占星不是實證科學,這強調很多次。他是立論在哲學、魔法、宗教之上的生活哲學。聽聽這個導讀,你會看到另外一片天。又沒有直接看柏拉圖、亞里斯多德的著學著作那麼艱澀。
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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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未讀第一部分的朋友可以先看:facebook.com/davidyu.phycat/posts/239431704213490
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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。
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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。
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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。
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※ 2018.03.22 歷史上的今天—《每日電訊報》 Dominic Selwood ※
物理學宗師、最後的魔術師牛頓過世
艾薩克・牛頓爵士(Sir Issac Newton)1643 年 1 月 4 日出生於林肯郡的伊爾斯索普(Woolsthorpe)。他的父親在他出生三個月前過世;他兩歲時,母親再嫁,繼父使他跟母親分離了九年。他晚年展現一些瘋狂的傾向,顯然與他童年成長的環境有密切的關係。
1661 年,他進入劍橋大學就讀。當時的劍橋封閉守舊,學習的內容依然以亞里斯多德的幾何天文學為重點,雖然已有許多反駁的著作。牛頓受到較現代的機械唯物主義者的影響,但他也受教於赫密士主義(Hermeticism),後者企圖以鍊金術以及魔術來解釋萬物。他大學時期的筆記透露了他自學的過程,尤其在數學的領域上特別有成就。
1667 年他獲選為劍橋三一學院的院士,很快再度高升,成為魯卡斯數學講座教授(Lucasian chair in mathematics)。他被皇家學會(Royal Society)選入後,很快在倫敦成名。但是,皇家學會的一位前輩,羅伯特・虎克(Robert Hooke),批評牛頓所寫的光學研究論文,牛頓怒不可遏——先前,一群住在比利時列日的耶穌會士批評他寫的顏色理論,也一樣讓他暴跳如雷。但虎克的批評,讓他精神焦慮,失魂落魄,寢食難安,必須閉關靜養,長達六年之久。
這段期間,他浸淫於赫密士的傳統,沉醉於「以太」理論(aether theories)、「秘密原則」(”secret principle”)等等,揚棄了機械唯物論。
1687 年,他出版了《自然哲學的數學原理》(Philosophiae Naturalis Principia Mathematica),這是他一生最偉大的作品,很快受到公認,成為科學基礎的論文。但在虎克眼中,此著作中有些內容是剽竊之作。牛頓再度暴跳如雷,還特別仔細地把虎克的名字從他的書裡面切割除去。
牛頓對女人完全不感興趣。他一生中唯一有感情的人物,是瑞士數學家法提歐・德・堆里葉(Fatio de Duillier)。在法提歐似乎要返回瑞士的時候,他開始密集地與他通信,但突然在 1693 年無疾而終。之後沒多久,牛頓寫了一封信給塞繆爾・皮普斯(Samuel Pepys,知名的日記作家),表示不想再見到他;另外一封信他寫給約翰・洛克(John Locke,啟蒙思想家),指責他想把女人引入他的生活。這是他第二次失心瘋發作。
他恢復健康後,對學術生活不再有興趣,於是從 1696 年開始,他成為鑄幣廠總管,大舉取締假冒偽劣,把許多人送上絞刑台。他在 1703 年成為皇家學會的會長,並於 1704 年發表眾所矚目的光學論文,最後在 1705 年獲得安妮女王(Queen Anne)頒授爵士榮勳。
其後,他的科學著述大幅減少,反而把時間都用來詮釋聖經中但以理(Daniel)和約翰(John)的預言。
他晚年另外還涉入與德國科學家萊布尼茲(Gottfried Leibnitz)的筆戰。牛頓雖然早就發明了微積分,卻沒有發表,只在《數學原理》中暗示它的存在。後來,萊布尼茲自行獨立發展了微積分的算法,並且在牛頓之前先行發表。於是究竟是誰發明了微積分,成為兩人爭論不休的問題,牛頓愈來愈兇,並且在萊布尼茲死後還不放棄,繼續攻擊他的名譽。
牛頓也許可稱為有史以來最有影響力的科學家。他對科學的真知灼見——雖然斷斷續續——奠定了科學革命的根基,在許多面向上可以稱得上是現代科學的基礎。但為牛頓作傳的另一位有名人物,英國經濟學家凱因斯(John Maynard Keynes),也不忘牛頓也十分沉迷於赫密士主義、鍊金術、密教等傳統,他認為:「牛頓非理性時代第一人,乃魔術術士的最後一人。」(Newton was not the first of the age of reason: He was the last of the magicians.)
艾薩克・牛頓爵士在 1727 年 3 月 20 日過世。
https://www.telegraph.co.uk/…/day-1727-sir-isaac-newton-sc…/
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