当你手中的一件物体滑落,看到它垂直落地时,你有没有想过,会不会有另一个人,他所看到的却是这个物体并没有沿直线下落呢?这种情况确实可能发生,在任何一个不随着地球一起旋转的人看来,这个落地的轨迹确实不是一条直线。
一个重物从500米的高空自由落下,在下落过程中,此重物将参与地球上的所有运动,而由于作为观测者的我们自身也同时在参与这些运动,所以我们从来也没有意识到重物下落时所附加的这些运动。假如我们能够撇开这些地球的附加运动,就能清楚地看到重物下落并非直线,而是别的路径了。
比如说,当我们从月球上来看这件重物下落的时候就是这种情况了,因为月球虽然与地球一起绕日公转,却并不与地球一起绕轴自转。所以假设我们是在月球上观察重物下落的情况,就会明显发现有两种运动存在:一种是垂直下落,一种则是从未察觉到的沿与地面相切的方向向东运动。力学定律可以把这两种同时进行的运动相结合,但由于自由落体的运动速度不均匀,而另一个运动是匀速的,所求运动的轨迹必定会变成一条曲线,如图1-25所示。
假设我们在太阳上用一个极高倍数的望远镜观察地球上一重物自由下落的情况。此时我们不但没有参与地球的绕轴自转,也没有参与它围绕太阳公转的运动,因此我们会看到这个过程中包含的三种运动(图1-26):
(1)重物垂直下落;
图1-25 在月球上的人看来这条线是一条曲线
(2)重物沿与地面相切的方向向东运动;
(3)重物围绕太阳旋转。
图1-26 地球上自由落下的物体,同时沿着与地面相切的方向运动
第一种垂直下落的高度为0.5千米,由此算出物体下落到地面用时10秒。第二种运动路程依莫斯科纬度计算为0.3×10=3千米;第三种运动速度为30千米/秒,因此在这短短的10秒内,这个重物沿公转轨道运行的路程为300千米,明显大于前面两种运动。所以如果我们真的站在太阳上观察,可能只能看到效果最明显的第三种运动。如图1-27所示(此图比例尺并不标准,因为地球在10秒之内最多移动300千米,但从图中看来,却像移动了约10000千米),在这个时间里,地球往左边运动了一段距离,而重物只是稍稍下落了一点。
图1-27 从太阳上观察从地球上垂直落下的物体的运动轨迹(不注意比例尺)
不妨再深入探讨一下,如果我们再假设在地球、月球、太阳之外的某个星球上观察这个运动,将发现还有一种运动。这种运动应该是与该星球相对的一种运动,它的方向和大小取决于太阳系和这个星球的相对运动。图1-28中所假设的星球,也是在太阳系中运动,并以100千米/秒的速度,与地球公转轨道平面相交成某锐角运动。如果这种运动要在短短10秒里使下落的重物沿该方向移动1 000千米,其运动的路径会变得很复杂。当然如果我们再换一个星球进行观察,则又会是另外一种路径。
图1-28 从遥远的星体上观察从地球上垂直落下的运动轨迹
讨论了这么多种情况,也许你还想提出这个问题:假如观察者是站在银河系之外情况又会怎样呢?因为在那个时候,观察者并不会参与到银河系与其他宇宙的任何相对运动之中了。实际上,根据前面的分析,我们已经知道,从不同的角度观察物体的下落,看到的情形完全不同。