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直覺與科學思維
送交者: -YDX- 2010年12月11日11:30:49 於 [教育學術] 發送悄悄話
漢代王充在《論衡》一書裡,把潮汐與月球的運動聯繫起來,說它“隨月盛衰”;其後的漢人,則通過類似磁感應之類的學說試圖把潮汐解釋為月球、太陽與海水之間的作用,“潮之漲退,並非海之增減,而是月臨於海,水往從之”(宋代余靖《海潮圖序》);“海水潮汐……間有大小之差,則系日月朔望,其精相感。”(北宋張載)。但他們都承認,潮汐的變化是一個很費解的事情。

如果說無神是漢文明的首要特徵,西方文明則是建立在神靈與迷信的基礎上。希臘人對潮汐的解釋很簡單:這是奧林匹斯山上某位大神的日常工作,倒也簡單明了。

牛頓以後,人們對物理世界的認識開始從定性走向了定量。物理現象的解釋不再是哲學似的空泛辯論,而是精確計算的結果。經典力學具體來說就是兩個方程,一個是牛頓的第二定律 f=ma,這是小學生都知道的。第二是,牛頓的引力方程,f= GmM/r^2。所有經典力學的問題都可以視為這兩個方程的正確運用。潮汐現象當然也不例外。

一般人在思考潮汐與月球引力關係的時候,他們的腦中也許是這麼一副圖像:地球是一個固定的籃球,上面有水,現在我用一個吸塵器在一面吸。結果是什麼?水應該被吸得偏向吸塵器一邊嘛。但這個解釋與觀測到的潮汐現象有巨大偏差:月球在地球背面的時候也會漲潮。

可見,潮汐這個問題的空間尺度和環境遠遠超出了人的直覺範圍。人不可能有直覺去感受星球在引力場中的自由運動。但是,我們一般都在遊樂場坐過垂直下落的電梯,也看到過翟志剛在神舟飛船里失重的情況。所以,我們對失重還是有一定的感性認識的。

按照這個思維下去,那麼我們應該知道,地球上的海水應該是感覺不到月球和太陽的引力的。這跟軌道上的飛船里的宇航員感覺不到重力是同一個道理。我們精確測量物體重量的時候,一般也沒有要考慮太陽、月亮是不是在頭頂上方。可見,月球的引力與潮汐現象不是一個直接對應的關係。

從另一個角度,也可以看出這一點。太陽對地球的引力遠大於月球對地球的引力,如果引力的大小決定潮汐,那麼潮汐應該基本取決於太陽而不是月亮才對。所以,我們應該簡單排除那個吸塵器吸籃球的模型。

如果想到這一步,剩下的事情就很簡單,在考慮月球、太陽引力的情況下列出地面物體的f=ma方程,我們發現地球表面的物體其實能感覺到一個細微的月球引力差(地表與地心處的月球引力差)。太陽之所以對潮汐的影響較小,是因為距離要遠得多,儘管其對地的引力比月球對地的引力大多,其引力變化卻小得多... 接下來的事情,就是初中代數了(參見:潮汐現象的解釋與計算 )

顯然在上面的思維過程中,問題的關鍵在於把地球的運動與失重現象相聯繫。這就直接找到了問題的核心。這就是一種高一層次的直覺,一種基於理性思維而不是實際經驗的直覺。而其他的,比如考慮地球、月球、太陽怎麼轉、考慮水的流體動力學,都是在兜圈子。所以說,科學能把複雜的問題簡單化,而沒有科學頭腦的人卻把簡單的問題複雜化。
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