第5章 赤道上的怪事情
那是老天爷,老兄,弄得我们在这世上团团转……——梅尔维尔(Herman Melville),《白鲸记》(Moby-Dick ),1851
高踞海拔近3000米处的基多(Quito),空气如此稀薄,游客若不先停下来喘一喘,很少能一口气走完两个高低起伏的路口。我会在这儿,很简单,是因为厄瓜多尔的首都是世界上唯一一个不偏不倚坐落于赤道上的城市。在这儿,我们这颗行星的自转把每一个行人绕着地球轴心甩出去的速度,比任何地方都要快——每小时1670千米。 [1]据说赤道也提供了独一无二的机会,让我们目睹地球对水流的奇特效应。因为人体和人脑的组成成分大部分是H2O(水),我想亲眼看看我们最亲密的伙伴们——旋转的世界与漩流的水——之间的这种关系。我听说厄瓜多尔政府把一座大型博物馆盖在赤道上,而且每天都有展示表演。
赤道不只是地球上转得最快、月亮和星星飞掠天空最快速的地方。拜离心力所赐,地球有点像旋转木马,而赤道上的人们稍微被抬离了我们的世界,就像坐在高速旋转木马的外圈一样。一个壮汉在基多的体重会比他在费尔班克斯少0.45千克,这让基多成为保证立即见效的减重诊所眼中有机会大赚一票的地点。
而且,因为我们的行星是卵形——腹部隆起使得地球在两极的直径比在赤道的直径少了42千米——中央部位也是你最靠近月球和太阳的所在。那些浪漫情歌不是会提到大大的热带月亮?那是真的——尽管大小相差仅仅一个百分点而已。我很好奇有多少这类的科学花絮会表现出来。
当我下了租车(我很喜欢说这句话:“载我去赤道!”),扩音器传来乐队演奏萨尔萨舞曲音乐震耳欲聋的声音,几乎令我倒退三步,展现出这个地区对寂静出了名的不放心。我所驻足的大型复合广场,有花岗岩台阶、小礼品店和开放空间,叫作Mitad del Mundo(厄瓜多尔赤道纪念碑),意思是“世界的中央”。在广场中心,一座几层楼高的石质方尖碑镇住全场。一条嵌在地上的线从这座纪念碑向外放射,朝相反的两个方向延伸了数百英尺。赤道在此!
以南美其他地区为主的观光客叉着腿横跨这条线,这样才能拍到他们一脚在北半球、另一脚在南半球的照片。震耳欲聋的快乐音乐、灿烂的日照、缤纷多彩的衣着和空气中始终朝气蓬勃的笑声——这不是地理学狂人做书呆子并追根究底的去处,而是嘉年华游乐的场所。
除了它不是真的在赤道上。
很久以前,在GPS精确定位之前的年代,政府单位把纪念碑盖在错误的地点上。当然,没有任何介绍手册真的这么说,你只有在导游们的悄悄话里才能得知,他们似乎是按捺着兴奋在散布秘密,看不出有谁在乎这件事。
我很快就知道,真正的赤道要沿着这条路往北0.4千米,在那儿我们可以看到流水展示。离开官方盖的这个梦幻复合广场,以及巨大的石造物和繁忙的纪念品摊位,我顺着窄窄的高速公路步行,直到抵达一处标示牌,上头夸耀着赤道本尊就在布满灰尘的泥巴路那头。标示牌上的箭头指向那条路。我一边跳过坑洞,一边在稀薄空气中喘着气,最后来到一座私人博物馆,画着它自己的赤道线。我遇到的第一位解说员说,没错,现代测量证明,这才是真正的赤道。我查了我的手持GPS,完全无法确定她对不对。
截至此时,我只知道一件事:我们这颗行星的赤道有“竞争对手”,它们各自拥众多游客。我很快从我的GPS搜集到资料,并获得一位官员证实:货真价实的赤道不在这两个地方,而是要再往北几百码[2] ,在空无一物的草地上。如果你正在寻找商机,把这块地买下来,铺上道路,然后画上第三条赤道线。人群似乎多到足以支持很多条这样的线。
博物馆提供中场不休息的表演。这些表演多半很荒谬,包括一个穿牛仔裤的女人站在一张折叠桌上,她唯一要做的就是保持托盘上的一颗蛋平衡,然后以双声道宣称这只有在赤道才会发生。最后,我终于抵达我的朝圣地,那场的确每十五分钟吸引十二位民众的展示——据说可以证明水在南、北半球各以反向漩流而下。这种展示的即兴变奏版也为许多非洲村庄的观光客表演,已经成了赤道版的“时尚要事”,就像为了寻找绿光,已经把看夕阳从以往随兴所至的美事变成了科学大业。 [3]一名迷人的年轻女子探身到一个坑坑巴巴的金属小盆上,拔掉了塞子,群众看着水呈螺旋状顺时针通过排水管流进下面一个大塑料桶。然后她和助理把盆子拖行3米越过可疑的赤道线,脚架在水泥地上刮出刺耳的声音,所有人都皱起了眉头。我很好奇他们干吗不干脆买一个有轮子的盆,显然他们日复一日在做这件事。两个面带微笑的厄瓜多尔人又倒水进去,女子把塞子拔掉,当然,水反向漩流而下。群众发出赞赏的低语,一厢情愿地相信了。我必须承认,这很戏剧化,而且很有说服力。
这组观众往前移动,下一组正要走过来。我留住解说员,小声地说:“我可以自己动手做做看吗?”她的大眼睛对上我的,透露出一丝警戒的意味。于是她竖起手指表示“等一下”,急忙去找负责人。
只不过几秒钟,一位笑容满面、大腹便便的中年男子现身并伸出手要和我握手,我竭尽所能以结结巴巴的西班牙语介绍自己是个科学作家。我大概是把自己介绍成以小丑为业,因为他的反应是放声大笑。我很快就知道他是那种稀有的幸运儿之一,因为在他眼中,世间万事万物皆有趣。
“你当然可以操作这个展示,”他咯咯笑着说,但接着稍稍降低音调,瞄着正要过来的下一组观众,“只是务必要以正确方式把水倒进去。在赤道线另一边要从右边倒”——说到这儿,他摆了个从旁边把桶子倒空的姿势——“然后盆子在线的这一边就从另一个方向倒。
要让水照我们想要的方式往下流,这是唯一的办法。”
换句话说,整件事都是他们在造假。
“但这样的展示是场骗局!”我表示抗议。一听这话,负责人笑得如此开怀,我突然希望能把他永远留在身边。我想如果他提出请求,我会在婚礼中把我女儿的手放到他手中。
“这个嘛,或许是吧!”他边咯咯笑着边说,“但我们只说这是展示。如果我们不这么做,就行不通了。观光客爱得很呢。”他瞄了一眼盆子附近的标示牌,说:“不然,我们要怎么教他们认识科里奥利效应(Coriolis effect)呢?” [4]博物馆的标示牌确实解释了水因为所谓的科氏效应,在南、北半球以不同方式往下流,标示牌还说这也影响了其他很多事物(这当然影响了很多富于企业精神的非洲村落,那些地方的居民根据同一项作假展示,进行了各种不同版本的表演)。
这整件事大概从1651年就开始了,当时意大利科学家里乔利(Giovanni Battista Riccioli,1598—1671)出版了他的著作《新宇宙体系》(Almagestum Novum ),书中说因为地球自转之故,加农炮弹轨迹应该会怪异地向右弯。这是个危险的命题,因为不过是十八年前,伽利略上宗教法庭接受审问,被迫发誓地球一动都不动。
公开谈论地球自转的自由,早在1792年法国数学家暨工程学家科里奥利(Gaspard-Gustave de Coriolis,1792—1843)生于巴黎时就已经确立,那是路易十六被送上断头台的几个月前。他是个科学神童,在声誉卓著的综合理工学院入学测验中高居第二,后来当了工程师,对涉及运动的各种科学领域仍有重大贡献,像是摩擦、液压和水车——尽管他年轻时身患慢性疾病。
40岁的他,由于在力学和运动学方面的多篇开创性论文,其才华在科学院院士之间享有盛名。科里奥利发明并确立了“动能”和“功”等用语,这些用语至今仍被普遍使用。他接下来又在想什么呢?他在1835年对撞球游戏的数学和物理学做了崭新敏锐的分析,令科学院喜出望外。(这就是不善交际的科里奥利在他太太外出买靴子时消磨闲暇时间的方法!)就在同一年,他发表了那篇终将令他得享盛名的论文,他的名字将被21世纪无数的赤道游客日复一日地提及。
但今天没有人记得论文的题目,因为这个题目似乎是刻意设计来治疗失眠用的:《论物系相对运动的方程组》(Sur les équations dumouvement relatif des systèmes de corps )。全文有三个章节,在其中的第二个章节里,科里奥利谈到运动物体如何转弯,不过他从未提到地球的自转或大气层。
科学家很快就意识到,科里奥利已经完全解释了为什么加勒比海的飓风总是逆时针旋转,为什么炮弹会偏离目标,以及为什么一辆平衡毫无问题的汽车在平坦的高速公路疾驰时,会惹人生气地往右偏(每年不知有多少消费者付了几百万不必要的花费做四轮定位,无疑都是受了这一效应的愚弄)。20世纪初期,气象学家开始用科氏力(Coriolis force)这个词,来描述大型风力与暴风系统的变化无常。
但时至今日,科氏效应遭误解仍是家常便饭。冲马桶不会使水来配合我们所在位置的特定方向漩流而下。不过,这种效应的确会出现棒球选手到手的全垒打泡汤这类怪事。在打击者面向北或南的球场上,球棒击中的球会向右弯转2.5厘米,因此它偶尔会飞出界外,如果没有科氏力,这球就会留在界内。
不幸的是,在这个让物理学尽可能单调乏味的伟大传统下,有关科氏效应的解释大半会扯到惯性、参考坐标、角速度和所谓的罗士培数(Rossby number)等讨论。真是遗憾,因为科氏效应其实很容易理解。想象两个小孩坐在旋转木马的两端,拿一颗球丢过来、丢过去。
如果这座旋转木马的转动方式和地球一样——由上往下看是逆时针,那么丢球的小孩会观察到球明显往右弯。如果想让他的朋友接到球,所需要的修正量可不小。
在大多数古希腊人的想象中,要是地球会自转,那么往上跳的人下来时会落在不同的位置上。但事实上,所有物体都参与了局域运动(local motion)。假如你住在迈阿密,那儿的地面和所有事物都以每小时1500千米向东疾驰。在你北边的地点转得比较慢,在你南边的移动得比较快。现在假想你买了一管马铃薯炮筒,这东西利用可燃气体或压缩空气,能把马铃薯射得很远。0.8千米应该没什么问题,但假设你打造了一座大贝塔级(Big Bertha)的马铃薯炮,可以把整个爱达荷州的马铃薯抛出完整的1纬度,也就是110千米,接着你朝北边发射。迈阿密往北才110千米,地面的移动速度每小时便慢上13千米。
[5] 马铃薯不知道这一点,所以当它在飞的时候,同时也以出发地迈阿密的自转速度向右飞,也就是向东飞。在它继续飞行的同时,它下方的地面移动得越来越慢。结果:马铃薯飞弹直线飞行,但地面上的任何人都看到它向右弯。
假如你掉头瞄准基韦斯特岛(Key West)喧闹的杜瓦街(DuvalStreet),也就是朝南。迈阿密往南才1度,也就是110千米,地面移动速度每小时便比迈阿密快了13千米。所以,朝南的马铃薯所飞越的地面跑得比它快。马铃薯一直在落后,结果是它看起来又往右弯,地面上的任何人都能亲眼看见。
所以,弹道飞行物体无论向北或向南发射都会向右弯(在我们北半球就是如此),只有那些向东或向西射的物体会直飞。这就是科氏效应。如果马铃薯以每小时110千米的速度猛冲,而且神奇地在空中飞了一小时,它将会降落在预定目标右边整整13千米的远处。
除非粮仓爆炸,一般来说,马铃薯不会在我们周遭飞来飞去,但云和气团会。想象一个低气压风暴,就像飓风,空气试图从周遭的高气压区冲进去。在这个过程中,空气以不同的旋转速度飞越地面,结果有右转倾向。答对了:一个逆时针旋转的圆形暴风。 [6] 这就是为什么飓风从不在距赤道560千米内形成。那儿不存在足够的科氏偏转,因为地球自转速度在热带地区相当一致。那儿的空气移动控制在一条还算直的路径上。 [7]科氏力也解释了为什么美国大部分地区每天的风都从西吹来。空气因为赤道的热而上升,然后朝北极而去。这么一来,就会向右偏转。瞧,这就是我们的盛行西风。
现在来看看你家的马桶。马桶槽内两侧的水也参与了地球自转。
如果你住在北美、欧洲或亚洲,马桶南侧的水移动得比北侧的水快。
这不是应该会对水产生推力,因此当你按下冲水开关时,水就逆时针旋转冲下排水孔吗?
我们来算算数学吧。算出来的结果显示,30厘米马桶槽两侧的地球自转速度差值和厨房挂钟时针的转速值相同。时针,基本上静止不动。马桶槽两侧的地球自转速度差值不是零,但显然怎么样也推动不了4.5千克重的液体,倒是涡流的方向完全取决于注入水流的方向,而这是由那些隐藏在马桶磁嘴内侧的小洞决定的。水槽或浴盆的排水涡流方向则取决于水槽或浴盆的水平程度。
科里奥利从未触及过这类问题,他甚至没听说过“冲水马桶”。
事实上,虽然他成了杰出的数学、物理学和机械工程教授,到最后还在声誉卓著的综合理工学院担任研究指导,却没能在生前看到他的名字和自己发现的效应广泛相关。就像王尔德小说主角多瑞安·格雷(Dorian Gray),科里奥利英俊帅气、面容白净的外貌只是虚有其表,其实他的身体常年受病痛之苦。他在1843年的春天发觉自己的精力快速萎弱,拖到那年夏天就过世了,享年51岁。
我们已经明白,这颗行星的运动并未展现在马桶槽的水流旋涡中,真正加以展现的是每天拂过我们脸颊的西风。但我们有没有任何办法,就在这个房间里,能确定我们住在一个旋转球上?这个课题让另一个法国人为之着迷,他是1819年生于巴黎的傅科(LéonFoucault)。
傅科运用每秒转800圈的多面镜,进行了有史以来第一次的光速精确测定。1845年,他和另一位法国人也成为最先拍下太阳照片的人。
回顾当年那个银版摄影的时代,即使是这么明亮的物体,还是需要曝光很久,傅科运用了转仪钟,那是一种挂在望远镜底下的齿轮装置,能追踪横越天空的太阳。就是在运用这种常见的天文装置时,他注意到,像单摆一样摆荡的悬挂制动重锤似乎慢慢改变其定向。大吃一惊的傅科恍然大悟——这是让人想大叫的一刻——他意识到改变的不是单摆的路径,而是望远镜下方的地面。事实上,单摆相对于宇宙维持着近乎恒定的摆荡面。
出版商之子傅科是天赋异禀的教师与科普推广者。他花了点时间打造一座巨大的单摆,把一颗28千克重的巨大铁球用一条线从20层楼高处悬挂下来。然后,他让单摆在巴黎万神殿摆荡起来。(今天有谁会做这种事?)球的底部焊上一根锐利的金属针尖,在他铺于地板的沙子上刮出了线。众人看着刮线位置改变,这证明仪器底下的地球正在转动。这是第一次能在一个房间内无可反驳地展示我们的转动世界。
这个单摆不只在整个19世纪末无休止地被复制且大受欢迎,时至今日依然如此——即使是我们这个科技快速发展的年代。在预算严格受限的2007年,当时纽约州立大学要在最负盛名的荣誉学院杰纳西奥分校(Geneseo)建造新的科学建筑,他们几乎没有钱可以用来装饰。
尽管如此,他们还是在大厅设置一座巨大的铜质傅科摆,前后摆荡以迎贵宾。 [8]尽管傅科是在家自学,尽管他舍弃了原本要投身医学的计划,因而令家人失望(他对血有一种几近恐惧症的神经质反应),但他改变了世界。是他造出“陀螺仪”(gyroscope)一词,改善望远镜镜片并揭露光速的奇特行径,包括光速如何在特定条件下变慢。最重要的是,他以引人注目的单摆,作为我们这个世界正在旋转的明证,取得了全球性声誉,因而在1855年获颁伦敦皇家学会的科普利奖章(Copley Medal)——相当于那个年代的诺贝尔奖。
遗憾的是,傅科在长寿这方面表现得并没有比科里奥利好。正当他声望攀上高峰之际,身体突然出现令人吃惊的衰退恶化,很可能是进程快速型的多发性硬化症所导致,仿佛他的人生单摆戏剧性的一荡,亲人至交都感到震惊。他在1868年过世,享年48岁。
在我们这个旋转世界的各地科学博物馆中不停摆荡的单摆旁,如果你有本事找到傅科的名字,或许你也会注意到,埃菲尔在他那座铁塔的第一层平台上铭刻了72位科学泰斗的姓氏——包括科里奥利——傅科大名也在其中。
[1] 想知道在你家那个镇上,地球把你转得多快吗?只要有任何一种工程用计算器,很容易就能知道。首先,把你家的纬度打上去(不知道?只要Google一下就行了。格拉斯哥是北纬56度,布里斯托是北纬51度)。接着,按COSINE键,你会看到一个介于0和1之间的数字。以格拉斯哥为例,是0.599。把这个数乘上每小时1670千米,就完成了。
[2] 码,英制中丈量长度的单位,1码等于3英尺。
[3] 绿光出现在最后一点落日由橘变绿之时,只有一两秒。如果我的经验对其出现频率有参考性的话,你可能每十六、十七次落日会看到一次。我看过十五次,不过我已经找了大约二百五十次。之所以发生这种情形,是因为太阳的影像其实是由略有重叠的多重颜色所组成。当其他“太阳”全都下山了,最后一个的顶层末端应该会是蓝色,只是不会有任何蓝光残留,因为蓝光被地平线厚厚的空气给散射掉了。所以,最上面的太阳其实是绿色。但只有在空气非常平稳且温度均匀时才看得到,在海上有时就会看到。
[4] 科里奥利效应系指在转动系统中出现的惯性力,例如地球的自转偏向力,导致北半球气流向右弯、南半球向左弯。——译者注
[5] 大贝塔为第一次世界大战前夕德国开发的重榴弹炮,爱达荷州盛产马铃薯,有马铃薯州之称,故作者有此说。——译者注
[6] 如果你从外侧接近圆形、逆时针旋转的暴风,就像空气流入那样,风是朝右偏转。
但如果你困在暴风内部,像我没多久前那样,那么风是从右吹向左。
[7] 从基多往北走110千米,所产生的地球转速差异仅仅每小时0.32千米。但如果你从阿拉斯加巴洛角(Point Barrow)往北行进同样的110千米,你会来到一个地球转动变慢程度多达每小时27千米的地方。因此,讽刺的是,尽管所有观光客都在赤道花了钱对科氏力大惊小怪,但科氏力在那儿小到可以忽略不计,以致绝不会形成像飓风这种旋转暴风。
本书评论