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直觉与科学思维 2010-12-11 11:30:49
汉代王充在《论衡》一书里,把潮汐与月球的运动联系起来,说它“随月盛衰”;其后的汉人,则通过类似磁感应之类的学说试图把潮汐解释为月球、太阳与海水之间的作用,“潮之涨退,并非海之增减,而是月临于海,水往从之”(宋代余靖《海潮图序》);“海水潮汐……间有大小之差,则系日月朔望,其精相感。”(北宋张载)。但他们都承认,潮汐的变化是一个很费解的事情。

如果说无神是汉文明的首要特征,西方文明则是建立在神灵与迷信的基础上。希腊人对潮汐的解释很简单:这是奥林匹斯山上某位大神的日常工作,倒也简单明了。

牛顿以后,人们对物理世界的认识开始从定性走向了定量。物理现象的解释不再是哲学似的空泛辩论,而是精确计算的结果。经典力学具体来说就是两个方程,一个是牛顿的第二定律 f=ma,这是小学生都知道的。第二是,牛顿的引力方程,f= GmM/r^2。所有经典力学的问题都可以视为这两个方程的正确运用。潮汐现象当然也不例外。

一般人在思考潮汐与月球引力关系的时候,他们的脑中也许是这么一副图像:地球是一个固定的篮球,上面有水,现在我用一个吸尘器在一面吸。结果是什么?水应该被吸得偏向吸尘器一边嘛。但这个解释与观测到的潮汐现象有巨大偏差:月球在地球背面的时候也会涨潮。

可见,潮汐这个问题的空间尺度和环境远远超出了人的直觉范围。人不可能有直觉去感受星球在引力场中的自由运动。但是,我们一般都在游乐场坐过垂直下落的电梯,也看到过翟志刚在神舟飞船里失重的情况。所以,我们对失重还是有一定的感性认识的。

按照这个思维下去,那么我们应该知道,地球上的海水应该是感觉不到月球和太阳的引力的。这跟轨道上的飞船里的宇航员感觉不到重力是同一个道理。我们精确测量物体重量的时候,一般也没有要考虑太阳、月亮是不是在头顶上方。可见,月球的引力与潮汐现象不是一个直接对应的关系。

从另一个角度,也可以看出这一点。太阳对地球的引力远大于月球对地球的引力,如果引力的大小决定潮汐,那么潮汐应该基本取决于太阳而不是月亮才对。所以,我们应该简单排除那个吸尘器吸篮球的模型。

如果想到这一步,剩下的事情就很简单,在考虑月球、太阳引力的情况下列出地面物体的f=ma方程,我们发现地球表面的物体其实能感觉到一个细微的月球引力差(地表与地心处的月球引力差)。太阳之所以对潮汐的影响较小,是因为距离要远得多,尽管其对地的引力比月球对地的引力大多,其引力变化却小得多... 接下来的事情,就是初中代数了(参见:潮汐现象的解释与计算 )

显然在上面的思维过程中,问题的关键在于把地球的运动与失重现象相联系。这就直接找到了问题的核心。这就是一种高一层次的直觉,一种基于理性思维而不是实际经验的直觉。而其他的,比如考虑地球、月球、太阳怎么转、考虑水的流体动力学,都是在兜圈子。所以说,科学能把复杂的问题简单化,而没有科学头脑的人却把简单的问题复杂化。
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