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空中坠落和海上摇摆

跳板跳水和高台跳水带来的感觉介于极度的自由和彻底的疯狂之间。离开跳板的瞬间,你完全感觉不到重力的存在。当然,重力并没有消失,但在那一刻,它是作用在你身上的唯一的力,没有任何力与它抗衡。这时,你在旋转中感觉自己就像一个完全不受外力的物体,仿佛飘浮在太空中,你将体会到极度的自由。但世上没有免费的午餐,一两秒后你就会到达水面,麻烦也跟着来了。你有两条路可走:要么用手或者脚开辟一条小小的通道,让身体其余部分能够优雅地滑入水中,最大限度地压制水花;要么张开四肢,任由自己的肚子或者背部迎接冲击,激起巨大的水花。当然,第二种方式会很疼。

二十多岁时我做过几年跳板跳水选手和教练,但我讨厌高台跳水。跳板富有弹性,而且它距离水面的高度只有1~3米,感觉有点像蹦床,只是着陆更加平缓。高台却是坚硬的,不同高台距离水面的高度分为5米、7.5米甚至10米。我常去训练的那个游泳馆只有5米的高台,但我依然想方设法逃避高台跳水。

站在5米的高台上,脚下的水面看起来非常遥远。游泳池底总有细碎的泡泡冒上来,所以就算池水纹丝不动,你也能清晰地看到水面的位置。最基础的热身动作是向前正跳——看到这个名字,你不难想象出相应的动作。跳水者站在跳台末端,双臂伸直紧锁在头顶,同时向前弯腰,整个身体呈L形,保证上半身与下半身形成直角。现在眼前的高度看起来似乎没那么吓人了,因为弯下腰以后,你的头离水面近了一点。然后,你踮起脚纵身一跃,就在这个瞬间,你自由了。天地间只剩下你和这颗重达6×10 24 千克的星球,重力是你们之间唯一的联系。根据宇宙的法则,这意味着你们正在互相拉扯。

和其他所有力一样,重力会改变你的速度,它会带来加速度。这就是著名的牛顿第二定律 :作用于你的合力会改变你的速度。起跳前,你处于静止状态,起跳的瞬间,你动了起来。加速度的有趣之处在于,它衡量的是物体每秒的速度变化。从起跳到下落1米,你需要花费相对较长的时间(0.45秒)。在下一个1米,你的下落会花费更少的时间,也正因如此,这个过程中可以用来加速的时间比上一个1米短暂。下落1米时你的速度是4.2米/秒,下落2米以后,你的速度也只达到了6.2米/秒。

因此,在跳水的过程中,你要花大部分时间待在最糟的地方:远离水面的高空。举个例子:从5米高台跳水的时候,前一半的时间里你只能下降1.22米,但接下来就很快了,整个5米的下落过程在1秒内就能完成,最终你的速度将达到9.9米/秒。你伸展身体扎向水面,期待着没有水花的完美入水。

比赛前夕,无论来到哪个游泳池,队里的其他人都会争先恐后地抢占更高的跳台,我却不会。我觉得在空中停留的时间越长,出错的可能性就越大。但这个想法其实不太站得住脚,因为你的运动速度太快,额外的距离根本不会增加多少速度。举例来说,下降5米需要1秒,下降10米只需1.4秒,虽然你的运动距离变成了原来的2倍,但速度却只会增加40%。我很清楚这一点。但在4年的跳水生涯中,我从没跳过超过5米的高度。我不恐高,只是害怕最后的冲击。重力加速的时间越长,最后减速的过程就越让人不适。如果你也有不小心摔坏手机的经历,你肯定明白让重力做主有时候不是什么好事。坠落的距离越长,物体获得的加速度也越大,不过事情也有例外。

在地球上,重力的作用是有限制的。因为作用于你的力不止重力一种,最终的加速度取决于所有力的合力。速度变快了,你需要在单位时间内推开的空气也会变多,这些空气会阻挡你前进,部分抵消重力的加速效果,因为它的方向与重力完全相反。到了某个时刻,重力与阻力相平衡,你的运动速度就会定下来不再变快。以树叶、气球和降落伞为例,这些东西的重力很微弱,相比之下,作用于它们的空气阻力相当可观,所以这些物体在下落速度相对较小的时候就会达到受力平衡。如果是人的话,想在地面附近让重力与空气阻力相平衡,你的速度很可能要高达190千米/小时才行。悲伤的是,坠落的人在低速下受到的空气阻力相当微弱,直到现在,这样的力量也无法让我安心地跳下10米的高台。

我主要研究海面附近的物理学现象。我是实验物理学家,测量海天之间这片美丽而混乱的空间中发生的事情,这是我工作的一部分。我经常需要在科考船上工作好几个星期,在海面上漂浮的科考船就像一座功能齐全的移动科学村。在船上生活的问题在于,这里的重力环境和你以前习惯的大相径庭。“下”变成了一个不确定的概念。有时候物体坠落的方向和速度与陆地上相同,有时候却完全不一样。要是桌子上的东西没有固定,你就总有些提心吊胆,因为谁也无法确定它会一直停留在原处。海上生活充斥着橡皮筋、线、绳子、黏性防滑垫和上锁的抽屉。变幻莫测的力随时可能把各种物品甩向四面八方,就像喜欢恶作剧的科学幽灵;在这种情况下,你需要这些小玩意儿帮助维持生活的秩序。

我研究的是风暴中破碎的海浪产生的气泡,所以我经常在恶劣的天气下出海几个月。实际上我喜欢出海,因为我很快适应了海上的生活。这样的经历也让我深刻地认识到,我们平时对重力有多么熟视无睹。

在某艘南极科考船上,乘务长怀着近乎偏执的热情每周让我们做三次循环训练。我们聚集在大船中央一个空旷的铁壁船舱里,乖乖地跟着指挥蹦蹦跳跳,每次持续1小时。这可能是我做过的最锻炼人的循环训练,因为永远不知道下一秒哪里会冒出一个力需要去克服。你可能觉得前几个仰卧起坐轻松得不像话,那是因为船身正在向下倾斜,这有效地抵消了重力。船驶到浪谷的时候,你简直感觉飘飘欲仙。然而就在下一个瞬间,重力陡然增加了50%,你觉得自己像是被橡皮筋紧紧地捆在了地面上,你必须调动肚子上的所有肌肉才能勉强把身体拉起来。几个仰卧起坐以后,重力又会再次消失。需要跳跃的运动感觉更糟,因为你永远不知道哪边才是地板。训练终于结束了,可是在洗澡的时候,你还得在小隔间里追逐花洒喷出的水流,因为船身在摇晃,你根本不知道它下一秒会喷向哪里。

当然,重力是无辜的。它一视同仁地作用于船上的所有东西,将每一个物体拉往地心的方向。但你总是在需要对抗重力加速度的时候感受到重力的作用。海上科考船这个铁盒子被大自然玩弄于股掌之中。在这里生活,你周围的一切都在加速,你的身体也无从分辨罪魁祸首到底是重力加速度还是其他力带来的加速度。所以,无论这些力来自哪里,所有力抵消或是汇合之后的结果,才是你感觉到的重力。同样,在电梯刚刚启动和即将停止的时候——在电梯加速和减速的过程中——你也会产生一种奇怪的感觉。身体无法分辨电梯带来的加速度和重力造成的加速度,所以你会感觉重力对你的作用在变化。在那短短的几分之一秒内,你体验到了生活在另一颗重力不同的星球上是什么感觉。

幸运的是,大部分时间我们不用为这些复杂的事情操心。在日常生活中,重力恒定不变,永远指向地心。所有物体都会向“下”坠落,就连植物都知道这个。

我的母亲是一位勤劳的园丁,所以我在成长过程中,有很多机会参与播种和锄草,我还会翻肥堆,会对着恶心的鼻涕虫不由自主地皱起鼻子。我还记得,种子萌芽让幼时的我惊叹不已,因为它们能把上和下分得清清楚楚。种荚在黑暗的泥土中悄然张开,根须向下伸展,初生的幼芽努力向上冒出头来。只要拔出一棵刚刚发芽的幼苗,你就能清晰地看到,它毫不犹豫地朝这两个方向生长,不需丝毫探索。根笔直向下,芽挺拔向上。种子怎么知道方向呢?长大一点以后,我找到了答案。真相其实很简单,种子里有一种特殊的平衡细胞,这就像植物版的微缩雪景球。每个平衡细胞里都有一些特殊的淀粉颗粒,这些颗粒的密度大于细胞内的其他物质,所以它们总会沉到细胞底部。蛋白质的网络能够感知这些颗粒的位置,所以种子和幼苗知道哪边是上。下次播种的时候,你可以把种子翻来倒去,想象一下你的动作将如何影响种子里的雪景球;不必在乎种子撒下去的角度,它们会自己解决这个问题。

重力是一种非常有用的工具。铅垂线和水准仪廉价而精准。我们都知道哪边是“下”,但是,既然所有物体之间都有引力,那远处的山岂不是也在拉扯我?为什么地心引力这么独特?

我热爱海滨,原因有很多(浪花、泡沫、日落、海边的轻风),但其中最重要的是,辽阔的大海可以带来弥足珍贵的自由感。在加州工作的时候,我跟别人合住在一栋小房子里,离海滩近得能听到夜晚的涛声。后院有一棵橘子树,我可以坐在门廊下,静观熙来攘往的人群。忙碌的一天结束后,我可以走到公路尽头,坐在光滑而沧桑的石头上遥望太平洋,这真是再奢侈不过的享受。

幼时的我也曾在英国的海边玩耍,但那时候我总忙着寻找鱼儿和鸟,或是惊叹于海浪的壮观。但在圣迭戈看海的时候,我想到的是我们这颗星球。太平洋如此广阔,它在赤道上的跨度足足占据了整个地球周长的1/3。望着远方的日落,我想着脚下这个巨大的岩石球,阿拉斯加和北极在我右侧的远方,脚下的安第斯山脉向左一路延伸到南极洲。我险些迷失在头脑中的画卷里,在那个瞬间,我仿佛一念千里,亲身来到了那些地方。它们都在吸引我,我也在吸引它们。每一个质点都在吸引其他质点,万有引力其实是一种很小的力,就连孩子都能轻松对抗整颗行星产生的引力。但无论如何,这些弱小的吸引力依然存在。我们体验到的重力由无数微弱的力汇集而成。

1687年,伟大的科学家艾萨克·牛顿在《自然哲学的数学原理》(Philosophiae Naturalis Principia Mathematica)中首次提出了万有引力定律。这条定律指出,两个物体之间的引力与距离的平方成反比。根据这一点,牛顿证明了如果将一颗行星产生的所有引力汇总到一起,许多侧向力会相互抵消,最后只留下一个向下的力,它指向行星正中央,与行星质量及被拉扯物体的质量成正比。如果一座山和你的距离拉长至原来的2倍,那它对你的引力就会变成原来的1/4。所以物体离你越远,对你的影响就越小,尽管影响依然存在。我坐在海滨看落日时,阿拉斯加向我施加了一个向北的引力,与此同时,安第斯山向我施加了一个向南的引力。但这两股力相互抵消,剩下的就是向下的重力。

所以,此时此刻,尽管每一个人都会同时受到喜马拉雅山、悉尼歌剧院、地核和无数海螺的引力,但我们无须深究所有细节,化繁为简就是最便捷的工具。要计算地球对我的引力,我只需要知道地心和我的距离以及整颗行星的质量。牛顿这一理论的美妙之处在于,它简洁、明确、有效。

不过,力的确很奇怪。牛顿对引力的解释固然相当巧妙,却有一个极大的缺陷:他没有揭示引力背后的机制。地球的引力让苹果落地 ——这样的断言简单而直接,但引力从何而来?难道有我们看不见的绳子或者精灵?直到爱因斯坦提出广义相对论,这个问题才有了比较令人满意的答案,但在此之前的230年里,牛顿的引力模型得到了广泛的接受,而且一直应用至今,因为它的确非常有效。 XRMx+13A+ahnlAxcrGw5XBScLYWxUPwC3h30qVyVP/3pKaBWi2/8TxpZAvw8SliK

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