苏菲的世界-第31章
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“世界真有这么简单就好了！”
“然而，在一五四三年，有一本名叫《天体运行论》（OntheRevolutions OFtheCelestialSpheres）的小书出版了。作者是波兰天文学家哥白尼（NicolausCopernicus）。他在这本书出版当天就去世了。哥白尼在书中宣称，太阳并未绕地球运行，而是地球绕太阳运行。他根据观察各星球的心得，认为这种可能性很高。他说，人们之所以相信太阳绕着地球转，是因为地球绕着自己的轴心转的缘故。他指出，如果我们假设地球和其他星球都绕着太阳转，则我们所看到的天体运转现象将会变得容易理解得多。我们称这种观念为‘以太阳为中心的世界观’，也就是相信万物以太阳为中心的意思。”
“这个世界观应该是正确的啰？”
“也不全然。哥白尼的主要论点—一地球围绕着太阳转——当然是正确的。不过他宣称太阳是宇宙中心的说法可就错了。我们现在已经知道太阳系只是宇宙中无数个星系之一。宇宙中共有数十亿个银河系，围绕太阳的星系只是其中之一罢了。哥白尼并且相信地球和其他星球都在圆形的轨道上运转。”
“难道不是吗？”
“不。他之所以相信轨道是圆形的，只是根据‘天体是圆形的，且绕着圈圈转’这个古老的观念。自从柏拉图的时代以来，球体与圆形就被认为是最完美的几何图形。但在十七世纪初期，德国天文学家克卜勒（JohannesKepler）发表了他广泛观察的结果，显示各星球实际上是以太阳为中心，绕着椭圆形的轨道运转。他并且指出，一个星球在轨道上愈接近太阳的地方，运转的速度愈快，离太阳愈远则愈慢。在此之前从来没有人明白提出‘地球只是众多行星之一’的说法。克卜勒同时强调宇宙每个地方都适用同样的物理法则。”
“他怎么知道呢？”
伽利略“因为他用自己的感官来观察、研究星球运转的现象，而不盲目地接受古代的迷信。大约与克卜勒同一时代的还有一位意大利科学家伽利略。他也用天文望远镜来观察天体的运转。他在研究月球的表面后，宣称月球像地球一样有高山、有深谷。更重要的是，他发现木星有四个卫星。因此地球并非唯一拥有卫星的星球。然而，伽利略最伟大的成就还是他首度提出所谓的（‘惯性定律’。”
“那是什么意思？”
“伽利略的说法是：”如果没有外力强迫一个物体改变它所处的状态，则这个物体将会一直维持它原来静止或移动的状态。“
“这谁都知道呀！”
“但这个观察很有意义。自从古代以来，反对‘地球绕着自己的轴心转’这个说法的人士所持的主要理由之一就是：地球果真绕着自己的轴心转的话，则它的速度会很快，以至于当你垂直丢一块石头到空中时，它会掉落在好几码之外。”
“那这种现象为什么不会发生呢？”
“如果你坐在火车里，把一个苹果丢在地上。苹果并不会因为火车正在移动而向后掉落，而是垂直落地。这是由于（‘惯性定律’作用所致。苹果维持在你将它丢下以前同样的速度。”
“我懂了。”
“伽利略的时代并没有火车。不过如果一个人一直向前运球一旦突然放手后……”
“……球会一直滚动……”
“……因为在你放手后球仍然维持原来的速度”不过它最后还是会停下来，如果房间够大的话。“
“那是因为有其他外力迫使它停下来。第一种力来自于地板，尤其是那种粗糙不平的木头地板。然后则是重力。在重力的作用下，球迟早会停下来，不过，请等一下，我先让你看一样东西。”
艾伯特站起身来，走到那张古老的书桌前。他从抽屉里拿出一样东西，走回原来的地方，并把那样东西放在茶几上。那是一块木头板子，一端有三、四公分厚，另一端则极薄，整张板子几乎就把茶几占满了。艾伯特在板子旁放了一个绿色的弹珠。
“这叫做斜面，”他说。“如果我在比较厚的这一端把弹珠放掉，你想会发生什么事？”
苏菲无可奈何地叹了口气。
“我跟你赌十块钱，它会一直滚到茶几上，最后掉在地板上。”
“我们试试看。”。艾伯特放掉弹珠。它果真像所说的那样滚到茶几上，然后啪一声掉在地板上，最后碰到了通往走廊的门槛。
“真了不起呀！”苏菲说。
“可不是嘛＇这就是伽利略所做的实验。”
“他真的有那么笨吗？”
“别急，他是想透过各种感官来观察事物的原理。我们现在只不过刚开始而已。请你先告诉我弹珠为何会沿着斜面滚下去？”
“因为它有重量。”
“好，那么请你告诉我重量是什么。”
“这个问题问得太逊了。”
“如果你不能回答，它就不算逊。到底弹珠为什么会滚落到地板上？”
“因为重力的缘故。”
“答对了，你也可以说是地心引力。重量与重力有关，而重力就是使得弹珠移动的那个力量。”
此时艾伯特已经把弹珠从地板上捡起来了。他再度俯身站在那块斜面上方，手里仍拿着弹珠。
“现在我要试着让弹珠滚过斜面。”他说。“你注意看它怎样移动。”
他把腰弯得更低，瞄准目标，试着让弹珠滚过斜面。苏菲看到弹珠逐渐沿着坡面斜斜的滚了下来。
“发生了什么事？”艾伯特问。
“它斜斜地滚，因为板子有坡度。”
“现在我要在弹珠上涂墨汁……然后我们就可以看看到底你所谓的‘斜斜地滚’是什么意思。”
他找出一只墨水刷，把整个弹珠涂黑，然后再度使它滚动。这次苏菲很明显看到弹珠在斜面上滚动的路径，因为它滚过之处留下了一条黑线。
“现在你可不可以描述一下弹珠移动的路线？”
“是弧形的……看起来好像是一个圆圈的一部分。”
“一点也没错。”
艾伯特抬头看着苏菲，眉毛抬得高高的。
“不过那并不完全是圆形。这种图案叫做抛物线。”
“哦？”
“嗯。可是弹珠为什么会这样滚动呢？”
苏菲用心地想了一下，然后说：“因为板于有坡度，所以弹珠被重力拉往地板的方向。”
“对了！这岂不是太让人兴奋了吗？我随便拉了一个小女孩到我的阁楼来，做一个实验，她就可以领悟到伽利略所发现的原理！”
他拍拍手。有一阵子，苏菲很担心他已经疯了。他继续说：“你刚才看到的是两种力量同时作用在一个物体上时所产生的效果。伽利略发现这个原理同样也适用在炮弹等的物体上。炮弹被推入空中后在一段时间内会继续飞行，但迟早会被牵引到地面上，所以它会形成像弹珠滚过斜面一样的轨线，这是伽利略那个时代的新发现。亚理斯多德认为一个斜斜向空中抛出的抛射体会先呈微微的弧形，然后垂直地向地面降落。但实际情况并非如此。
不过没有人知道亚理斯多德的错误，除非用实验来证明。“
“这个定律有什么重要性吗？”
“当然！孩子，这件事意义非凡，而且肯定是人类史上最重要的一项科学发现。”
“为什么呢？”
牛顿“后来，在一六四二到一七二七年间，有一个名叫牛顿（IsaacNewton）的英国物理学家，他是将太阳系与星球轨道描述得最完整的一个科学家。他不但能说出各星球如何绕太阳运转，而且可以解释它们为何会如此运转。其中一部分原因就是因为他参考了我们所称的‘伽利略动力学’。”
“那些星球是不是就像滚过斜面的弹珠一样？”
“是的，有点像。不过不要急，苏菲。”
“急也没有用，是不是？”
“克卜勒曾经指出，各星球之间一定有某种力量使它们相互吸引。举例来说，太阳一定有某种力量使得太阳系内的各星球都固定在轨道上绕着它运转，这也是为何那些星球在离太阳愈远的地方移动得愈慢的缘故。克卜勒并且相信潮汐的涨落一定是受到月亮引力的影响。”
“的确是这样，不是吗？”
“没错，是这样。不过伽利略反对这种说法。他嘲笑克卜勒，说他居然赞同‘月亮掌管海洋河流’的说法。这是因为伽利略不相信别重力能够在很远的距离外或各星球之间发挥作用。”
“这回他可错了。”
“嗯。在这一点上他是错了。这事说来也满奇怪的，因为伽利略一直专心研究地球引力与落体的原理。他甚至发现在引力增强时物体的移动会如何受到影响。”
“你刚才不是已经开始谈到牛顿了吗？”
“是的。然后牛顿出现了。他提出我们所谓的‘万有引力定律’，就是说宇宙间两个物体相互吸引的力量随物体的大小而递I增，并随两物体之间的距离而递减。”
“我懂了。例如，两只大象之间的引力要比两只老鼠之间的引；力要大。而同样一座动物园内的两只大象之间的引力，又比在印度的一只印度象与在非洲的一只非洲象两者之间的引力要大。”
“没错，你的确懂了。现在我们要谈到最重要的一点。牛顿证明这种引力是存在于宇宙各处的。也就是说，它在宇宙每个地方都发生作用，包括太空中的各个星球之间。据说他是坐在一棵苹果树下悟出这个道理的。当时他看到一个苹果从树上掉下来，他便问自己：月球是否同样也受到地球力量的牵引，才会恒久绕着地球旋转？”
“聪明。不过也不算真的很聪明。”
“为什么呢？”
“这个嘛……如果月球是受到促使苹果落地的同样一种引力的影响，那么总有一天月球会撞到地球，而不会一直绕着地球转了。”
“这个我们就要谈到牛顿的行星轨道定律了。在这个问题上，你只对了一半。月球为什么不会撞到地球呢？因为地球的重力的确以强大的力量牵引着月球。你想想看涨潮的情景，要将海平面提高一两公尺需要多大的力量呀尸”这个我不太懂。“
“你还记得伽利略的斜面吗？当我让弹珠滚过斜面时会有什么现象？”
“是不是同时有两种力量在影响月球？”
“一点没错。很久以前，当太阳系形成时，月球被一股很大的力量抛离地球。由于它在真空中移动，没有阻力，因此这股力量会永远不停地产生作用……”
“但它同时也受到地球引力的影响，被拉向地球，对吗？”
“对。这两股力量都是持续不停的，而且同时发生作用，所以月球才会一直绕着地球旋转。”
“它的原理真的就这么简单吗？”
“就是这么简单。而这种‘简单性’正是牛顿学说的重点。他说明少数几种自然法则可以适用于整个宇宙。在计算行星轨道时，他只应用了伽利略所提出的两个自然法则。一个是惯性定律。牛顿说明所谓惯性定律就是‘一个物体除非受到外力的作用使它改变状态，否则它会一直处在静止或呈直线进行的状态’。另外一项定律是伽利略利用斜面证明的定律，就是：当两股力量同时作用于一个物体上时，这个物体会循椭圆形的路径移动。”
“而牛顿就以此来解释为何所有行星都围绕太阳旋转？”
“没错。由于受到两种强弱不同的力量的影响，所有的行星都在椭圆形的轨道上绕太阳旋转。其中一种是在太阳系形成时，他们呈直线进行的力量，另外一种则是他们受到太阳重
