第四讲 地球的转动

↓1.通常的下落究竟是怎么回事?为什么地球不往下掉?

↓2.天空似乎在转动、车辆行驶使我们产生幻觉。

↓3.每十二个小时我们就会颠倒一次、为什么我们不会往下掉?

↓4.地球的速度和炮弹的速度、飞虫翅膀的拍击、地球不动所引发的奇怪结果、永恒的经济节省原理。

↓5.摆、摆动线的不变性。

↓6.车轮、用来证明地球是转动的。

↓7.用信风来证明地球是转动的。

↓8.地球转动的景象。

↓1.地球孤零零地在广袤的宇宙中遨游,没有任何支撑。那它为什么不会掉下去呢?地球是那么的重呀!我们首先来解决这个问题。你们能在自己的头顶上方看到什么呢?一片的空旷、空间、天宇。在大地的另一端,在地球的对面,在与我们的脚相反的另一侧,你们能看到什么呢?还是一片宇宙与天空。在我们的左边和右边又能看到什么呢?天空,永远都是天空。无限的空间,或者像我们所说的天宇,在地球的周围向着四面八方延伸出去。

这样看来,地球会向空间的哪一个方向掉下去呢?只要告诉我哪边是地球的下边、哪一边是它的上边就行了。如果天空是在上边的,但若想想我们就会知道在地球的另一端也是天空,它与我们在这边所看到的是一模一样的。不仅如此,就是在地球上的任何一个地方,这种情况都是相同的。如果地球并不向着我们头顶的天空飞去——这一点对于你们来讲是很容易理解的,那么它为什么要向着另一边的天空飞去呢?向着天空的另一端落下去,这就好像一个气球离开地面升起来一样。你们以前从来都不会问,为什么地球不会向天空的方向升去。那么你们也不要问为什么它不会落下来,因为这两个问题是一样的。落下去也就是靠近那个产生引力而使其下落的物体。如果在地球的外面什么都没有,没有任何引力施加于我们地球,那么,地球的下落不管是向着哪个方向,都是不可能的。因此,地球就会永恒地处于大自然将其安置的那个空间位置中。或者说,一旦地球被大自然置于宇宙中,它就会沿着一条直线无止境地穿梭于宇宙中。但是如果在天空中有个天体,它具有足够大的引力能够控制地球,在这种情况下,那么我就会立即承认,地球会向着这颗主宰它的天体移动。但事实上,地球的下落是并不像我们所认为那样的。它向着太阳落去,太阳巨大的质量不断地吸引它,不断将它拉向自身。由于地球转动产生离心力而抵消了太阳对地球的万有引力,这暂且不论。我们在后面还会讲到这个重要的问题。

↓2.在我们看来,天空就像一个巨大的空心球,而我们呢,则处于这个球的中心。天空就像一个镶着密密麻麻星星的穹顶一样。在24个小时中,似乎天空这个球体携着它的群星速度均匀地绕着地球转了一圈。但通过望远镜观察,我们知道,天空像个球体,这是我们所看到的幻觉。我们知道,天空向着我们的四面八方延伸出去,我们根本就看不到它的边界;我们还认识到,太阳并不是一个发光的小盘子,而是一个比地球还要大得多的球体。星星从表面上看只是微微发光的物体,实际上它们的亮度与体积都可以和那些巨大的天体相媲美。天文望远镜告诉我们,那些星体与地球的距离并不相等,有些离我们近,有些离我们远。但是它离我们的距离要比我们肉眼所看到的还要遥远得多。这时,我们在脑海中就会产生疑问,到底是这个巨大的苍穹带着无数的星体围绕着地球从东往西旋转呢?还是地球自身在沿着相反的方向由西向东旋转呢?如果实际上地球是从西往东旋转,那么天空看起来就是跟平时所看到的一样——我们所看到的星体就会总是从东边升起,从西边落下。但是因为我们没办法察觉到自己的运动,故而我们就会以为自己是不动的。

在坐火车时,我们每个人都会注意到:铁路两旁的树、杆子、篱笆、房子,它们都仿佛能动起来,并且向着与我们前进相反的方向跑去。如果我们认为自己是静止不动的,那么我们就会推断出是外面的那些物体在向后狂奔。如果不是感觉到火车的颠簸,那么这种感觉就会更加彻底,我们就会认为田野在疯狂地奔跑。在行驶的马车上,或是在行驶的船上,我们都会有相同的感受。因此,每当我们被一种平稳的运动带着向前行进时,我们就会感觉不到自己在动;尽管周边的物体是静止不动的,却仿佛在向着我们相反的方向移动。

↓3.如果地球自身是从西往东旋转,我们就不会察觉到这种运动。因为这种运动不会产生颠簸,也没有其他特点。这样,我们就会认为我们自己是不动的,相反,我们却会认为其他各种天体在运动,也就是说在与我们相反的方向即自东而西地旋转。天空及其星体围绕地球的旋转,只是我们的一种幻觉。这就像我们刚才所说的,田野里的树会沿着我们列车相反的方向往后奔跑一样,也是一个幻觉。

到底是天空在转动,还是地球在转动呢?如果是地球在转的话,那么你们就必然会遭遇到以下的困难:地球在空间中运转,每二十四小时转上一圈;而每过了十二个小时,我们就会被地球带着转了半圈,而我们在地球上的位置就会处于与十二小时前相反的位置上。起初,我们的头在上面,而脚在下面;但过了十二小时之后,我们就会颠倒过来,这时,我们的头会在下面,而脚在上面了。现在这个时候,我们是直立的话,那么十二个小时之后我们就会倒立过来了。那样一种倒立姿势是令人非常不舒服的,但为什么我们感觉不到呢?为什么我们不会被甩出去呢?这就像掉进深渊之中,为了不掉下去,我们应该拼命地抓住两边的可以支撑的东西一样。可是我们都没有。你们的观察是准确的,确实,每过十二小时,我们的位置就会和起初的位置颠倒一次,我们的头的位置就会转到脚的位置上。虽然我们颠倒了,但我们不会有任何落下去的危险,也不会产生任何不适。这是因为,我们的脚一直是处于下面的,也就是说站立在地上;而我们的头一直是向着天空的方向的。因为天空无所不在地包围着我们的地球,一旦我们认识到,在空间中到处都是一样的,那么到底是上面还是下面,那就没有任何意义了。所谓的上面还是下面,都是相对于地球而言的。下面指的就是地的方向,而上面指的就是围绕着我们的空间。虽然地球一直都在运转,但是由于地球的引力,我们一直都是脚向着地面、头向着天空的;我们一直都是站立着的,不可能向着没有任何引力的地方落下去。每过十二小时,我们跟着整个地球就会颠倒一次,但这并不会产生任何的不适和困扰。

↓4.由以上这些叙述,我们已经明白,旋转的地球不会让我们因为觉得自已会被甩出去而产生恐惧。但是另一个更严重的问题产生了。我们如何去相信,地球这样一个庞大的物体能够按部就班地绕着一个想象的轴运转呢?要使得这样一个巨大的球形机器运转起来,那得耗费多大的力啊?而且它的速度又该是多大啊?如果每过二十四小时,地球就会完成一次旋转,那么那些位于它表面中部的点,即处于它旋转轴大圆上的那些点,与此同时也会转动了4000千米,也即每秒转动了462米。这接近于炮弹刚脱离炮口所具有的速度。高山、平原、大海也都是以每秒钟大约0.1古里即400米的惊人速度做着圆周运动。我们实在不敢相信,具有这么大重量的物体能作这样惊人速度的运动。是的,我认为,我们共同努力并运用所有的机械手段来使地球动起来,这就像一只飞虫拍打翅膀推动大山一样,都是无效的。为了让这样一个庞然大物快速地运动起来,并且带动各大洲以炮弹一样的速度运动,这需要一种我们无法想象的推动力。但如果假设地球是静止的话,那么你会看到很多意想不到的后果。如果地球不动,那么所有的星体就会在每二十四小时转一圈,而太阳是一个比地球大140万倍的球体——这是我们在下一讲中会讲到的。假如你认为地球是不动的,那么仅仅是因为它太大了吗?就算地球是不动的话,那么太阳一定是动的吧?在太阳面前,地球只不过是一个小小的泥团而已。而且太阳的运转速度还要更快,因为它在单位时间内所要走过的路程还要更远。为了在24小时内转动一圈,太阳在每秒走过的距离是9200千米。这还不算什么,很多星体与太阳的大小都差不多,离我们最近的星体如果要围绕地球运转,那么它在每秒内所运行的路程则不少于20.8亿千米。另外那些离我们百倍、千倍远的星体,它们每秒内所经过的距离也将会是百倍、千倍。这是因为,如果地球静止不动这一点成立,那么就必须这样,就得有无数的比地球还要大还要重的天体,以一种每秒超过400米的距离,甚至是每秒几千千米、几万千米,直至每秒几十亿千米的速度来旋转。这样的运转机理是不符合理性的,它跟上面我们所提到过的经济节省原理“一个就够的话,绝不用第二个”相违背。因此,一劳永逸的解决办法就是地球围绕着它的轴转动,而不是星体围绕着地球转动。

↓5.尽管地球运转的速度是这样的快,但是它的运转却非常平稳,以致我们通常会感觉不到这种运动,甚至从来都没想到过。我们跟我们周围的物体一起被带着运动,我们发现自己跟这些物体之间的距离是不变的。就是这种相对位置的恒定性造成了一种我们似乎静止不动的印象。借助于一些巧妙的办法,我们就可以得到确认,地球是在我们的脚下并且带着我们转动。我们可以通过实验来证明这一点。下面让我们来做一个最简单的实验。

我们在一根细绳的一端,系上一个铅球。将绳子的另一端固定在一个地方,比如说A处,如图22所示。那么小球在摆动了几下之后就会处于静止状态。你们也会知道,绳子在最后会处于垂直的方向,即AB的方向。现在我们将小球拉至C处,然后放手。如果绳子没有系着小球的话,那么小球就会沿着直线方向下落;但是由于小球是被系在绳子上的,因此它就没有这样向地下落。小球受到地球引力的牵引,以悬挂它的点A为圆心,沿着圆上的弧CD滑落。当它到达点B的时候,它还要顺着这条弧继续向前到达点D。到了点D之后,它会重新折返,沿着弧CD滑落到点C的位置。而最后它又回到点D的位置。如此这般,经过一段很长的时间,直到空气阻力让它停止运动。假如细绳在点A处悬挂得很好的话,那么小球会来回运动至很长一段时间才静止不动。小球每次来回的这种运动,即从C到D、又从D到C的一次来回的周期运动,我们称之为摆动。同样,细绳以及拴在细绳上的小球,我们称之为摆。摆的摆动是由使物体下落的地球引力而产生的。小球的摆动区间是由悬挂的细绳所决定的。在小球的来回运动中,它沿着想象的圆弧CD而滑动,要么从左到右,要么从右到左,路线从来不会改变。在摆动过程中,小球的速度可能会慢下来,可能只经过圆弧CD的一部分,但它的路径从来不会改变。如果没有外在的力量来改变小球,那么小球就会沿着同一条圆弧来回摆动,并且这种摆动会一直长年累月地继续下去,而不会作任何改变。总而言之,摆动的圆弧这条路线会一直保持不变。因为在这样的一个装置中,没有任何力量能够使小球偏离原来的路线,它不会往这边偏一点点,也不会往那边偏一点点。


图22

↓6.如图23所示,我们在地面上放了一个车轮。在它的上方正对着轴的地方放了一个摆动着的摆。我们观察到,摆经过的弧线BC与轮上的点H与K相对应。如果车轮是静止不动的,而摆经过的弧线BC其路径不会改变。那么,摆在它的两个端点B与C,总是跟车轮上的点H与K相对应。这一点是显而易见的。但如果车轮是转动着的,那么点H与K的位置就会移动,车轮上跟B与C相对应的点也就会不断变动。如果车轮的运动通过某种方式被掩盖了,甚至我们都没察觉到这种运动,那么会发生什么呢?这种情形就仿佛我们坐在一辆向前行驶的车上,看到田野中的树都向着相反方向移动一样,我们也会产生类似的幻觉。由于摆的摆动经过的弧线是不动的,它一直不停地与车轮上的点相对应;而我们以为车轮是静止不动的,但实际上它是不停地在运动着的。这样一来,摆动所经过的弧线就会不停地对应着车轮上的不同点,由于我们以为车轮是静止不动的,因此我们就会认为是摆动弧线在转动了。如果车轮是从右向左转动的,那么在我们看来,摆的弧线就仿佛是从左向右转动了。


图23

现在请你们想象一下,假如在大厅的天花板上挂着一个很长的摆,摆绳上系着的不是小球而是一个沉重的大铁球。那么它摆动的时候,速度会特别缓慢。在某一时刻,大铁球与大厅的某一点相对应;过一会,它会与偏西一点的位置相对应;再过一会,它会与更偏西一点的位置相对应。也就是说,摆的弧线是慢慢地从东向西在变动着。那么,摆的路线会改变吗?不会的,你们知道它是不会改变的。因此,这一定是大厅的天花板在运动,一定是大地自身在运动,一定是地球在从西往东地自转运动着。

↓7.关于地球是转动的这个问题,我们还有另一个更强有力的证据,即信风。我们把赤道附近常年从东向西吹的风称为信风。第一批冒险穿越大西洋的那些航海者,即哥伦布船队,他们惊恐地看到,赤道上空这种方向永远不变的风吹着云总是向一个方向飘去。他们面对这无情的永不停息的东风,因为一无所知而惊骇万分,不停地问自己问别人是否还能回到故乡。那么如果地球是转动的,它就可以很好地解释这种信风的独特恒常性,也就是总是由东向西吹的原因了。

赤道附近是地球上最热的地区。从赤道向地球两极走去,温度会逐渐下降。赤道附近的热空气是比较轻的,它们会上升到高空;而那些从北边和南边吹过来的更重的冷空气,就会填上那些热空气上升后所空出来的地方。如果地球是不动的,那么产生的后果就是,在北半球会有风一直从北往南吹向赤道,而在南半球会有风一直从南往北吹向赤道,这与事实显然是不符的,但是由于地球是从西向东转动的,因此这些不断吹着的风的风向就会改变。实际上,大量吹向赤道的冷空气,会随着地球和大气的自转而在地球自转方向上具有一定的速度。但这种速度并不是在每个地域都相同的,这是因为,从地球的一端至另一端,围绕着地轴中心线的地表圆圈,并不是同样大小的。在赤道上的地表圆圈最大,向着两极逐渐减小;到了两极,这个圆圈就几乎变成零了,圆圈上的点随地球自转而具有的速度也会随圆圈的减小而减小。因此,在寒冷区域的空气,一开始会受地球转动的影响而具有一定的速度;而在离赤道越来越近的地方,空气的速度就跟不上地球自转的速度了。它会比地球的自转速度慢一点。而当地球由西向东转动时,会遇到这些比它慢的空气。于是就会产生这样的后果:仿佛这些空气在不动的地球上由东向西地移动。信风是这样产生的:两个半球的空气受到热气流影响而向着赤道方向流动,但它们的速度跟不上赤道附近的地球自转速度;因此当这些空气在赤道附近时就会产生一股强大的逆流,这样就造成了信风持续不断地往西吹的现象。

↓8.每隔二十四个小时,地球就会自转上一圈。由于地球自转的影响,我们此刻在空间中所占的位置,再过一会儿就会被别人所占据。大海、远处的地方、被雪覆盖的大山,就会占据我们所在的位置;而到明天,我们就会又回到原处。你们现在读着这几行字的地方,不一会儿就会被大海占据;而你们游戏的吵闹声,一会儿就会被大西洋的巨大涛声所淹没。不到一个小时,海水就会出现在法国了。我想想,再过一会儿,在大西洋上的一些大军舰就会载着很多大炮,顺风扬帆航行到我们这里了。大海过去后,现在来到这里的是北美洲,有加拿大的大片湖泊,还有一望无际的草原,在草原上,印第安人追逐着野牛。过一会儿,比大西洋还要广阔的太平洋来到这儿了,它要经过七个小时才能过去。在太平洋的一些岛上,渔夫们穿着毛皮大衣在晒鲱鱼,这些是什么岛呢?它们是位于堪察加半岛南部的库页群岛。它们很快就会转过去,快到甚至我们都没时间看它们一眼。现在到来的是黄皮肤的中国人和蒙古人,在这里我们可以看到许多新奇的事物。但是地球是一直在转动的,所以中国很快就会远离这里。一会儿到来的是中亚,在这里有堆满沙子的高原,有比云还要高的山峰。下面到来的是鞑靼人的牧场,牧场上有着成群的马匹。然后是里海的大草原,长着塌鼻子的哥萨克人生活在这里。接着是南俄罗斯、奥地利、德国、瑞士,最后是法国。——地球就这样转了一圈。你们不要以为,地球以炮弹的速度循序向前转动这一令人惊叹的情景,是我们可以通过肉眼看到的。这一景观,只有用思想的眼睛才能看到。你们以为乘坐热气球或飞艇升到空中,那样就可以看到地球带着它的各大洲各大洋在自转了吧?太天真了,事实绝不是这样的,这是因为大气层也会随着地球一起转动,由此会带动气球或飞艇一起转动,而不是停留在一个位置。这样,观察者就不能看到地球上各个不同的地区循序转动了。