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是静止,还是运动

2020-07-20许秀华

科学大众·小诺贝尔 2020年4期
关键词:参照物观察者小船

襄邑道中

[宋]陈与义

飞花两岸照船红。百里榆堤半日风。

卧看满天云不动。不知云与我俱东。

作者简介

许秀华,毕业于北京大学生命科学学院。从事科技记者、医学记者等职,科普作家、中国科普作家协会会员、中国生物工程学会会员,薯有少儿科普书《超级农业》(北师大出版社)、孕产期保健科曹书《妈妈宝贝爱妻录》(科学出版社)、《卢良恕院士传》(人民出版社),全程执笔《转基因,给世界多个选择》(农业出版社,获2014年全国优秀科曹作品奖)、《南水奇遇記》(水利出版社),为《科学大众》《生命世界》等多家少儿科普杂志撰稿人。

动还是没动?

读完这首诗,同学们有没有这样的疑问:到底小船走没走呢?云彩动没动呢?抑或另有其他玄妙?在回答这个问题之前,我们先做一个思想实验。或许有同学会纳闷:什么是思想实验?思想实验就是不用准备实验材料,不用动手,我们在大脑里想象出实验的每个步骤和场景,然后靠着逻辑推演得到可能的实验结果。

现在,假设你坐在高铁里,正在祖国的大地上风驰电掣地前行。你看,小桌板上的杯子在动吗?答案是不动。

要是你站在火车外面的地面上,当高铁飞驰而过时,你眼中的杯子还是岿然不动吗?答案是杯子在动。

那么,小桌板和杯子到底动还是不动呢?用物理学的专业名词说,是运动还是静止的呢?

这个问题可不像学校考试一样,有标准答案。杯子到底动还是不动,要看谁在观察、谁在发言。那岂不是公说公有理、婆说婆有理,莫衷一是?

在物理学上,运动有标准答案,因为运动是绝对的;静止可没有标准答案,因为静止是相对的。在宇宙中,从个头最大的家伙,比如星系、星体,到个头最小的家伙,比如原子、夸克等,所有的物体都在不停地运动。

“坐地日行八万里,巡天遥看一千河。”地球围着太阳转,地球也在不停地自转。因此,生活在地球上的我们也在太阳系里不停地运动着!而且24小时一个自转,我们就走了有4万千米!地球绕着太阳运动,太阳系绕着银河系运动,银河系又绕着更大的星系在宇宙中运动。要是这么算下来,我们每天坐地日行的里程数可不止4万千米。

小小的分子也在不停地运动,小小的原子也在运动,原子里的电子在运动,原子核里的质子和中子都在运动。所以,整个宇宙都在不停地运动之中,运动是绝对的。

如果运动是绝对的,那静止还有什么意义呢?静止当然是有意义的。妈妈告诉孩子待在原地不动,等待自己回来,孩子的静止是有意义的;火车上的小桌板被固定在座椅背后,不会随意地晃动,小桌板的静止是有意义的;杯子老老实实地待在桌子上,不会移动、摔倒,甚至洒出热水烫伤人,杯子的静止是有意义的。

运动还是静止,谁说了算?

那我们如何判断外部物体是在运动还是静止的呢?很简单,通过我们的眼睛去观察,用眼睛测量物体和我们之间的距离。如果物体与我们的距离一直在改变,我们就认为物体在运动。如果物体的方向一直在变化,我们也会认为物体在运动。

为什么会很不客观地在上面的两句话中特意加入了“我们”?因为既然是观察,就有观察主体。既然有了观察主体,就有了观察主体的立场问题。

比如高铁上,在座位上的乘客看来,小桌板、水杯都是静止的,因为观察者和它们彼此之间的距离和方向没有发生改变。但是,在高铁外路基上的观察者看来,高铁、乘客、小桌板、水杯都是运动的,因为观察者和他们之间的距离甚至方向都在改变。

我们还回到文章开头的那首诗上。对于小船上的诗人来说,小船向东行驶,云彩和小船以同样的速度也向东行驶。诗人身在船上,但与小船、云彩的相对距离及方向都没有改变,所以诗人才会有“卧看满天云不动,不知云与我俱东”的感慨。而两岸的飞花与百里榆堤则是迎面而来,又飞速退后。

所以,在物理学上,对于运动和静止还真是没有统一标准。个物体是运动还是静止,取决于观察者的视角,并且由观察者进行定义。换句话说,就是观察者说了算!

以参照物为准

要是对运动和静止的判断这么随意,那世界不是乱套了?为了避免这种混乱,物理学家们提出了参照物的概念:参照物就是假设静止不动的物体。根据与这个参照物的距离是否在变化,判断其他物体是否在运动。

为了避免混乱,人们一般把地球作为参照物,默认地球上那些很长时间内都不变换位置的东西为静止的,比如山川、房屋、公路,这样就不会每个人都有自己的说法。

参照物不是固定的,参照物可以根据我们的观察需要而改变。当我们身处运动的物体内部时,为了更好地辨别身边物体的运动情况,我们可以把高铁、飞机、电梯、轮船作为参照物。

在文章开头的这首诗中,诗人就是善于利用参照物的大师。他以自己乘坐的小船为参照物,写出了“卧看满天云不动,不知云与我俱东”——天上的云彩和他乘坐的小船同步运动的既视感。

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