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月亮走我也走,这首歌曲优美动听,感人至深。但从科学上理解,其时序应该是"我走,月亮跟我走"。
当我们前行时,周围的物体就向后退,这是运动相对性的表现。月亮的情况却很不同,我们前行时,她并不后退,反而跟着我们一起并肩而行。即使我们坐着高铁飞奔,月亮照样跟着并驾齐驱。眼望月亮静静地挂在天空,但我们不论怎么奔跑,都无法赢她一步,这着实有些神奇。
肉眼判断物体方位和运动
首先,我们之所以看见物体,是因物体散发的光线进入了眼睛。光线进入眼睛时的投射角决定了大脑对物体方位的判断。
其次,物体运动时,其散射光影在眼内产生移动,大脑因此感知物体的运动。
再次,大脑感知的物体视觉速度与观察距离相关。一个运动的物体,我们近处看它,感觉其运动得快;远处看则感觉其慢。这是因为,大脑是通过光线角速度的大小来判断物体运动的快慢。物体真实的线速度需要客观测量,不能主观判断。
视觉速度与观察距离
物体散射光在人眼上的投射角为:
θ = arccos(S/L)
不难算得,在观察距离为L的位置上,投射角θ的变化为:
这表明,L较小时,投射角θ随着L的变化较快;反之则慢。所以,对同一物体,近处看,它移动得快,远处看,它移动得慢。
如果物体在无穷远处,L→ ∞,则dθ=0,亦即光线投射角θ不变,也就是无穷远处物体投射的光线是一束平行光,此时不管我们如何运动,其光线角度方向都不发生变化。
解释月亮跟随人走的问题
月亮距离地球很远,到达地面的月光极其接近平行光。当我们走到不同位置,月光在眼睛里的投射角都近似相同,因此大脑感知月亮总在眼前的那个固定位置,也就产生月亮跟随人走的感觉。这种情况类似于一个阅兵队伍里的情形。步调一致的队伍里,某个士兵在前进或后退时,其他各队员都保持在他眼前相同的位置上。
虽然看起来月亮跟随人走,但一个行者和一个静者看到月亮的移动速度是相等的。虽然我们不能实时察觉月亮的移动,但可以间隔一段时间来比较。比如间隔一个小时,我们就能发现月亮的位置前进了一段距离。不管你是动是静,也不管你朝哪个方向行走,月亮在天空中前进的距离都一样。
我们看太阳、看星星的情况与之相同。日月星辰跟随人走的基本原因源于它们距离远、角速度小两个因素。
能否跑赢月亮?
我们能否跑赢月亮,把她甩到身后呢?答案是可以的,其关键在于我们的角速度。
为简化,假定月亮24小时绕地球赤道转一圈360°,则月对地心的角速度=15°/h,那么,只要我们对地心的角速度大于15°/h,就可以甩掉月亮了。
这个速度V不难计算:
V=2π×6370×15/360 = 1667公里/小时=463米/秒
也可以用另一种方法估算。坐地日行八万里,我们如果在24小时内的运动距离大于8万里(即大于4万公里),则就能跑赢月亮。结果同上。
也就是说,只要我们速度快于463米/秒,则看到的是月亮往后退行,直至彻底甩掉月亮。这个速度太快了,是大气音速的1.36倍。只能乘坐超音速飞机来和月亮比赛了。国际上超音速飞机屈指可数。超音速飞行存在音爆,空气剧烈爆炸,是超音速飞行最大的障碍和危险,而且超音速飞行的能耗极其巨大。
造物主设计月亮以人为本
月球的存在具有很多无法解释的神奇和巧合。月亮是地球生命诞生的必要原因之一,她又为人类提供了最浪漫的场景。如果没有月亮,人类将失去精神世界,与行尸走肉无异。 实际上,月亮速度的大小,也体现了造物主极其照顾人类的心理感受,也充分考虑到了人类可能借助工具提高运动速度的这一行为。
如果月亮速度太快,我们就能实时察觉月球不停地移动,则会分散人类的注意力,也产生时间焦虑。
如果月亮速度太慢,我们就会容易地跑赢月亮,那么,在夜间就会出现这样的情景:我们能看到地面上一条明显的黑白分界线,一边月光皎洁如银,一边幽暗阴森,好似阴阳两界!此情此景,谁还诗赞风花雪月,谁还期待花前月下?
大道无形
月亮之快,但不能让人类清楚分辨出她的移动;月亮之慢,但不能让人类跑赢一步。即使人类坐上飞机,也不能追上月亮。造物主早就设置了音爆这个神器,作为控制和阻止人类飞行速度的隔离墙。我们如果想进一步提高飞行速度,那就得面临音爆,撞墙爆炸了!
人类发现和利用了一些科学规律,不过是造物主一开始就已设定好了的乾坤大道,并且他给人类预留了可使用的空间余地。人类无法打破规律、创造规律,只能努力去寻找暗藏深处的贝阙珠宫。
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