relativity)，
及好萊塢電影Interstellar 「星際效應」

回家和師丈討論到Interstellar，
他馬上推薦這本書給我，
果然是科學主軸的書，很硬😂😂
俐媽每個中文字都看得懂，
但有些觀念合起來頗難參透⋯⋯
但俐媽仍然從這本「有字天書」中學到不少英文專業單字唷👍🏼

有興趣的孩子可以看看，
相信收穫頗豐！
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🌟 俐媽英文教室—星際效應篇：
🪐 force line (n.) 力線
🪐 neutron star (n.) 中子星
🪐 gravitational anomalies (n.) 重力異常
🪐 black hole (n.) 黑洞
🪐 wormhole (n.) 蟲洞
🪐 Aurora Borealis (n.) 北極光
🪐 event horizon (n.) 事件視界
🪐 space colony (n.) 太空殖民站
🪐 membrane/brand (n.) 膜
🪐 science fiction (n.) 科幻小說
🪐 inverse square law for gravity (n.) 重力平方反比定律
🪐 gravity gradiometer (n.) 重力梯度計
🪐 gravitational field (n.) 重力場
🪐 gravitational slingshots (n.) 重力彈弓效應
🪐 geometrodynamics (n.) 時空幾何動力論
🪐 law of time warps (n.) 時間翹曲定論
🪐 pathogen (n.) 病原體
🪐 dynamical friction (n.) 動力摩擦
🪐 fifth dimension (n.) 第五次元
🪐 tesseract (n.) 超立方體
🪐 quantum gravity (n.) 量子重力
🪐 quantum fluctuation (n.) 量子漲落
🪐 magnetic fields (n.) 磁場
🪐 accretion disk (n.) 吸積盤
🪐 hypothetical (a.) 假設性的
🪐 quasar (n.) 類星體
🪐 critical orbit (n.) 臨界軌道
🪐 tidal (a.) 潮汐的
🪐 bulk (n.) 體
🪐 Milky Way galaxy (n.) 銀河系
🪐 flight simulator (n.) 飛行模擬器
🪐 pulsar (n.) 脈衝星
🪐 singularity (n.) 奇異點
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俐媽推薦了一部很硬的書唷，
但裡面不少理論也應用到最近上映的電影Tenet 「天能」，
這也是一部精彩又燒腦的電影👍🏼👍🏼
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#俐媽英文教室
#俐媽英文教室網版篇
#俐媽英文電影
#俐媽英文電影星際效應篇
#俐媽好書推薦
#俐媽好書推薦Interstellar
#台大明明網版超前錄製
#大家要認真收看👀👀

【只談物理】過去幾天不斷有讀者朋友詢問一個非常好的問題：「為何激光的強度遵守平方反比律？」

我本來打算直播討論一下這個問題，但仍未找到時間。先寫個簡短版本的答案：

如果整束激光真的完全以直線前進，那的確不會是平方反比。然而，激光是一束Gaussian beam，其垂直於前進方向的分布是Gaussian的。在一定距離以外（依激光儀器不同構造和使用波長有別，一般為1-3米），Gaussian profile以正比距離上升。因此，平方反比律成立。

事實上，平方反比律並不是球狀發散獨有的。平方反比律有個更深刻的原因：能量守恆。這也反映在Maxwell’s Equations中的高斯定律之中：包住電場的表面可以是任何形狀。

無論如何，即使不是激光，就算是用強光電筒照射眼睛，一樣能夠造成永久損害。大家千萬不要以肉眼直視太陽、強光電筒、激光光源。

小心為上，保持冷靜，身體健康。

灯光科普第二期！光的明暗、对比究竟是什么，而电影感又如何塑造，这期视频让我们从平方反比定律出发，分享一些布光的小技巧，希望会对大家有所帮助。

#cinematography #lighting