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明明知道

2019-01-14叶李华

知识就是力量 2019年12期
关键词:太空船单摆重量

叶李华

明明常有惊人之语,多年来爸爸早就习以为常,不过今天无论如何算是例外。

明明竟然冲到爸爸面前,一本正经地说:“爸,我怀疑我们并没有在做星际旅行,只是被关在一座很像太空船的大楼里!”

“你的小脑袋怎么会有这种想法呢?”爸爸问。

明明瞪大眼睛说:“我正在学习两门线上课,物理入门和哲学入门……所以,当我了解了万有引力定律之后,就发挥了哲学家的怀疑精神。”

爸爸故意皱了皱眉头:“很抱歉,小哲学家,我跟不上你的跳跃式思考。”

“爸,你别急嘛,听我慢慢说。”明明替自己辩解。

爸爸点了点头,于是明明一口气说:“根据万有引力定律,地球和我们每个人都会互相吸引,所以我们才有重量,比方说我32千克,爸爸70千克。如果我们真的在做星际旅行,既然已经飞了一年多,早就飞出了地心引力的范围,我们怎么可能还有重量呢?”

爸爸用鼓励的口吻说:“所以呢?”

“所以,我怀疑我们根本没有离开地球,一直被关在一座密闭的大楼里面。因为没有门又没有窗户,欺骗我们是非常容易的事。”

爸爸好奇地问:“你认为是谁在骗我们?又是为什么呢?”

明明早就想到好几个答案:“可能是一家没良心的电视公司,把我们关在这里演实境节目;也可能是变态的心理学家,拿我们这一百多人当白老鼠,看看我们会不会自相残杀。甚至还有可能是外星人的阴谋哦……”他刚结束一门科幻电影欣赏的线上课,脑袋里装了很多这类故事。

“爸很高兴你有这么丰富的想象力,不过明明啊,你只知其一,不知其二……”爸爸发现明明要插嘴,赶紧先发制人:“别急,现在轮到我慢慢说了。我们在太空船上不觉得失重,是因为这艘船一直在加速前进,也就是越飞越快,越飞越快。正是因为飞得太快了,整个船舱都得用合金包起来,不能开半扇窗户。否则一颗太空灰尘都可能把玻璃打穿,那后果就不堪设想了。”

明明忽然想到另一个疑点:“可是,至少应该在外面装几个摄像头,让我们看到太空的景象,难道这也做不到吗?”

爸爸露出一抹苦笑:“你想想,摄像头会比玻璃窗还坚固吗?”明明咕哝了一声,爸爸继续说:“退一万步来讲,即使真能装摄像头,也只会拍摄到灰蒙蒙的一片,而不是什么灿烂的星空!”

“为什么?”

“因为我们飞得太快了,由于相对论……”

爸爸欲言又止,明明立刻抗议:“每次都这样,一提到相对论,你就担心我听不懂,最后总是不了了之,这算是科学精神吗?”

爸爸叹了一口气:“不是爸爸不肯跟你解释,而是相对论背后的原因太深奥,如果勉强打几个比方,只会灌输你一些似是而非的观念。我觉得与其这样,还不如干脆什么都不讲,这才会让你觉得不了了之。”

明明只好退而求其次,提出另一个问题:“那么可不可以告诉我,我们到底飞得多快呢?”

“很快很快,接近光速,也就是每秒将近30万千米。不过你会感觉到重量,并不是因为太空船的速度快,而是我刚才说的,是因为它一直在加速前进。对了,你的线上课讲到‘重力加速度这个概念了吗?”

没想到明明却答非所问:“太好了,听说只要超过光速,就有可能回到过去。既然太空船不断加速,是不是很快就会超光速了?”

爸爸严肃地摇了摇头:“太空船虽然不断加速,可是永远不会超过光速,这也是相对论的重要结论。”

明明失望地把话接下去:“所以不能勉强解释,不然只会灌输我一些似是而非的观念。”

爸爸哈哈大笑:“这回倒是例外,可以打个相当贴切的比方。这么说吧,如果你有一条绳子,每天剪短一半,是不是无论过了多久,仍然会有一小段绳子在你手上?”

“对哦,这是什么道理?”

“改天我们再好好讨论吧,现在请你言归正传,告诉我有没有学过‘重力加速度这個概念。”

明明郑重其事地摇了摇头,爸爸笑了笑,很有耐心地说:“没关系,既然你还没学过,我来讲个生活上的例子吧。你想想看,我们每天搭电梯到食堂去吃饭,电梯上上下下的时候,你会不会觉得自己的重量有点改变?”

明明若有所悟地说:“对,每次电梯刚往上升的时候,我都会觉得自己变重了些。如果是下楼,一开始的时候,我又会觉得自己轻飘飘的。”

爸爸追问:“那么以前在地球上呢?是不是也有类似的现象?”明明想了想,然后点了点头。

爸爸提高音量说:“很好,这就是加速造成的结果,我们可以把它看成一种人工的重量。只要把加速度的大小控制得刚刚好,在我们的感觉中,自己的重量就会和在地球上完全一样。”

明明立刻举一反三:“我懂了,所以不论太空船朝哪个方向飞,我都会觉得船头是上方,船尾是下方,对不对?”

爸爸伸出大拇指:“完全正确!这样是不是真相大白了?”

明明摆出小哲学家的姿态:“嗯……不算大白,顶多只能说把我的怀疑降低了一半。既然真正的重量和人工重量感觉起来完全一样,我们还是有一半的可能,是待在地球上的实验室,或者摄影棚里面。”

爸爸摸摸明明的头,露出几分无奈的表情:“你的哲学入门没白读!听好了,的确有个不容置疑的铁证……”

“啊,什么铁证?快跟我说说。”

“我们的太空船不可能一直加速,否则到了目的地附近,再要刹车就来不及了。所以我们这趟航程,前面一半是加速,后面一半是减速。再过……”爸爸看了看万用手机,“再过14个半月,我们就会进入减速阶段。那天,我们会经历一个反转过程,会有好几个钟头的时间,太空船既不加速也不减速,当然不会产生任何人工的重量,因此我们每个人都会飘在半空中。在地球上是不可能模拟出这种失重状态的,这就足以证明我们早就离开了地球,也就是我说的铁证。”

爸爸这段话透露了一个事实:这艘太空船的加速阶段大约有两年半,接下来的两年半则是减速阶段,太空船等于是转过来倒着飞。所以在太空中飞行五年之后,他们就能抵达目的地,而那个时候,太空船的速度也刚好减到零。等到为期一年的探索任务结束,太空船会用同样的方式再飞回地球。

由此可知,整趟航程分成五个阶段:加速——减速——停止——加速——减速。不过因为减速也会产生人工重量(就好像你搭电梯下楼,电梯最后减速时,你会觉得脚沉沉的),太空船里的人只有在两次“反转日”才会感受到失重状态。

虽说乍看之下,整趟旅程需要11年,不过事实上,等到他们回到地球,却会发现地球上已经过了将近27年。这也是相对论的一种效应,爸爸跟明明提过很多次,但是同样没有解释背后的道理。爸爸只是强调,这正是他带着明明一起遨游太空的主因,否则等到父子重逢的时候,两人的年龄几乎可以当兄弟了。

不过爸爸从来没有透露另一个原因,当年妈妈意外身亡,对明明造成重大的心理创伤,至今仍有些后遗症,实在不放心把他交给祖父母抚养。想到这里,爸爸突然担心起来,明明今天冒出这么多疑问,是不是妄想症的症状呢?如果让他再等上一年多,妄想症会不会越来越严重?

明明果然等不及了,用央求的口吻说:“太久了!太久了!有没有现成的证据呢?”

爸爸抬头想了想:“现成的证据没有,不过,我可以教你怎么做实验,自己制造一个证据。”

“能自己制造证据?那实在太好了!,,

接下来,爸爸花了一番心思,解释了相关的物理原理:因为太空船里的引力是人工的,不论明明走到哪个角落,他的重量都不会改变。可是,万一真给明明猜对了,他们是被关在一间巨大的实验室里,感受到的是真正的地心引力,那么当明明待在船头(其实是顶楼)的时候,他的重量会比在一楼轻一点。

至于到底轻多少,爸爸用计算机做了一个简单的模拟,配合动画来解说,总算让明明理解了。“道理我懂了,可是爸,实验又要怎么做呢?”

爸爸笑着说:“这个实验非常简单,我们可以自己动手制作仪器。否则即使实验成功了,我们的小哲学家也会怀疑仪器有问题。”

明明也笑着说:“爸爸真了解我。”

父子俩只花了五分钟就完工了,他们把一根丝线挂在台灯上,量了量丝线的长度,然后在10厘米的地方绑了一个橡皮擦。

明明露出难以置信的表情,因为这个“仪器”实在太简单了,于是爸爸又费了一番唇舌解说。这个简单的装置就是物理学家所说的“单摆”,如果放在固定的地方,它每次摆荡的时间都一样。可是,如果把它从低处移到高处,例如从山脚搬到山顶,它摆荡一回的时问就会稍微变长。

“换句话说,就是会摆荡得慢些。这艘太空船差不多一百米长,万一它真是大楼的话,高楼层的地心引力会稍微小一点,根据公式……”爸爸在万用手机上按了几下,“半天之后,一楼和顶楼的摆荡就会至少相差一次。不过,我们当然不必目不转睛地盯着,这种单调的工作交给手机就行了。”

结束这段对话后,父子俩先搭电梯到“一楼”,也就是船尾的仓库区,把这个单摆实验做了一遍。第二天又来到船头的食堂,用同样的方法做了一次实验。

结果在当天傍晚揭晓——船头的摆荡次数是63138,船尾则是63139!

“爸,现在你总该相信,我的怀疑有根有据IIB?”明明得意洋洋地说。

“这……这……”爸爸惊讶得说不出话来。然后,他突然想到好像在《高等相对论》中读过一段话:一个物体如果进行加速运动,头尾的加速度并不完全相同,这两个地方的人工重量因此会有极微小的差异。嗯,是不是这个差异被什么因素放大,居然被单摆实验测出来了?想到这里,爸爸赶紧打电话给探险队的首席科学家,想跟他讨论自己的发现和猜测。

不料接电话的竟然是个陌生的声音:“王博士,很抱歉,实验已经结束了,我们会尽快安排大家出来。”

“这到底是怎么回事?到底是怎么回事?”其实爸爸明明已经知道真相,只是心理上还无法接受罢了。

“王博士,您的公子猜得八九不离十,这个实验是要研究人类在高速太空航行中,可能会出现哪些心理变化,为将来的星际旅行预做准备。”

“所以,如果我儿子没发现真相,就要浪费我们这么多人整整11年的时间?”

“不会那么久,顶多两年半,但是你们小小的牺牲,对整个人类来说太值得了。”

“两年半?为什么是两年半?”爸爸由于惊讶过度,一时之间脑袋不管用了。

明明倒是很快想到了原因:“爸,剛才你自己说的,再过14个半月,就会经历反转过程,那是在地球上绝对模拟不出来的。”

这时,电话那头的声音又说:“现在实验虽然提前结束,但是收获异常丰富。我们已经有了重大发现,封闭式太空船容易导致乘客胡思乱想,甚至出现不可预料的心理反应。好在你自己发明了解决的方法。我们会正式向航天局提出建议,今后一定要在远航太空船的头尾安置单摆,而且要直播到每问舱房,以求有效降低乘客疑神疑鬼的心理。”

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