不用做實驗就能知道的趣味物理故事

Chapter 01逃不掉的星球：萬有引力和重力

是什麼讓蘋果「親吻」牛頓

在1666年夏天的一個傍晚，在英格蘭林肯州一個叫做「烏爾斯索普」的小地方，一位年輕人走進了母親家的花園裡，他坐到了一棵蘋果樹下，開始埋頭讀書。
正當他翻動書頁的時候，頭上的樹枝開始晃動起來，終於，史上最著名的蘋果掉了下來，砸到了牛頓的頭上。牛頓心想：「這蘋果為什麼要垂直落到地上呢？為什麼不往天空中或者斜上方飛去呢？」冥思苦想之後，牛頓提出了「萬有引力定律」。
看到這裡，我們也許會認為牛頓發現「萬有引力定律」是一個偶然，覺得他真是一個幸運的傢伙。那顆蘋果如果砸到別人頭上，也許就是別人發現萬有引力了。
不過，歷史不能倒退，而且牛頓發現萬有引力也並不是偶然，而是機會找到了有準備的頭腦。在牛頓正式提出萬有引力之前，為了研究這個定律，年輕的牛頓已經花了整整7年的時間。
牛頓23歲的時候，一場可怕的瘟疫在倫敦蔓延著，為了防止學生受到傳染，劍橋大學讓學生全部回家休息。牛頓因此而回到了自己的家鄉。那時候，他最喜歡在傍晚的時候坐在家門口看孩子們做投石器的遊戲。這些孩子把一塊小石頭放進稍大的石器中，然後用力打轉，緊接著把石頭拋得遠遠。
但是石器裡面的小石子並不會被拋出來。有時候，孩子們也會突發奇想，把牛奶放進石器中，奇怪的是牛奶也不會灑出來。
「是什麼力量讓石子和牛奶都不飛出來的？」牛頓陷入了深深的思考中，他從日落想到了月亮、地球和茫茫的宇宙。他認為一定存在一種力讓這些物體待在固定的位置。此時他的頭腦中已經有了「引力」的萌芽。
那顆蘋果落地的時候，牛頓終於明白世間萬物都存在著引力，這種引力是「萬有」的，而蘋果落地就是因為地球對蘋果的引力。
經過仔細的計算和推測，牛頓提出了舉世聞名的「萬有引力定律」，奠定了理論天文學和力學的基礎，同時這個定律也徹底毀滅了天上地下不同的宗教思想，讓人類的思想有了一次質的飛躍！

物理碰碰車
蘋果真的「親吻」牛頓了嗎？
講到蘋果與牛頓的故事，大家聽到最多的版本一定是蘋果砸在了牛頓的頭上。但是學界卻對此持懷疑態度，有些人認為蘋果根本沒有砸到牛頓，甚至有人認為根本不存在蘋果落地這件事。
那麼事實的真相是什麼呢？牛頓的親朋好友所寫的傳記中都證實了蘋果落地的故事，不過這蘋果並沒有落到牛頓的頭上，而是在落地的過程中恰巧被牛頓看見了。不論事實如何，這顆蘋果都為「萬有引力定律」的提出做出了偉大的貢獻。

月亮為什麼沒掉下來

看了蘋果落地的故事，大家可能會產生這樣一個問題：「既然地球與蘋果之間存在引力，最終蘋果掉了下來。那地球和月球之間不是也有引力嗎，月亮為什麼沒有掉下來呢？」
天文小組的成員姍姍也產生了這樣的疑惑，於是她帶著這個問題找到了天文臺的劉老師。劉老師聽完她的問題笑著說：「牛頓的萬有引力定律可不是針對地球的，它是針對世間萬物的。
根據這個定律，自然界中的任何兩個物體間都是相互吸引的，吸引力的大小與這兩個物體的質量乘積成正比，與它們距離的平方成反比。也就是說，自然界中任意兩個物體間都存在吸引，這個吸引力就是萬有引力。」
說到這裡，劉老師給姍姍拿了一根短繩，繩子一端繫了一個橡膠球，「你把它掄起來試試。」看到姍姍把橡膠球轉起來之後，劉老師說：「是不是感覺到橡膠球想要從手裡飛出去？」姍姍點了點頭。
「這個想要飛出去的力就是離心力，下面我們去看看月亮為什麼不會掉下來。」
劉老師帶姍姍來到太陽系模型前。她指著月亮說：「你看，月亮受到地球的引力，也就是重力，它的方向是豎直向下的，就是說重力拼命想把月球拉到地面上來。但是就像你剛才感覺到的，做圓周運動的物體也會產生離心力，離心力又想帶著月亮飛出去，這兩個力剛好抵消，所以月亮只好在軌道上乖乖繞行了。」
姍姍恍然大悟，劉老師又接著說：「19世紀時候，奧地利的天文學家奧波塞爾就根據自己掌握的月球運行規律計算出了從1208年到2163年間的8000次日食和5200次月食。迄今為止，他預測的20世紀的日食和月食都已經被準時觀察到，誤差不超過1秒。這表明月球的運行是很穩定的，我們也就不用擔心月亮會突然從天上掉下來了。」
儘管月球已經穩定運轉了上千年，但是我們還是不能斷言月亮運行的軌道永遠不會改變，因為月亮不僅受到地球引力的影響，它與其他天體之間也有引力作用。這些引力合在一起，有可能會讓月亮越來越靠近地球，最後導致月亮落在地球上；當然，月亮也可能在其他引力的作用下脫離地球，不過這個過程也許要好幾億年。

物理碰碰車
如果月亮向地球飛來
如果月亮真的向地球飛來，地球能招架得住嗎？會不會地球直接就被毀滅了呢？
其實，這取決月球的構成物質。地球的直徑是13000公里，月亮的直徑則是3500公里，月亮靠近地球時，地球將以巨大的吸引力吸引月亮靠近地球的那一部分，而背離地球的那一部分受到的引力相對要小很多。
如果構成月亮的物質不太堅固，月亮會在地球的引力中「粉身碎骨」，碎片將會變成環繞地球的光帶。如果構成月球的物質很堅固，那麼我們最好祈禱月亮永遠乖乖地繞地運行，不要向地球進攻。
讓人忽高忽低的石板
地球對所有的物品都有引力作用，但是這世界上依然有一些現象無法透過地球的引力來解釋。美國的加利福尼亞州就有一個很奇怪的地方，這個地方的重力與其他地方有很大差別，所以又被稱為「神祕點」。
「神祕點」位於聖塔克斯鎮，從三藩市乘車沿公路南下，經過幾個小時車程之後就能到達這個小鎮的中心，再過5分鐘就可以到達位於該鎮近郊的「神祕點」。「神祕點」現在是一個著名旅遊景點，如果你到那裡去的話會發現遊人很多。
這個景點最有趣的異常現象就是「比身高」。「神祕點」有兩塊看起來很普通的石板，石板長50公分、寬20公分，間隔約40公分。
當兩個身高差異比較大的人分別站在兩塊石板上時，你會看到這樣奇異的情景：本來個子高的人比原來個子矮的人矮很多。當兩個人從石板上走下來的時候，他們的身高又恢復正常。如果兩人互換位置，個子高的人又變高了。
旁觀者看得清清楚楚，石板居然能讓人的身高忽高忽低。這在大家看來簡直不可思議，是大家眼花了，還是這個石板一邊高一邊低？如果用水平測量儀來測量，儀器上呈現的是水平狀態。而且當兩人站在石板上時，有人拿皮尺測量兩人的身高。無論他們站在哪個位置，測量出來的身高都等同。如果說人站在石板上，身高會伸縮，難道皮尺也能伸縮嗎？
身高伸縮的神奇現象已經讓科學家束手無策了，可是「神祕點」還有更多的未解之謎。
這裡所有的樹木都是向一方生長，連處在神祕點中心位置上的小木屋也完全倚靠在旁邊的樹木上，樹和房子就像一對連體嬰般。當人們走到小木屋前面的空地上時，每個人都會不由自主地斜立，好像隨時都有可能跌倒，但他們斜立著反而十分穩當。
這個小木屋的天花板上有很多破洞，人們甚至可以從中看到奇形怪狀的大樹飛向天空。在小屋的另一間空房裡，懸掛著一個直徑大約25公分、厚約5公分的鐵球，這個鐵球很重。但是一根小拇指輕輕一動就能將它推到一邊。但要將它往反方向推，可能兩隻手的力氣都推不動。這個神祕屋有一面牆壁上凸出了一塊木板，這木板是一個小斜坡。但是讓小球滾下這塊木板時，球卻待在原地一動不動。如果人們用手將小球推向到坡較低的一端，小球滾到一半的時候就會被某種神奇的力量牽回來，還會滾回原地。不管怎麼推，用多大的力推，結果都是一樣。
飛行在「神祕點」上空的飛機也會受到磁場干擾而脫離航線，小鳥飛到這裡則會像繞暈了一樣掉到地上。