從轉(zhuǎn)雞蛋到哈勃望遠(yuǎn)鏡

王治鈞

日常生活中的現(xiàn)象是如何與物理學(xué)相結(jié)合的？當(dāng)我們學(xué)到某一個(gè)物理學(xué)定律后，能用它來(lái)做些什么？讓我們聽聽英國(guó)物理學(xué)家海倫·切爾斯基（Helen Czerski）是怎么說(shuō)的。

如果將現(xiàn)在物理學(xué)的內(nèi)容描繪在一個(gè)坐標(biāo)軸上，可以得到下面這張圖。橫軸代表時(shí)間，縱軸代表被觀測(cè)物質(zhì)的大小。

圖中左下角是量子力學(xué)，它是研究物質(zhì)世界微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支，它研究的對(duì)象微小而難以捉摸。圖中右上角是宇宙，它巨大、遙遠(yuǎn)而神秘，包含了太多我們至今都難以解釋的現(xiàn)象。

但在這兩者之間，還包含著火山、云彩、單簧管、氣泡等等我們?nèi)粘Ｉ钪械臇|西，它們的運(yùn)行都遵循著物理學(xué)定律。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，眾多的物理學(xué)原理共同作用，造就了這個(gè)美妙且復(fù)雜的世界。

要如何辨別一個(gè)雞蛋是生的還是熟的？可以讓雞蛋旋轉(zhuǎn)起來(lái)，手指用力快速按住雞蛋，再挪開手指。熟雞蛋會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，而生雞蛋會(huì)因?yàn)榈扒濉⒌包S等液體的慣性，帶動(dòng)雞蛋繼續(xù)旋轉(zhuǎn)（具體現(xiàn)象會(huì)因雞蛋轉(zhuǎn)速、力的大小和持續(xù)時(shí)間略有差別）。

這個(gè)生活中的實(shí)驗(yàn)證明了物理學(xué)中的角動(dòng)量守恒定律：如果一個(gè)質(zhì)點(diǎn)（質(zhì)點(diǎn)系）相對(duì)某一定點(diǎn)（定軸）所受的力矩之和（外力矩之和）始終為零，那么質(zhì)點(diǎn)（質(zhì)點(diǎn)系）相對(duì)于該點(diǎn)（定軸）的角動(dòng)量是守恒的。

太空中的哈勃望遠(yuǎn)鏡

這個(gè)看上去很晦澀的物理學(xué)定律，用上述實(shí)驗(yàn)就很容易理解：讓物體（雞蛋）沿固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，它會(huì)一直旋轉(zhuǎn)，直到有外力（手指，也可能是桌面的摩擦力）使它停下來(lái)。

并非只有雞蛋遵從這個(gè)規(guī)律，它在太空同樣適用。哈勃望遠(yuǎn)鏡（在地球軌道的望遠(yuǎn)鏡）自1990年升空已經(jīng)在太空中漂浮了30多年。它曾在1995年拍攝過(guò)一張照片，名為哈勃深空視場(chǎng)（Hubble Deep Field）。這張照片的拍攝位置在大熊座，覆蓋范圍的寬度只有2.6弧分（又稱角分，是量度角度的單位，1度=60弧分=3600角秒），面積為全天面積的2400萬(wàn)分之一，約等于我們看到的100米外一顆網(wǎng)球的大小，并且由于拍攝目標(biāo)太暗淡，整張影像由342次曝光疊加而成。在這個(gè)過(guò)程中，哈勃望遠(yuǎn)鏡需要在連續(xù)10天內(nèi)觀測(cè)這一小片區(qū)域。那么問(wèn)題來(lái)了，哈勃望遠(yuǎn)鏡一直在繞地飛行，要如何精確地控制其指向位置呢？

原來(lái)，哈勃望遠(yuǎn)鏡是使用“反作用輪”來(lái)進(jìn)行指向位置控制的。當(dāng)反作用輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，哈勃望遠(yuǎn)鏡就會(huì)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。而這其中的基本原理與雞蛋相似，都是利用角動(dòng)量守恒定律，只不過(guò)詮釋的角度不同：在一個(gè)孤立的系統(tǒng)中，角動(dòng)量的總量必須保持不變，如果系統(tǒng)的一部分開始朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，那么系統(tǒng)的其余部分必須朝相反的方向旋轉(zhuǎn)。

?哈勃深空視場(chǎng)（圖片來(lái)源/美國(guó)航空航天局）

雞蛋竟與天文望遠(yuǎn)鏡有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，可見生活中任何一個(gè)小小的現(xiàn)象都獨(dú)具物理學(xué)價(jià)值，當(dāng)它們聚集在一起時(shí)，就變成了我們的生活，甚至是推動(dòng)世界前進(jìn)的科技力量。

（責(zé)任編輯 / 張麗靜? 美術(shù)編輯 / 周游）