第三部分「太空中真的是無重力嗎?萬有引力貫穿宇宙空間」
.
未讀第一部分的朋友可以先看:facebook.com/davidyu.phycat/posts/239431704213490
未讀第二部分的朋友可以先看:facebook.com/davidyu.phycat/posts/240471814109479
.
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。
.
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。
.
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。
.
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。
.
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。
.
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。
.
「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。
.
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。
.
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。
.
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。
.
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?
.
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。
.
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。
.
[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。]
.
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。
.
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。
.
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。
.
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。
.
【支持我的科普】
我的科普部落格:https://hfdavidyu.com
我的科研網頁:https://hfdavidyu.github.io
.
我已開設MeWe群組,在MeWe搜尋「余海峯」就能找到:
https://mewe.com/join/phycat
.
追蹤我的FB:https://fb.com/davidyu.phycat
追蹤我的IG:https://instagram.com/phycat
訂閱我的YT:https://youtube.com/c/DavidYuHoiFung
.
也請支持香港其他科學普及工作者!你的支持,能令科學在中文世界更加普及。
牛頓第三運動定律例子 在 余海峯 David . 物理喵 phycat Facebook 的最讚貼文
【新文章】慣性
在我所教導的一門科學通識課程 Our Place in the Universe 裡討論過一個問題:
自古希臘時期,對於宇宙的模樣有兩個主要的觀點:地心說(Geocentrism)和日心說(Heliocentrism)。地心說指地球是宇宙的中心,所有天體都環繞地球運動,而日心說則指太陽才是中心。直到16世紀,西方社會大多認為地心說是正確的。這基於幾點主要原因。一則太陽和所有天體東升西落是一般人每天也看得見的現象;二則天主教廷認為地心說符合聖經,不允許人們討論日心說。
三則比較複雜。當年的學者普遍認為物質分成兩種:地上的和天上的。地上的物質必然向著宇宙的中心(即地球的中心)掉落(縱使他們並不認為地球會運動,但已經了解到地球是球狀的),而天上的物質則環繞宇宙中心運行,不會掉落。因此,假使地球真的在運動(這並不必然代表太陽是宇宙中心),那麼當一個人站在原地不動、掉落一個物件時,該物件理應掉在該人的「後方」,因為在物件掉落的過程中,地球已經運行到另一個位置了。而我們都知道,每次掉落東西時,物件都只會落在自己的腳邊。因此,他們認為地球並不會運動,運動的是太陽。
第一點其實比較容易提出相反的意見,因為西方學者在很早以前就已經知道幾何學上不難建構出一個日心說模型,能夠解釋行星和恆星在天上的運動。他們知道,恆星之間不會移動,只會有每日東升西落的集體運動,而行星卻除了東升西落之外,相對背景星空亦會移動,甚至有時候會出現逆行的情況。事實上行星和恆星的運動方式不同,就是區別出行星的原因,行星(planet)本意指「遊蕩的星星」。到了16世紀,哥白尼提出的日心說模型為了解釋日漸精準的天文觀測(依然只靠肉眼,望遠鏡仍未被用於天文觀測之上),其複雜程度其實與地心說模型(主要是2世紀的托勒密理論)不遑多讓。至於第二點其實是對第一點的補足和對異見的禁制。既然地心說可以解釋天文數據,又得到聖經的背書,那麼它就一定是正確的,因為因上帝啟示而寫出的聖經是不會有錯的。誰提出相反觀點,誰就是異端,需要接受宗教法庭的審判。因此,令社會上大多數人都避談日心說的主因,是天主教廷的極權白色恐怖。
至於第三點,人們本以為這是個無懈可擊的論點,因為即使拋開上述兩點,地球不動這個經過實驗驗證的結論似乎也是堅不可破。然而17世紀的伽利略做了個很簡單的實驗,證明這個論點有一個根本性的問題。
伽利略的實驗非常簡單,你我也可隨時重複這個實驗:在一艘行進中的船上掉落一個物件。結果所有人都知道,就是物件會掉落在腳邊,就如同站在地面上靜止不動時,掉落物件的結果一樣。然而,如果我們不是與伽利略一起在船上,而是站在岸上看著伽利略在船上做這個實驗,我們看見的物件軌跡就不是一條直線,而是一條拋物線,因為船正在行進當中。
因此,基於同樣道理,即使地球在行進當中,掉下的物件都會與地球一同前進。伽利略發現了慣性定律。
這裡有一點要注意。我留意到有些同學會以為這實驗證實了地球在運動,但這是個錯誤的結論。伽利略這實驗所證明的,只是上述「認為日心說是錯誤的第三點理由」並不成立。既然船是在地球表面運動,那麼無論假設地球動或不動也好,物件都應該掉落在船的後方。因此,物件隨船的行進方向掉落的這個結果,只代表地球並不一定不動而已。話雖如此,這個結論在當年的人們來說是震撼性的,因為它顛覆了古希臘(主要以亞里士多德和托勒密為首)的物理理論。
慣性(inertia)的發現,可說是現代物理學正式誕生的一刻。牛頓力學和愛因斯坦的相對論,都把慣性參考系放在一個特殊的地位,與其他非慣性參考系分隔開來。簡單地說,慣性就是一個物體維持其運動狀態的傾向。或者(不太嚴謹但又不太離譜地)我們可以說動量(momentum)就是量化慣性的方法。直到愛因斯坦在1915年發表完整的廣義相對論,才對慣性和非慣性參考系之間的異同有更深的了解。
在傳播科學知識的過程中,我也發現了人的另一種「慣性」。那是一種思考的慣性。我發現(包括我自己在內)人會以習慣的方式去思考問題。換句話說就是雖然最終結論可能是一致的,但各人會以不同的思路出發,著重重點可能都不相同。不過這是完全沒有問題的。正因為不同的人會有不同的思維模式,世界上人與人之間的交流才會這麼豐富和有趣。
最常見利用不同思路達到一致結論的領域,應該是數學和科學。數學有邏輯上的絕對性,科學亦有大自然作為最高法院,兩者的真確性並不受人類的意見所左右。這就好像用兩種方法證明同一個數學定理,或者用兩種實驗證實同一個科學理論。
但令我不解的是,有種思考慣性是會傾向把事實扭曲來迎合個人立場。當事實與他們的認知不同的時候,他們會更堅定地相信自己的想法,否認事實或者用各種陰謀論去解釋事實與他們的信念之間的落差。心理學裡,這叫做 backfire effect。
我舉一個例子。有些人到現在仍然相信地球是平的、是宇宙的中心,他們會用上述第三點去反駁「地球環繞太陽運行」的客觀科學事實,但他們同時亦能理解物理學中的慣性定律。他們也會利用牛頓力學駕駛車輛,卻不理解這在一個平的世界上會導致什麼不同的結果;會運用應用了廣義相對論的全球衞星定位系統,卻不相信人類曾上太空;會相信自己 Google 出來的陰謀論是正確的,卻認為同樣能被 Google 出來的科學資訊都是謊言。這種對固有想法的「慣性」有可能是人類演化遺留下來的自我保護機制,不惜犧牲事實、邏輯和理性也要「捍衛」自己的信念,甚至認為自己才是「理性」的,其他人要不是被陰謀論所欺騙,就是參與陰謀論的一份子,迫害他們這群「覺醒者」。
發現物理學的慣性定律是人類邁向現代文明的里程碑。我希望人人都能拋開對固有想法的「慣性」,保有理性的自由意志,開創人類未來新的一頁。
牛頓第三運動定律例子 在 13牛顿第三定律牛顿运动定律(1)高中物理 - YouTube 的推薦與評價
![影片讀取中](/images/youtube.png)
如果 牛顿 是坐在榴莲树下那么我们就不用读真么多了. 1:54 · Go to channel · 14作用力、反作用力与平衡力的比较 牛顿运动定律 (1)高中物理. ... <看更多>
牛頓第三運動定律例子 在 [物理與人生]牛頓三大定律 的推薦與評價
第一定律:存在某些參考系,在其中,不受外力的物體都保持靜止或等速直線運動。 第二定律:施加於物體的淨外力等於此物體的質量與加速度的乘積。 第三 ... ... <看更多>
牛頓第三運動定律例子 在 Re: [問題] 關於牛頓第3定律in electrodynamic - 看板Physics 的推薦與評價
問題是在電磁學裡你什麼時候會用到牛頓第三運動定律?
電磁學裡你會常常說你給電磁場一個力,電磁場給你一個反作用力嗎?
通常都是用Maxwell's eq. 和Lorentz force來描述物質和電磁場的交互作用吧
再不然就是直接用動量守恆的關係式
你硬守著一個幾乎沒有用的定律有什麼意義嗎?
而且以我的認知,通常我們應該都覺得動量守恆比牛三更有意義
只要保有動量守恆,我不知道放棄牛三到底有哪裏不好
你舉的導線磁力的例子很有趣,我的確沒想過這個問題
不過我倒是覺得這個例子只是更加說明了在電磁學中用牛三來描述問題的麻煩之處
我想我還是寧可直接放棄牛三
※ 引述《mgtsai ()》之銘言:
: ※ 引述《mantour (朱子)》之銘言:
: : 但是這樣你就要把電磁場當作受力體
: : 而一般人根本沒有在用這樣的定義
: : 而且要考慮電磁場的動量,直接用動量守恆就好了
: : 我覺得這樣的觀念根本不實用
: : 一般的牛頓第三定律,指的就是針對一般的 施力體--受力體的模式
: 說實話,如果只考量施力體--受力體的這種模式
: 而不把中間的場納入系統中,還是無法形成夠完整的圖像
: 一般會說,在電磁場下第三定律不成立,是因為電磁場波動有時間延遲的效應
: 但若在靜電或靜磁場下則第三定律就會成立
: 例如,相等靜止的兩塊磁鐵A、B,周遭空間的磁場是靜磁場
: 磁鐵A對磁鐵B的作用力,與磁鐵B對磁鐵A的反作用力
: 剛剛好大小相等方向相反,符合第三定律
: 若因兩磁鐵之間的受力關係是靠磁場交互作用,這樣就得要拋棄第三定律
: 那未免有點因噎廢食食了點
: 不過表面上看起來,在靜電場或靜磁場下,第三定律是成立的
: 但若仔細分析,其實整件事並非完全無條件的成立
: 這只要使用高中學過的 畢歐沙伐定律 (Biot-Savart law),即可解釋
: p.s. 我不曉得現在的高中物理會不會教畢歐沙伐定律,
: 但在我那個年代,畢歐沙伐定律是在高中就學到的
: 考慮兩條通電流的長直導線A、B,彼此不相交奕不平行 (歪斜線)
: 從兩條導線中,各取一小段微小導線 dL1 與 dL2
: 因於 dL1 上通有電流,所以可以依 Biot-Savart law
: 計算出於 dL2 處,電流通過 dL1 上所貢獻的磁場為何
: 而又因 dL2 亦通有電流,所以,dL2 會因 dL1 所貢獻的磁場而受力
: 此力,即是 dL1 對 dL2 所施于的作用力 F12
: 依同樣的方式,亦可算出 dL2 對 dL1 所施于的作用力 F21 為何
: 表面上看起來,F12 與 F21 好像是大小相等方向相反
: 但仔細計算,卻發現完全不是這麼一回事
: (請各位自行動筆計算,只是三個向量之間的外積計算而已)
: 換句話說,即使在這個以高中物理就可以解釋的例子下
: 牛頓第三定律又失效了
: 雖然 dL1 與 dL2 之間的受力關係不符第三定律
: 但如果考量一整條導線,神奇的事又發生了
: 若考處 dL1 與 導線B 之間的受力,發現,會遵守第三定律
: 而且,不限定導線B一定要是長直導線
: 任何形成封閉迴路的導線,與 dL1 之間的受力關係,必定遵守第三定律
: p.s. 長直導線某種層次而言被視為封閉迴路,這可以利用複變的手法去處理
: 長直導線的兩端於無窮遠處連接
: 同樣地,導線A 與 dL2 之間的受力關係,亦遵守第三定律
: 同樣地,導線A 與 導線B 之間的受力關係,亦遵守第三定律
: 這裡顯示一件很神奇的事
: 就是,若把封閉迴路的導線,切成一小段一小段 (例如把導線 B 切成一堆 dL2)
: 這樣會破壞第三定律
: 但把這一大堆微小導線的施力/受力值積分起來,第三定律又起死回生了
: * * * * * * * * * *
: 即使以 "施力體" 與 "受力體" 來處理第三定律
: dL1 與 dL2 這兩者,就是很標準的 "施力體" 與 "受力體"
: 而且,空間所佈滿的是靜磁場,但結果是,dL1 與 dL2 卻不滿足第三定律
: 但我們又不能說,只要因為有電磁場存在,就把整個第三定律拋棄掉
: 不然,兩塊磁鐵之間的受力關係,不會因為中間充滿磁場,而不符合第三定律
: 問題來了,那在靜磁場之下,牛頓第三定律到底成不成立?
: 回答成立又不太對,因為 dL1 與 dL2 的受力關係並不滿足第三定律
: 回答不成立又不太對,因為兩塊磁鐵的受力關係明明就符合第三定律
: 會有這樣子的尷尬情況,就是因為只有考慮 "施力體" 與 "受力體"
: 而刻意忽略掉電磁場在這整件事所扮演的重要媒介
: 只要將電磁場納入整個系統之中,問題反而可以單純化:
: 就是牛頓第三運動定律必定成立
: : 你這樣說當然也沒錯
: : 不過我想原po已經很不懂了
: : 請不要讓他再更頭痛了
: : 因此我主張以下說法:
: : 在電磁學中
: : 要把場的動量算進來,動量才會守恆
: : 因此只考慮施力體和受力體的話,牛頓第三運動定律不成立
--
※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc)
◆ From: 140.112.213.158
※ 編輯: mantour 來自: 140.112.213.158 (05/17 20:43)
... <看更多>