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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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
托勒密地心說 在 Dung Kai-cheung 董啟章 Facebook 的最讚貼文
明周專欄:我死,故我在
說起笛卡兒,人人都知道他的名言:「我思,故我在。」此語第一次出現在他以法文寫成的《談談方法》(Discours de la Méthode)(1637),原文為”je pense, donc je suis”。後來在《哲學原理》(Prinicipia Philosphiæ)(1644)中再以拉丁文表述為”ego cogito, ergo sum”,簡稱為”cogito, ergo sum”,英文譯作”I think, therefore I am”。這個句式往後成為了哲學史上最常被惡搞的對象。「我X,故我在」的玩笑層出不窮,大家不妨自行創作。
至於真的讀過笛卡兒的人,可能不多。甚至把他批判得體無完膚的人,也很可能沒有細心讀過他的著作,最多是翻翻《談談方法》和《第一哲學沉思集》(Meditationes de Prima Philosophia)。大家感興趣,又或者是集中攻擊的,是他的形而上學。但是,笛卡兒從一開始,研究重點其實在自然哲學或物理學(即後來廣義的科學),而他到了命終之時,最重視的也是自己在這方面的成果。
笛卡兒在一五九六年生於法國中產家庭,家族多從事法律職務,可以說是國王的法務執行官。此類職位可以用錢購買,之後收入終身無憂,屬於「第三等級」中之高層。(法國舊王朝社會分為三個等級:第一等級為貴族,第二等級為神職人員,餘為第三等級。)笛卡兒大學畢業後,也曾多次考慮走這條路。在猶豫不決之際,他決定離開法國,見識這個世界。他加入過軍隊,當過紳士士兵,但似乎未曾參與實戰,只是乘機四處遊歷,有點像今天的工作假期。期間結交了一些學者,開始研究數學,以至光學等。
他一六二九年移居聯合省份(即以荷蘭為首的七省聯合共和國),一住便是二十年。他的所有哲學和科學成果,也是在這二十年間產生。他有一個奇怪的習慣,就是不停更換居住地。在荷蘭便住過七、八個城鎮,地址也很不確定。他的理由是逃避社交的打擾,專心從事研究工作。但他同時維持着一個有效的通訊網絡,讓他跟當代學界保持聯繫,獲知最新動向。他的一個主要通信人,是巴黎的梅森神父(Marin Mersenne)。此人亦是博學家,交遊廣闊,有「歐洲郵箱」的稱號。笛卡兒給人一個避世的隱居者的形象,連對梅森也不告知對方自己的地址,信件往往要經過多番的轉遞。
從一六二九年至一六三三年,笛卡兒潛心寫作一部自然哲學巨著,名叫《世界》(Le Monde)。《世界》的第一部分為〈論光〉,是通過對光的性質的探討,去推出他的物理學,即物質的構成、物理運作的規律,以至整個宇宙的生成過程。那是極具野心的一部著作,提出的是嶄新的宇宙機械論。此書第二部為〈論人〉,以第一部分的理論為基礎,提出了人體機械論,以及靈魂和身體的二元論。後者所說的是,人的生理部分是機械性的,跟動物或自動人偶(automaton)沒有分別,但人具有理性,而此理性即人的靈魂。所以,「人」的定義是機械肉體和理性靈魂的結合。笛卡兒認為,兩者的接合點在腦部的松果體。
一六三三年中從羅馬傳來了壞消息。伽利略的《關於兩大世界體系的對話》(即教會認可的托勒密地心說和哥白尼的日心說)被宗教裁判所查禁,伽利略被控以「違反教義和道德」及「高度懷疑為異端」被囚禁。笛卡兒立即終止了《世界》的寫作,甚至一度考慮把手稿燒毀,後來決定把它藏起來。往後無論朋友如何勸誘他,他也拒絕把它公開。他不願意成為真理的殉道者。但是,他還是忍不住把當中的一些不觸及教義的部分,以分拆形式發表。他的第一部出版的著作《談談方法》,主角其實是當中的〈屈光學〉、〈流星〉和〈幾何學〉三篇科學論文,而行文鬆散的〈談談方法〉只是前言。但是,後世幾乎都把三篇論文刪除,把序言當作獨立著作出版。
笛卡兒明知自己的物理學是不容於教義的,所以他千方百計去說服教會,自己是一個虔誠的教徒。最直接的方法,就是搞起形而上學來。於是便出現了一個科學家不應該染指的神學辯解《第一哲學沉思集》。他試圖以理性證明靈魂的存在和不滅(「我思故我在」,所以靈魂可以獨立於身體感官),以及神的存在。很可惜他在一開始便採用了懷疑論的方法,然後才一一把懷疑破除。這令一些批評者認為,他反而給予懷疑論者太強的火力,削弱了讀者對信仰的信心。他的論敵甚至認為,他根本就是個偽裝的無神論者。
可以說,笛卡兒在世時既嘗試討好教會,但又希望以偷龍轉鳳的方法,以他的一套新式學說取代過時的經院哲學。這做法並沒有取得成功,反而惹來了一次又一次的爭議,令他為自辯而疲於奔命。而他最在意的科學研究,卻沒有完整發表的機會,已發表的也沒有得到很高的評價。到了他生命的後期,一直驕傲自信的他的確變得有點心灰意冷。可能是因為這樣,他在瑞典女皇克里斯蒂娜的多番邀請下,終於答允了那趟「致命」的旅程。
一六四九年九月,笛卡兒從阿姆斯特丹上船,前往斯德哥爾摩。能成為一個女皇的私人哲學導師,無異於找到一個強大的贊助者,是以後發表著作的堅固後盾。但是,在出發前笛卡兒已有不好的預兆。他把重要的書信和手稿託付友人,並交代了自己的後事。克里斯蒂娜把哲學課的時間定在清晨五點,這對於懼怕北國嚴冬的笛卡兒來說是極大的折磨。一六五零年二月十一日,笛卡兒在瑞典因肺炎病逝。
《世界》於笛卡兒死後由追隨者整理,於一六六四年出版。隨後便開始了崇尚理性的啟蒙時代