《物理的故事——在悖论中前行》
第17节作者:
江湖小片
有一天,他的朋友给他介绍一个老头帮他打理书房,卡文迪许欣然接受。日子就这么平淡的过去了。半年后,他的朋友实在忍不住对他说:“那位收拾书房的老先生,日子过的挺拮据的。”
卡文迪许茫然地看着他:“那我能为他做点什么呢?”
他的朋友说:“如果能付点工资是最好的了。”
卡文迪许恍然大悟,赶紧签了张支票递给他的朋友:“多少?两万英镑够不够?”
他的朋友惊呆了。要知道几乎和他们同时代的《傲慢与偏见》的主人公达西一年收入是5000英镑,他可是一位拥有庞大庄园的大富豪。纵然小说总有虚构,一两银子足够大侠们吃半年,而现实中,《傲慢与偏见》的作者简奥斯汀小姐的版权收入也就在100多英镑,那可是一本畅销了200多年的书!
日期:2017-08-13 20:49:20
正是这位连两万英磅都傻傻分不清的老头,居然搞清了一个几百亿分之一的数字,而且用的实验方法简直拍案叫绝,在整个科学实验史上都算的上头一份了。
当时他的教授朋友们也正在研究这个问题,并设计了扭秤,一直没有得出结果,因为转动的角度实在小到无法测量。他借鉴了扭秤实验,但是工作还是一筹莫展。有天他在街上瞎溜达,看见几个小孩用镜子反射阳光做游戏,这个游戏连猫儿都知道,因为猫儿经常是游戏中主角——手中的镜子轻轻一动,猫儿跟着反光镜的反射的影子跳,其原理也很简单:放大而已。他突然间想到一个绝妙的办法,这就是著名的扭秤实验:
日期:2017-08-13 20:50:29
要完全摒弃外界的干扰,他把实验安排在一个密封的房子里,通过望远镜观测标尺的刻度,再通过一系列的角度计算得出:G=6.67×〖10〗^(-11)。与目前的公认值只差百分之一。这个精确的数值在未来89年都没有别人打破。
要计算地球的质量,还差一个地球的半径了,然而这个问题已经不是问题了,因为早在公元前200多年,人类就已经知道这个数字了。
埃拉托色尼(Eratosthenes,公元前275—公元前193)出生于今天的利比亚,那个时候是处于希腊文化统治之下。他号称地理学之父,主要是因为对地理和测地学做了很多贡献,且说他测量出地球的半径——这是人类第一次测量出了地球的半径大小的。
日期:2017-08-13 20:51:08
当时他住在埃及的亚历山大港,听人说一个叫赛伊尼城市中有一口很深的井,每年夏至那天的正午,太阳能够一直射到井底,也就是说这一天的正午,太阳位于这个井口的正上方,过了这一天,太阳就射不到井底了,这说明夏至那天太阳光线可延长到地心。
而在这一天,亚历山大港口正午的太阳并不是直射的。他就用一根长柱,垂立于地面,测得亚历山大港口在夏至那天正午太阳的入射角为7.2度,于是他肯定:这7.2度的相差,正式亚历山大港口和赛伊尼两地所对的地面弧距。根据这个数值和两地间距离的估计,他求得地球的圆周为25万“斯台地亚”(相当于39816km)。这个数值已经很精确了。
到了近代,人类曾更精确地测量地球半径,卡文迪许利用现成的半径值,轻而易举地算出地球的质量为:〖M=5.9×10〗^24kg。
搞定!糊涂么?难得糊涂!
有了地球的质量,再要计算月亮、太阳的质量,就得要测算地月、日地的距离。地月距离相对日地距离近很多,比较容易测量,古希腊阿利斯塔克曾尝试通过月全食测量:
日期:2017-08-13 20:51:33
计算月全食的时间和月亮进入影子的角度,便能测量地月距离。只是他测量的数值误差很大。人类第一个比较精确测量地月距离的是喜帕恰斯,他继承了阿利斯塔克的方法,只是采用两地同时观测,再通过一系列的角度计算得出地月距离是地球半径的60倍左右,这与现代测量的结果十分接近。
喜帕恰斯还尝试通过日全食测量日地距离,可惜他完全低估了二者之间的距离,最终只得出日地距离是地月距离的12倍(实际约为390倍),与现代测量的结果相去甚远。
在人类利用电磁波之前,主要通过视差法测量天体距离。视差法在生活中十分常见,比如挣一只眼闭一只眼看同一个物体,会感觉物体移动,如果能测算出两只眼睛看物体的角度便能测出物体到鼻梁之间的距离了。
日期:2017-08-13 20:52:01
同样,当我们仰望宇宙时,在地球的不同地方观测也会有视差,只是当天体离地球太远时,视差角度会很小很小,那样直接测量就不准确了。这也是喜帕恰斯等人测量数据不精准问题所在。
既然不能直接,那就间接测量。根据开普勒第三定律,如果测到了地球到某个行星的距离,就能得出日地距离了。
日期:2017-08-13 20:52:24
第一个比较精准测量日地距离的是意大利天文学家卡西尼(Cassini,1625–1712)。他利用1672年的火星冲日(这天火星是最亮的,而且能持续整晚,虽然和月食差不多,但是地球的影子完全照不到火星上,所以不存在“火食”一说),在巴黎和南美洲两地分别观测火星,经过一系列的三角计算,得出火星视差,进而求出日地距离约为1.39亿公里。卡西尼的成功告诉人类太阳远我们甚至哥白尼想象的都大得多的多。
几乎与此同时,哈雷提出了一个更好的测量日地距离的方案——金星凌日测量法。金星凌日即金星带来的日食,只是金星离地球太远,它“食”不下太阳,只能在太阳上留下一个小黑斑点,但和伽利略发现的太阳黑子不一样,这个小斑点会较快的移动(黑子只能随太阳自转移动)。在两地观测黑斑点,会得出不同的运动路径,如果计算两条黑线的路径时间、角度等等,就能计算出金地之间的距离,进而推算出日地距离。
日期:2017-08-13 20:52:51
虽然方法是由21岁的哈雷(1677年)提出的,但是他算了下,下次金星凌日发生时他已经106岁了,他断言自己活不了那么久,很遗憾看不到人类这一壮举。果如哈雷所料,他106岁时(1761年)发生了金星凌日,可是那年的金星凌日的两条黑线路径都接近太阳边缘,无法测量。直到8年后,人类终于再次成功地测量得出日地距离,约为1.49亿公里,很接近现代的数值了。
等等!不是说好了,轨道是个椭圆么?那这些数值指的是什么呢?通常情况下说的日地、地月距离都是指平均值。天文学的数值动辄庞大,地球上也只有津巴布韦的货币能与其比拟了,所以地球到太阳的距离差个千八百公里是丝毫不受影响的,反正也没人打算打个的到太阳上去。
日期:2017-08-13 22:27:13
第十五回:静电学
在已知的力中,磁力和静电力尚悬而未决。二者和万有引力倒还有几分相似,都可以远距离作用,那么磁力、静电力是否和万有引力一样呢?换句话说,牛顿力学能否支配整个宇宙?故事还得从另外一个扭秤实验说起。
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