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两儿辩日子不决
千古谜团
孔子东游,见两小儿辩斗,问其故。一儿曰:“我以日始出时去人近,而日中时远也。”一儿以日初出远,而日中时近也 。一儿曰:“日初出大如车盖,及日中则如盘盂,此不为远者小而近者大乎? ”一儿曰:“日初出沧沧凉凉,及其日中如探汤,此不为近者热而远者凉乎?”孔子不能决也。两小儿笑曰:“孰为汝多知乎!”
本文选自《列子·汤问》。《列子》相传为战国时郑国人列御寇(约公元前450—公元前375)所著,其中保存了许多先秦时代优秀的寓言故事、民间故事。孔子(公元前551—公元前479),名丘,字仲尼。鲁国陬邑(今山东曲阜东南)人,春秋末期思想家、政治家、教育家,儒家学派的创始人。列子喜欢与孔子针锋相对,挑战权威,可不是现在的追星族。这篇故事,充满了思辨哲学,实证态度和科学精神,不是每一个人都可以回答好的。
有人(我国著名天文学家戴文赛教授)考证:日出日落时间和太阳的高度在一年内不断变化,而且随纬度不同 而不同。在其论文《太阳与观测者距离在一日内的变化》中,以北京为例,12月15日到1月22日,中午的太阳比早晚的都近;1月22日到6月5日,中午的太阳比早上的远,比晚上的近,6月5日到8月1日,中午的太阳又比早晚的都近;8月1日到12月15日,中午的太阳比早上的近,比晚上的远。其中1月22日和6月5日两天,太阳与地球的距离早、午相等;8月 1日和12月15日两天,太阳与地球的距离午、晚相等。这是1954年的时候计算出来的,可以适用100年,100年以后,会相差一天。也就是说,太阳距地球的远近是随时间和地点而变化的,其变化的绝对值与太阳到地球的距离相比,误差可以忽略,所以认为早上和中午同样距离是大致正确的。
科学解释
为什么早晨的太阳看起来较中午时大呢?有三种解释,第一,视觉的差误或错觉。同一个物体,放在比它大的物体群中显得小,而放在比它小的物体群中显得大。同样道理,早晨的太阳,从地平线上升起来的背衬是树木、房屋及远山和一小角天空,在这样的比较下,此时太阳显得大。而中午太阳高高升起,广阔无垠的天空是背衬,此时太阳就显得小了。其次,同一物体白色的比黑色的显得大些,这种物理现象叫做“光渗作用”。当太阳初升时,背景是黑沉沉 的天空,太阳格外明亮;中午时,背景是万里蓝天,太阳与其亮度反差不大,就显得小些。第三,光是一种波动,光波通过不同介质时会发生散射和折射现象,所以不同温度分布的气流,对光线的折射效果不同。早晨温度低一点(下面再谈),空气的密度高,光线进入高密度的介质时,显得大,类似于凸透镜的效果。中午的空气温度高,密度小,其折射效果要小,所以看上去小一点。如此,心理现象后面有深刻的物理原理。
中午的气温较早晨高,是否此时的太阳较早晨离我们近些呢?也不是。主要原因是在辐射理论中,黑度大的物体吸热多,同时也是散热快(吸热散热取决于周围是否有热源)。所以早上起来,地面温度最低,这是地球向太空(背景温度接近绝对零度)进行辐射散热的结果。把地面温度升高需要时间,所以中午的温度比早上高,这是上午时间太阳能积累的效果。
另外,网上的解释是,早晨太阳斜射大地,中午太阳直射大地。在相同的时间、相等的面积里,直射比斜射热量高。同时,在夜里,太阳照射到地面上的热度消散了,所以早上感到凉快;中午,太阳的热度照射到地面上,所以感到热。这种解释不够科学,辐射强度是差不多的,但不足以解释对冷热的感觉。冷热的感觉是温度差和导热系数综合的效果。同样温度的钢铁和木材相比,前者更冷一点,这是导热系数造成的散热速度不同;流动的空气比静止的空气感觉上更冷一点,这是速度造成的传热速度的不同,两种情况都会造成冷热的感觉,这也是一种物理和心理现象。
消防伦理
由此可见,这么复杂的问题,对于生活在春秋时期的人们来说实在是太深奥了。不过古人这种善于观察、善于总结、虚心求教和实事求是的态度是值得我们学习的。“知之为知之,不知为不知,是知(智)也。” (《论语·为政》)列子笔下的孔子倒是符合孔子自述的,只有谦虚才能做出杰出的贡献。现代社会知识无比复杂,更需要这种实事求是的态度。笔者在美国学习消防工程,教授经常提到工程师的伦理学,其中有一条就是不要在已有的经验之外提供任何咨询意见,律师最善于从工程师的从业资质中寻找突破口,所以还是老实本分一点好。个人信誉是安身立命的本钱,不能随意践踏。笔者在网上中文世界看到好多消防常识,经不起推敲,就是犯了外行人说内行话的毛病,误人不浅。消防常识是科学,是需要用《火灾动力学》和《逃生理论》做基础的,用灭火和逃生实践作指导,不是空谈就可以了。
消防应用
两小儿辩日的核心认识是大气层的空气温度分布问题,对此在消防工程中有很重要的应用。大部分喷淋头和报警设备是靠温度动作的,其基本假设是,地面温度低,密度大,所以火焰中的气流上升,达到天花板,触发报警器或喷淋头,产生保护动作。但某些特殊地点,如环境温度比较高(如美国凤凰城),或某种特殊人工环境(环境温度低,如加拿大的冬天),室内空气密度发生反向分布,造成热烟气到达不了天花板,让所有的常规报警设备都成为摆设,这是一种极端情况,但需要认真对待。加拿大政府在1970年代投入很多科研经费,就是为了解决人工环境中的火灾报警和烟气控制问题。
室内大空间,如大型商场的多层联通共享空间,不能使用常规的报警手段来报警,也是因为室内温度不均衡,上升的烟气有可能不会到达天花板。对此常见的解决办法是用光束(线式报警器)来探测烟气的存在(而不是用点式报警器)。这种方法一样对温度的分布敏感,如果局部气流扰动,造成光束的散射现象,也是会造成误报,所以人们又设计了各种利用可见光的报警手段,就是为了避开看不见的气流温度分布。深入理解气流的温度与密度的关系,有助于理解烟气产物的产生和流动,更能避开危险,方便火场逃生,这是需要提倡的科普常识。
有道是,两儿辩日藏科学,圣人不决有伦理。温差视差多应用,消防安全靠理论。
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