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星球那麽重為何還能漂浮在宇宙中?究竟有什麽力量在操控他們?

2024-10-04科學

有人提出「為什麽星球 能浮在宇宙中」,是因為有一種錯覺,他們認為,任何物體必須與其他物體發生直接接觸才能停止運動,或者發生彼此之間的關系。比如,提問者假想出宇宙中有一種「液體」一樣的物質,星球就漂浮在宇宙的這些「液體」之中。實際上,有些東西是不必發生直接接觸也是可以發生關系的。

首先我們看看地球和太陽。地球繞著太陽轉。我們知道這是因為太陽和地球之間有萬有重力。 事實上,任何兩個有品質的物體之間都有萬有重力。

那麽地球為什麽不落到太陽上呢?

這是因為地球在繞著太陽作軌域運動,太陽對它的重力正好用來作這個運動了。 從地球自己的參照系來看,太陽的重力恰好被地球自己的運動導致的離心力抵消了。

當然,嚴格地來說,太陽也受到地球,以及其他行星,乃至其他天體(雖然可以忽略)的吸重力,這些吸重力也用來作太陽的運動了。

除了太陽,其他天體,特別月球,也給予地球吸重力,所有這些重力支配了地球的運動。

其他星球也類似,它受到的所有重力支配了它的運動。

這個問題之所以成為一個問題,是因為許多人有一個潛移默化的感覺:所有的力都必須透過直接接觸來傳遞。他們無法想象,一個物體可以直接作用到遠處的另一個物體上,把它吸引過來或者推開。

對古人來說,這是一個「常識」。即使是力大無窮的楚霸王,也需要接觸到鼎才能把它舉起來。所有的杠桿、滑輪、斜面、齒輪等機械,都需要直接接觸。

但學過科學的人就知道,這個「常識」是個錯覺。

磁力就不需要接觸,一塊磁鐵可以把遠處的鐵吸過來。實際上,這正是磁力被稱為「磁力」的原因:古人把磁鐵吸鐵比喻成慈母懷抱嬰兒。

萬有重力也不需要接觸。任何兩個有品質的物體之間都存在萬有重力,無論它們之間相距多遠,這是牛頓的偉大發現。無論是蘋果落地,還是炮彈的軌跡,還是行星繞太陽的運動,都是萬有重力的結果,都符合約樣的規律。這確實是個非常違反直覺的發現,有一個有趣的故事為證。

萬有重力

古希臘數學家歐多克索斯提出過一套純數學的太陽系模型,跟當時的觀測數據符合得很好。這個模型最大的特點是,各個星球互相不接觸,各自在自己的軌域上執行。

歐多克索斯的理念其實相當符合現代科學:他的目標只是讓他的模型符合觀測事實,並不在意「運動的機制」。牛頓力學、相對論、量子力學都是這種理念的產物。為什麽科學理論不在乎「運動的機制」呢?因為一般人想到的所謂機制,只是來自日常經驗或者老的理論的一套讓他們覺得熟悉的說法。但之所以要提出新的理論,正是因為老的理論已經不足以解釋新的實驗現象了。這時科學家的做法就是,不管三七二十一,先找到一套數學模型能夠定量地描述實驗現象再說。當人們熟悉了這套新理論之後,就會認為這套理論就是「機制」了,——這其實是個心理效應。

歐多克索斯的模型雖然符合觀測數據,但亞里斯多德(對,就是那個著名的哲學家)卻對它很不滿意。為什麽呢?因為星球之間不接觸啊!亞里斯多德問:沒有接觸,誰來傳遞力呢?於是他在歐多克索斯的模型中加了29個球,讓一個球的轉動能透過實際接觸推動另一個球。結果是,他的模型對可觀測現象的預測跟歐多克索斯一樣,復雜程度卻無謂的大為增加。亞里斯多德的提問估計也符合「星球為什麽能浮在宇宙中」這個問題吧。