獨家潮起潮落背後的萬有引力疑雲；潮汐的成因和起潮機制探尋。 #潮汐 #萬有引力 #文化

大家好 我是Sara 海上滔滔一線來 樓前止步雪成堆 蘇氏的這首《望海樓完景五絕》 淋漓盡致地表現了 對一位天下第一潮的前唐潮之雄偉壯觀 站在望海樓上觀潮的她 看到海上潮頭像一根白線 風馳電車般飛奔而來 很快 白線變成了一條白鍊 潮頭越來越高 席捲而來 瞬間 波濤在樓前就堆成哀哀白雪了 前唐潮氣勢磅礴 無與倫比 民間傳說 前唐潮是吳子虛化作海神所致 當年他擔心吳王夫拆中了越王勾踐的臥薪嘗膽之際 避見吳王 激怒了夫差 賜他自盡 吳子虛自刎身亡 死前留下書信 希望吳王能將他的頭懸於朝向越國的城門上 他要看著越國是如何打進吳國的 夫差看罷大怒 將其屍體拋入江中 吳國百姓為吳子虛抱不平 說他的屍體順江水漂入東海 又進入杭州灣 化作了海神 據說 前唐江的入口原本風平浪靜 海水一片蔚藍 使吳子虛冤魂不散 使之變成了狂濤巨浪 湧進前唐江 成為前唐潮 對此 東晉葛洪在《豹朴子》中說 俗人云 濤是子虛所作 忘也 子虛始死爾 天地開闢 已有濤水矣 意思是 吳子虛還沒死之前 從開天闢地以來 就已經有潮汐了 其實 前唐潮是一種潮汐現象 只是前唐江入海口獨特的地形 形成了氣勢磅礴的前唐潮 那什麼是潮汐呢? 地球上海水這種週期性的漲落現象 被稱作潮汐 古人把發生在白天的海水漲落稱為潮 發生在晚上的叫做汐 統稱潮汐 潮汐有高潮和低潮 海平面上升達到最高時 稱為高潮 海平面下降到最低時 稱為低潮 從低潮到滿潮的過程 稱為漲潮 而由高潮至低潮的過程 則稱為落潮或退潮 潮汐可能是半日潮 就是一天有兩次高潮和兩次低潮 也可能是全日潮 每天只發生一次循環 那大家想過沒有 這潮水從何而來 退潮後 海水又去了哪裡 為什麼它會有規律地不斷發生呢? 這個問題連牛頓這樣的大科學家都燒腦 從歷史記載來看 人類對潮汐的研究已有一千多年 對其週期性和規律性的認識 都有了豐富的積累 已經能夠準確預報潮汐的漲落 在潮汐的利用方面 也取得了非凡的進展 然而 潮汐因何而起 緣何而落 這個問題卻一直困擾著人類 眾說紛紜 但各種學說和理論 都未能圓滿地解釋和回答這個問題 今天 我們從一個全新的視角 來探討潮汐的成因和起潮機制 近兩千年前 中國古人已經認識到了 潮汐與月球運動之間的聯繫 東漢王沖在《論衡》 書序片中提出了 滔之其野 隨月盛衰的理論 東晉葛洪在《抱朴子》中也談到了 海濤須西 隨月消漲 潮者 聚潮來也 西者 延西至也 月之經升水 故月盛則潮大 兩人都明確指出了 潮汐現象與月球的運動相關 到西元八世紀中後期 唐代地理學家鬥書盟 在王沖的基礎上 提出了潮汐作濤 必浮於月的同步原理 他還撰寫了最早的潮汐學專著 《海濤誌》 這是世界上第一部 全面論述潮汐的專著 也是潮汐預報的開端 書中有《月與海相推》 《海與月相棲》的論斷 描述了潮月同步 亦步亦趨 周而復始的特徵 以及潮漲潮落的循環規律 和高低潮的推算方法 他通過計算得出 按一天24小時來計算 潮汐週期為12小時25分14.02秒 這跟現在通用的半日潮週期數字 相差無幾 這可是他在1200年前推算出來的 而且 他還製作了《鬥書蒙韜石圖》 方便人們查看一天中的兩次高潮時辰 比今天歐洲最早的倫敦橋漲潮時間表 早了400多年 1687年 牛頓提出了 關於天體運動的萬有引力詮釋 為了構建這個龐大的理論體系 他又定義了許多假想力或虛擬力 比如慣性力 離心力和引潮力等 以便在數學計算中維持力的平衡 自然哲學之數學原理 是牛頓一生中最重要的科學著作 中文一本的導讀中說 需要指出的是 我們今天談到牛頓的豐功偉績時 首先會談到他的萬有引力定律 其次纔是他的力學三定律 原理的讀者 可能很容易在書中發現他的力學三定律 但找不到萬有引力定律 原因是牛頓並沒有把這一定律 像我們今天這樣把它突出出來 但是這並不意味著 牛頓本人不認為萬有引力定律有譜式意義 而是在牛頓那裡 萬有引力的大小 方向等規律必須是推導出來的結果 不是當作經驗性的譜式原理直接引入的 在牛頓之前有迪卡爾的宇宙體系 強調以某種充滿空間的特殊物質以太 及牛頓所說的引力的質 傳遞物體之間的相互作用 使物體的運動得以持續 以太是一種想像中的物質存在 一種純思辨的產物 首次提出了一個排除神力的宇宙動力學模型 當牛頓提出的萬有引力理論 解釋不了著名的水星的近日點進動問題時 愛因斯坦的相對論便應運而生 愛因斯坦1905年提出的狹義相對論 否決了任何超過光速傳播效應的可能性 這也暗示了相對論的基本假設 和牛頓天體力學的矛盾 拉普拉斯早先已經在其研究中證明 如果引力相互作用不是超距的 即傳播是順時的 行星的運動將不再嚴格滿足動量守恆定律 並推導出當引力以光速傳播時 太陽系是不穩定的 只能維持不太長時間的存在 這種矛盾引出了建立一個 替代牛頓引力理論的新理論的需求 這個新理論若要將萬有引力 和狹義相對論的基本假設統一起來 就需要犧牲經典力學中 習以為常的空間假設 即我們所處的時空 是一個符合歐幾裏德幾何的理想化的 無任何秉性的平直時空 愛因斯坦使用的黎曼幾何描述下的時空 可以是彎曲的 經過8年的研究 他成功提出了廣義相對論 廣義相對論要求時空是彎曲的 這種時空的彎曲性 也是一種物理上的實在 這與慣性力 不過是假想的虛力完全不同 廣義相對論 首先成功解釋了水星近日點的靜動誤差 並預言了光線在太陽引力場中的偏折 1919年5月29日的一次日全時發生時 拍攝到了太陽背後的星光照片 星光彎曲得到了實驗驗證 對宇宙空間的探索和詮釋 仍在繼續發展 後來的科學家 又提出了引力波和暗物質的學說 真正的科學探索精神 是建立在開放的思維 和對宇宙真相及真知的追求基礎之上 而非先入為主的沉迷於某種假說 而固不自封 牛頓用引潮力解釋潮汐運動 江嶽 日引潮力 當成是產生潮汐漲落的原動力 1740年 帝伯努力從淨力學平衡的角度出發 假設地球表面都被海洋所覆蓋 而且海面在任何時刻 都能夠保持與重力和引潮力的合力 處處垂直 這種理想化了的海洋潮汐 稱為平衡潮 伯努力的這種學說 稱為平衡潮學說 在此學說的基礎上 建立起來的一種潮汐理論 為潮汐淨力學理論 這是繼牛頓之後 第一個提出的潮汐理論 平衡潮理論假定 整個地球表面被等深海水所包圍 海水沒有慣性 也沒有粘滯性 在重力與引潮力作用下 海水實時處於平衡狀態 海面變成了橢球形 稱之為潮汐橢球 由於地球的自轉 在地球表面上固定地點的海面 便發生週期性的漲落 而形成潮汐 按照這樣的理解 地球背向月球的一面 就不應該出現漲潮了 但人們早已觀察到 地球背向月球的一面 也會漲潮 為瞭解釋背向月球的地球另一面 這種看似奇怪的潮汐漲落現象 有人又提出 地球和月球 都圍繞共同的引力中心旋轉 離心力這個虛擬力 在遠離月球的一面 佔主導地位 而引力在月球一側 佔主導地位 以此來解釋潮汐橢球的突起 這種解釋 已超出平衡潮理論的假設條件 總之 所有這些解釋的基礎 還都離不開引力和虛擬的離心力 也就是引潮力對海面的拉力 即海平面是被拉高的 我們來看一個實例 關島是太平洋馬裏亞納羣島 南端的島嶼 距離赤道較近 位於月亮對海面 直接作用下的中心區域 遠離大陸板塊海岸和海灣 四周海面遼闊 潮汐受地形等附加因素的影響較小 具有一定的典型性 這是關島近期的潮汐表預報數據 其中5月1日未下弦月 5月8日未新月 5月15日未上弦月 5月23日未滿月 依據圖中顯示的潮汐數據 選取一個月中的典型日數據 繪製潮汐橢球分佈示意圖 可以看出一個月的潮汐橢球 逆時針轉動和變化情況 隨著月亮的陰晴圓缺 潮汐橢球也隨著月亮繞地球的公轉 而緩慢的旋轉 近乎同步 示意圖中任何一個典型月向日的 潮汐橢球分佈 都對應地球當日自轉的 不同時刻的潮位分佈 從這一個月中 潮汐橢球分佈的變化過程 可以發現以下現象和規律 首先 新月與滿月 上弦月與下弦月 峨眉月與窺凸月 迎凸月與殘月 儘管月亮位置的相位差 約為180度 但其中的潮汐橢球 具有相似的分佈特徵 不同的是 月亮在上中天時 關島的潮位高低不同 新月以後潮位較低 滿月以後潮位較高 第二 從峨眉月經過滿月到窺凸月 隨著月象的變化和地球的自轉 潮汐橢球完成了一次 向背向太陽方向 分佈重心遷移 較高潮位的海水分佈 從最初的背向太陽方向 經歷太陽和月亮 半個月的共同作用後 又回到了初始的 低潮位特徵狀態 在一個月兩次的 潮汐橢球遷移中 峨眉月和窺凸月 分別作為起點或終點 月亮在上中天時 關島的潮位 從起初的-0.2米以上 上升為-0.5米以上 而從窺凸月 經過星月到峨眉月的過程 潮汐橢球 發生同樣週期性遷移 不同的是 關島的潮位 經過的是反向降低的過程 第三 迎凸月和殘月當日的 潮汐橢球分佈相對均衡 處於潮汐橢球遷移的中間狀態 其特徵是 潮差接近最小 同時在高低潮逐日降低 與低低潮逐日升高過程中 常與此時發生交叉意味 之後 新的高低潮逐日升高 與新的低低潮逐日降低 其差值接近最大 而且 星月和滿月後三天的潮差 均達到最大 正如蘇東坡的詩詞中所描述的 八月十八潮 壯觀天下無 但是問題也來了 首先 星月日 日月合相 正午時分的潮位處於低潮 潮汐橢球顯示的海水分佈 偏向遠離日月方向的遠端 日月合相疊加在一起的引潮力 理論上應達到最大 潮汐橢球的海水分佈 沒有向日月方向匯聚 反而向背離日月的方向遷移 還有上弦月和下弦月當日的 潮汐橢球海水分佈 也未呈現向月亮方向匯聚的一致性 這都是為什麼 日 月給潮汐橢球施加的作用 到底是引力還是壓力呢 第二 途中從上弦月到新月 月球在八天中逆時針移動了約90度角 地球自轉了八圈 而潮汐橢球的高潮峯值的時間變化相位角 只向前轉動了約63度 也就是說 地球自轉時 潮汐橢球的高潮突起 並未隨著地球的自轉 而同步旋轉 通過月亮正下方遷移 那太陽 月球 是靠引力拉著潮汐橢球向前轉動 還是推壓著它 組織了其向前的移動呢 第三 滿月當日的潮汐橢球海水分佈 偏向背向太陽的月亮一側 如果作用力為引力 好似符合月球的引潮力 是太陽的2.17倍的理論 但與前面新月時的情況分析對比 顯然自相矛盾 如果作用力是壓力 則顯然太陽的壓力要大於月亮 此外 上弦月與下弦月的潮汐橢球海水 分佈特徵相似 而月球向位 卻差著180度 基於萬有引力的引潮力 是如何起作用的呢 關島潮汐表的數據 具有典型性和一定的代表性 查閱太平洋赤道附近的 其他島嶼的潮汐表 也都有類似的特徵 只是零緯度附近的島嶼 潮差的表現會非常強烈 大陸板塊沿岸 海灣及高緯度地區 由於多種因素的影響 會使這種特徵發生變化 潮汐分佈可能呈現反向 或全日潮特徵 本來 如果沒有日 月 及其他因素的影響 地球表面的海水 是可以很自然地 隨著地球自轉 而同步轉動的 按照平衡潮理論 有日月合相疊加的引潮力 又有地球自轉向前的推波 卻都沒能使得潮汐妥求 超過月亮向前移動 這是為什麼呢 這裡只是提出一種思考方式 從現象入手 進行從現象到現象的 直觀和形象的分析 不藉助那些定律 定理 公理和命題 以免被假想的概念 理論 或邊界條件 帶入迷途 海水是一種流體 而流體的特性 是不可壓縮 可以用來傳遞壓力 工程機械常用的液壓伺服系統 就是利用流體的這個特性 水往低處流是一種常態 若要流向高處 則需要正壓力 把水壓上去 水銀氣壓計 測量氣壓時的毫米汞柱 就是利用這個原理 抽水機抽水也是如此 也並非靠負壓吸上去的 海面上的龍吸水 又稱水龍捲 吸管渦旋內部風速 多在每秒100米以上 形成負壓梯度 當然 高速的渦旋的作用 就不僅僅是壓差的作用了 能把海上船隻 吸入其中的那麼大的破壞力 還有其他因素的作用 從經典力學對力的性質表述來看 力對物體的作用效果 取決於構成力的三要素 力的大小 方向與作用點 這種作用需要通過介質傳遞 纔可以施加的 如何構想出一個超越時空的 超距作用的引力呢 矛盾的是 在不相信超常與神跡的同時 又構建了一個假想的超距神力理論 來解釋天體運動 人們常說 牛頓發現了萬有引力 其實 直到今天 也沒有人觸摸到這種引力 只是構建了這樣一個 萬有引力理論體系 用來描述天體運動 眾所周知 江河上修建的大壩 會攔阻上游流下來的河水 從而水位升高 積累未能是能 水庫的水存的多了 水平面會向上遊延伸 這與潮汐妥求的分佈特徵很相似 那麼 海面上的潮汐又是如何形成的呢 從關島潮汐表的數據 和潮汐妥求 在一個月中的演變規律 可以看到這樣的現象 地球的自轉 帶著海水每天自然地轉一圈 是日月的影響 前方好似出現了 施壓於水面的攔阻推力 纔可能使得潮汐妥求 突起的高潮海面移動非常緩慢 不跟隨地球同步自轉 月亮繞地球的旋轉 對海面的壓力 好比一道移動的攔水壩一樣 使得潮汐妥求 只好跟在後面一步一驅 會不會是這樣的一種情況呢 太陽對海平面施加的推壓力 與地球自轉地向前推動 從而使得在滿月前後 潮汐妥求的海水分佈 更多地偏向月亮一側 一個月中 新月前後與滿月前後 兩次的潮汐妥求 向太陽遠端方向遷移 就是潮汐高潮和低潮的產生原因 也是高潮和低潮 轉換意味著看不見的推手 至於這種壓力 是時空扭曲 還是按物質或其他原因 只能這樣說 太空中的真空 非物質空 微光物質和微觀時空的形態 雖然現在的科技手段還未探測到 但未必就不存在 古人有那樣豐富的想像力 月與海相推 海與月相欺 是否點出了 是潮汐妥求與月亮的相互作用的實質 留給我們的 是更廣闊無際的空間 等待我們探尋和突破 有句話叫大道至簡至易 客觀世界的本質 原本是很簡單的 但由於 摻雜了某些脫離實際的想像 才使問題變得複雜和難以理解 當我們拋開所有被灌輸的各種不客觀 非真實的觀念 擺脫舊的框框束縛的時候 真知便自然會浮現出來 好 今天我們就說到這裡 我們下次見