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月球以每年4厘米的速度远离地球,但这与“不变性”有何关系呢?

2021-1-12 40 1/12

@小哪吒聊科学原创的第6篇科普科学,拒绝洗稿或抄袭,违者必究!

在这篇文章中,生涩的物理知识不再变得难懂。

首先,给大家说下什么叫“不变性”:既为物理规律的对称性!

比如说某个系统的对称性,某个具体事件的对称性,延伸到物理规律的对称性等等。

举个例子:比如你坐着飞机经过大海的上空,你赤足在海边的沙滩上奔跑。辽阔的大海因为你的视角变得不同了,所以看上去有些不一样,但是自然法则却是不变的,就是说,大海是具有“不变性”的!

再比如,你的笔记本电脑在家中可以工作,如果你出差带着它上了火车,在火车上,笔记本电脑也照样能使用!

你的衬衫在家里是红色的,但把它装入行李箱中之后,它依然是红色的……

在人们的日常生活中,“不变性”的例子比比皆是,没有什么不好理解的。

但如果把“不变性”推广开去,你将发现,在“不变性”的约束下,这个世界简直太神奇了!你看似不可理解的物理现象或者物理规律都可以用“不变性”加以解释!

“不变性”细分下去的话,又分成“旋转不变性”和“平移不变性”!

就是说,当我们旋转着并朝向不同方向测定自然法则时,它保持不变!当我们平行移动,从一个点运动到另一个点的时候,自然法则也是不变的!

此地的此一时此一刻,气温零下18度,天降暴雪,这个“不变性”不会因为我们坐在车里,穿着羽绒服而改变!

没有一个人说天冷没事,我穿着羽绒服,气温就会从零下18度提升到零上五度,那是不可能的!

但这浩瀚的宇宙,这茫茫的人世,为何会有“不变性”?是什么原因促成了“不变性”?

1918年,女科学家埃米·诺特发表了一个定理,说这“不变性”与能量守恒之间存在着深层次的关系。

诺特指出,如果自然法则不以我们的“旋转”或者“位移”而改变的时候,那这其中就一定存在着一种守恒的量,即为角动量!

如果“角动量”减少了,那减少的“角动量”必然会传递给其它相对应的物体,以唯持“角动量”的守恒!

是不是感觉有点理解不了了?没关系,下面我给大家说一个好玩的案例:月亮正以每年4厘米的速度远离地球,这与“角动量”有着密不可分的关系呢——

1.“不变性”之下的角动量的守恒

说人们对大海的潮涨潮落是司空见惯的,细问原因的话,大家也都知道潮汐的变化是因为月球的引力造成的!

是的,在月亮的作用下,海水自然会受到月亮重力的影响而向上凸起一些,带动着地球也向上“凸起”着!

所以,地球以每天一周的速度自转着,带动着海水有规律的潮汐!

但是地球自转的速度是一成不变的吗?

不,不是!

我说过了,万事万物其实都在遵循着“不变性”!

因为海水在潮涨潮落的过程中,会跟地表之间存在着摩擦力,这种力量阻碍着地球的自转,导致地球自转的速度不断减慢。

这种阻力虽然小到可以忽略不计,但是还是可以测量出来的。

一个地球日的长度平均100年会增加千分之二秒。

这就证明,地球在自转的过程中,自转速率在不断的减慢,角动量是一年比一年减少的!

那么问题就来了,减少的角动量去了哪里?是给了潮汐么?还是其它什么?

是的,前面说过了,自然法则具有不变性!角动量一定是守恒的!

在自然法则不变,角动量守恒的前提下,地球减少的角动量被传递给了月亮!

当地球减少的角动量传给月亮的时候,就加速着月亮在环地轨道上的运动,用来抵消地球自转慢慢减速的作用。

这也就直接导致月亮会一点点地移动到距离地球稍远的地方……

还是感觉理解不了吗?

那么再换一句话说——为了维持地月系统中角动量的守恒,月亮必须移动到一个更宽的环地轨道上才能补偿由于地球转动减慢带来的影响!

只能用这句话来解释了,再少一个字也不行了!

是不是很神奇?

我们终于明白月亮为什么离我们越来越远了!

2.大胆的假设

做一个大胆的假设哈。

说在很远很远很远以前,是不是月亮距离我们人类是很近的?

甚至,近到我们人类可以“唾手可得”?

比如,我们可以每天晚上坐着一叶扁舟,来到月亮停靠的地方,然后顺着一架梯子就可以爬到月亮上去,跟嫦娥和玉兔玩耍,累得疲惫不堪的情况下,甚至还要留在月亮上过夜……

突然有一天,月亮距离地球很远了,我们坐着一叶扁舟无法到达了,甚至我们最终要面对这样的结局:人类为了登月计划,煞费苦心,耗尽了九牛二虎之力和若干的财力物力才成功登月,登上月球再也无法借助一叶扁舟了,而必须得依赖高端的飞行器!

随着人类的发展,科学的进步,我们的宇宙将更加富于延展性,更多类似于“不变性”的物理精妙将被人类所发现,我们也必将对这浩瀚的宇宙发生更浓厚的兴趣!

我们砥砺着生存法则,清晰人类生存的优势和劣势,用科学的眼光看世界并知道我们自己在宇宙中的角色,这本身就是一件非常伟大的事。

PS:文末给大家留一个小问题,爱因斯坦的主体理论可以概括为三个核心概念,分别是不变性、因果性和距离!这三个核心概念你都了解多少呢?欢迎在评论区留言互动哦,我看到了会第一时间回复的!

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