正文 第三章 月亮會掉下來嗎?

現在我們來探討關於月亮的掉落這個有趣的問題。首先看下頁的圖6,小山丘上有一座大炮,它是水平瞄準直線CA的,而它對面有一堵牆。按道理來說,假如瞄準線是CA,那麼炮彈很可能就會打到A點,不過當我們打出去的時候,炮彈並沒有沿著直線CA走,而是走曲線CBD,也就是說,炮彈最後打到了一個比A點稍微低一點的地方,假設這個點是D點。導致出現偏差的原因並不在炮手身上,他的技術可能跟你們一樣好,但是他就是沒辦法打到炮口正對的那個地方。因此,假如他想正中A點,他就應該瞄得高一點。

為什麼炮彈不會沿著瞄準線走呢?為什麼打到的點總是偏低呢?答案很簡單:儘管炮彈一開始是水平運動的,但是當它一離開炮口,就會受到地球向下拉的作用力,它就會減速,然後開始下落直到靜止。這就是為什麼它的路線會是CBD這樣處在CA下方的一條曲線。假設炮彈從炮口到打到牆上所花的時間是3秒,根據上一章的那張表,我們可以算出3秒內一個物體自由落下所走過的距離是9乘以4.9,也就是44.1米。現在再來量一下從A點到D點的距離,會發現也是44.1米。如果炮彈從C點到D點用了2秒,那麼AD兩點間的距離就是4乘以4.9,就是19.6米;如果只用了1秒,那麼AD的長度就是4.9米。因此,我們可以總結出:地球的引力不管是對於運動的物體,還是靜止的物體來說,都是一樣的。

在這裡,我們來關注一個非常重要的事實:物體為什麼可以圍繞著一個固定的點做圓周運動。

在很多鄉村,騾子是豐收季節用來打穀的工具。人們會在圓形打穀場的中心安置槽輪,有人會站在槽輪的中心處,手裡拿著一根韁繩,韁繩的另一端系在騾子身上,當槽輪開始轉動時,騾子會開始跑,這時候人就要控制韁繩讓騾子圍著圓圈跑,基本上是用聲音來吆喝,必要時可能會用長鞭鞭打。等到騾子因為不習慣繞著圈子跑而出現眩暈的時候,就把它的眼睛蒙上,這樣它就不知道一直是在圍著圓圈旋轉了。騾子之所以會繞著圓圈跑,是因為有韁繩的牽制,讓它不會偏離圓形軌道。如果鬆開韁繩,會發生什麼呢?鬆開的話,騾子就感覺不到有東西在拉它,控制它的方向,因而它就會很自然地向前跑,就不是走曲線了。

拿一根繩子,在繩子的另一端繫上一塊石頭,然後讓石頭快速旋轉起來。這時候,是什麼讓這塊石頭繞著圓圈轉呢?很明顯是這條繩子。如果繩子斷了,或者綁著石頭的結鬆開了,那麼我們知道石頭會直直地飛出去。這就跟投石器的使用原理一樣。從這兩個例子我們可以看出:如果沒有外界支持,那麼一個物體是不可能靠本身做圓周運動的,必須有一個物體拉著它向中心靠攏;假如控制它運行軌道的力突然減弱或者消失,那麼物體就會偏離軌道而直接向前飛出去。

月球圍繞著地球轉的原理就跟系在繩子上的石頭做圓周運動的原理一樣,而月球所做的圓周運動就叫做月球的運行軌道。在下面的一幅圖中,我們用T這個圓形來代表地球,而圍著它的圓圈就是月球的運行軌道。假如月球在運行過程中必須運行到L點,在它到達這個點時,中心的力就會馬上把它拉回來,讓它繼續前進。這個情況就跟從炮口裡出來的炮彈一樣,如果沒有中心這個力的存在,月球就會沿著LA線運動,這條線就是我們前面提到的瞄準線。想像一下如果地球上方有那麼一面與球面垂直的牆,我們用圖中的TA來表示這面牆,那麼月球並不會到達A點,而是到達B點,月球在運行過程中並不會走LA的路線,而是會走曲線LB,也就是說:月球所走的路線就跟從炮口射出的炮彈走的路線一樣。

月球在地球引力的作用下,從L點出發到達TA時,它所走過的豎直距離就是AB的距離。假如月球在到達B點時,突然失去地球引力的作用,那麼它將會脫離原來的運行軌道,直接向前衝出去,就跟用投石器扔出的石頭一樣。如果月球失去了這個能夠維持它運行軌道的力的作用的話,它就會直線向前運動,最後到達虛構出來的TC這面牆的C點。但是,我們都知道,這個引力是一直存在的,所以月球的運行軌道一定是圖中的BD曲線,它會到達D點,而它下落的直線距離就是CD的長度。因此,月球雖然是在逐漸下落,但是它並不會沿著直線運動,離地球越來越遠,而是會圍繞地球作圓周運動。那麼之前我所說的月球一直在下落是沒錯的,正是由於它在持續下落,所以才能夠和地球保持恆定的距離。

月球之所以能夠維持它的運行軌道,是由於地球引力的作用,每當月球試圖脫離軌道時,這個引力都會適時地把它拉回正軌,同樣也是這個引力的原因,物體才會往下落。地球引力對於月球的作用,正如韁繩對於打穀場上的騾子的作用,也正如繩子對於小石子的作用。地球引力改變了月球的運行軌道,迫使月球不斷地朝著它運動,地球引力也改變了炮彈的運行軌跡,讓炮彈最後打在比瞄準點低的地方。但是騾子能繞著圓圈運動是因為有韁繩的拉力,小石子能夠環行旋轉是因為有人的拉力,而對炮彈的作用力來源於火藥的爆炸。那麼反過來,月球前進的動力又來自哪裡呢?來自於上帝,所有天體的運動軌跡都是上帝安排好的,他像播撒種子一樣把行星都分散開來。這些天體,就像詩人拉馬丁說的:

就是上帝賜予的神秘的力量,天體才得以運行。

就是這股無法阻擋的力量,才使得天體能夠發射出去,然後在各自的軌道上運行。

你是否經常用小石子或小球來測試你那小小的臂力呢?

你會說你的手臂擁有著強大的或渺小的力量。

200腕尺對你來說,就算是很長。

如果你已經為自己的那份微不足道的力量而感到自豪的話,

那麼對於那股使得所有天體在各自軌道上運行的力量,你又會怎麼想呢?

空間關係,重量與質量,這些與那股強大力量對比起來,根本不算什麼。

但是這個力量把天空變得非常絢爛。

這個偉大的上帝創造了所有的奇蹟,給了我們所有的愛,

我的孩子們,讓我們向它深深地鞠上一躬。

地球引力能夠作用於它周圍所有的物體,不管物體離得有多遠。但是,引力並不是地球專有的,其他的天體也會產生引力。例如,月球也會產生引力吸引其他的天體按照一定的軌道運行,它能夠吸引這些天體讓它們下落。月球引力是能夠延伸到很遠的天際的,不管有多遠,它對於我們所居住的地球的影響特別明顯。因此,就像月球持續落向地球一樣,地球也在持續地落向月球。在這種互相吸引的情況下,力量更強大的肯定會戰勝力量小點的,並使力量小的偏離自己的軌道,而按照另外一種軌道運行。

假設有兩個人在兩端都用盡全力拉同一根繩子,試圖把對手拽到自己這邊來,那麼肯定是力氣大一點的那個人贏。對於兩個天體來說,勝利也總是屬於更強大的一方,換句話說,就是屬於質量比較大的那一方。地球的體積是月球的50倍,它所產生的引力肯定比月球的引力大,因此,它一定更容易把月球吸引到自己這邊來,迫使月球朝著球心的方向下落。換言之,月球在地球引力和本身重力的共同作用下,圍繞著地球轉。假如月球比地球大的話,那它們的關係就會是相反的,我們的地球就會變成月球的月球,變成月球的衛星圍繞著月球轉。那麼有沒有什麼地方存在著比地球大的天體,讓地球在它產生的引力的作用下改變運行軌道,並圍繞著這個天體轉呢?確實存在這樣一個強大的天體,它就是太陽。

毫不誇張,在我們看來那個連車輪大小都比不上的又小又亮的太陽事實上是個巨大的球體。跟太陽比起來,非常巨大的地球根本不算什麼。我們之所以覺得太陽非常小,是因為它離我們非常遙遠。事實上,任何一個博學的擅長計算的天文學家都可以告訴你太陽和地球之間的距離,這個距離至少有14959萬千米。你對這個數字肯定沒有什麼概念,而且在下一秒肯定會忘記,因此我們要對這個數字加以解釋。你肯定經常看到火車在軌道上快速行駛,那我們就假設火車的時速是60千米,如果火車一直保持這個時速,那麼一天之內,它可以從法國的一端走到另一端,但假如要從地球走到太陽,就需要花上289年。也許目前最好最快的火車可以完成這樣一段旅程,但是跟其他旅程比起來,它慢得大概像蝸牛一樣吧。

科學家告訴我們,太陽的體積是地球的130萬倍。這到底是有多大呢?我們需要更多的數字來解釋。現在我們假設太陽的中心是與地球的中心重合的,那麼在這樣的條件下,太陽就會把地球吞噬,就像鯊魚吞噬小魚一樣,然後向整個太空延伸,它能延伸到的地方遠遠大於月球與地球之間的距離。

也許你還是不太清楚太陽到底有多大。那我們就用另一種方式來比較一下。要填滿體積為1升的物體,需要用1萬粒大小一樣的小麥,如果是10升,就需要10

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