春分了,適合豎雞蛋?聽說愛因斯坦看後也哈哈大笑
2020年03月20日09:05

  來源:賽先生

  撰文| 孫正凡(天體物理學博士、科普作家)

  責編| 葉水送

  立春這一天大家忘不了豎雞蛋,只不過今年很多人宅在家裡略感無聊,於是從豎雞蛋到豎掃把,再到豎辣椒,似乎立春這一天什麼都可以“豎”起來,然而在很多人看來春分才是豎雞蛋的最佳時間。實際上,豎雞蛋其實是“不靠譜遊戲”,這是因為地球是在太陽引力場里,如同自由下落的“電梯”,地球在圍繞著太陽公轉的時候,我們是覺察不到太陽引力場對地球的影響,因此無論是“立春”、“春分”,還是一年中的其他時間,豎雞蛋跟地球圍繞太陽的公轉沒有關係,把雞蛋豎起來“只需耐心和一點點技巧”,古人之所以認為立春這一天能把雞蛋豎起來,可能純屬腦洞。

圖片來自kknews.cc
圖片來自kknews.cc

  雞蛋和我們一起乘坐“地球宇宙飛船”,飛船處於“失重狀態”感受不到來自太陽引力的作用。

  每年的陽春三月,總是被“春分豎雞蛋”的新聞報導刷屏。在相關報導中,我們經常看到只有春分才能把雞蛋豎起來這樣的解釋。其實,這!不!科!學!

  豎雞蛋,受追捧的“不靠譜遊戲”

  無論從什麼意義上說,春分都是一個重要節日,這一天全球任何地方都晝夜平分,太陽從地平線上正東方升起,又從正西方落下。近些年來,帶著孩子“春分豎雞蛋”的活動就會大受老師或者家長們追捧,生的或熟的雞蛋都能立起來。

  為什麼要選擇這一天呢?媒體上對這個現象背後的科學原理最常見的解釋是:春分的時候,太陽光直射赤道,所以萬有引力南北平衡,地球、雞蛋和太陽都排列到合適的位置,雞蛋只有在這一天才能豎起來。

  但是你知道嗎?這個傳播極廣的解釋根本就不靠譜。

  在現行公曆中,春分的日期是3月21日前後(2020年是3月20日)。這一天太陽直射赤道,晝夜長短相同,又在中國習俗春天的中間,所以被稱為“春分”。

  豎雞蛋時間為何從立春改成了春分

  有意思的是,這項遊戲其實來自中國。1945年,即抗日戰爭最後一年,美國的《生活》(Life)雜誌報導了在中國重慶有立春期間豎雞蛋的習俗,於是這篇報導在美國也引起了“豎雞蛋”的熱潮,只是後來日期悄悄地從立春節氣(2月4日前後)挪到了春分(3月21日前後)。為什麼換了時間了呢?

  因為在報導中,中國對“立春”節氣的解釋是“春天的第一天”(the first day of spring),可在歐美的習慣里,春天是春分這一天才開始的。立春這個節氣只有中國才有,春分這個日子卻是全世界都熟悉的。這個有趣的誤會造成了“豎雞蛋”活動的日期從立春變成了春分。等這個活動再“出口轉內銷”回到國內。如今,我們國內“豎雞蛋”活動也總是在春分這一天舉行了。“春分時引力平衡”這種不靠譜但貌似“科學的解釋”也在媒體上傳播開來。

1945年國人在豎雞蛋,圖片來自生活雜誌
1945年國人在豎雞蛋,圖片來自生活雜誌

  1946年1月,教育家葉聖陶的公子葉至善先生在他編輯的《開明少年》雜誌上又講述了這個故事,我們在此摘錄部分文字如下:

  1945年立春那一天,有一位楊先生邀請了七八位美國記者和軍官,給他們作了豎雞蛋的表演。

  楊先生在場地上一條線豎起30個雞蛋。30個雞蛋像一排立正的士兵,一動不動地等候檢閱。那幾個美國佬看著都信不過自己的眼睛,以為楊先生在施什麼魔法。後來經楊先生說明,他們都親自試了試,也都能把雞蛋豎直。場地也許不平吧,他們又在桌子上試,墊上一張光滑的洋紙再試,結果都一樣。

  真是奇蹟!美國記者立刻把親見親聞寫成報導,用無線電拍回他們的老家美國。美國的許多報紙用顯著的位置刊登這則新聞。“立春日豎雞蛋”似乎比美軍在硫磺島登陸更能引起讀者的興趣。許多人特意買了雞蛋,在桌子上顛來倒去地擺弄。大家以為雞蛋也許跟牛頓的Apple一樣,能引導他們去發現什麼偉大的科學定理。

  據說,流亡在美國的猶太科學家愛因斯坦看了這則新聞卻大笑不止。

  為什麼愛因斯坦聽說了這個事兒會哈哈大笑呢?

  地球是在太陽引力場里自由下落的“電梯”

  雞蛋能夠豎起來,其實跟春分或者“引力平衡”一點關係都沒有。春分這天是太陽光一年兩次正好直射赤道的日子之一(另一次是秋分),赤道位於南北極距離相等。但這真不關“引力平衡”什麼事兒。

  我以前用牛頓的萬有引力定律計算太陽和地球對雞蛋(也就是對地面上的我們)引力大小對比,結果是,太陽引力只有地球引力的約萬分之六,實在小得可憐。可是,不管多小,太陽總是從某個方向拉著雞蛋,使它傾斜甚至倒下——我們可沒有兩顆太陽從兩邊拉雞蛋,使之絕對保持平衡。

  後來我發現根本不必做這個計算。因為這是把這個問題當成了靜力學問題,這個思路其實是不對的。可實際上,雞蛋並不是靜止的,而是在運動!跟我們一起隨著地球運動。當雞蛋和我們一起乘坐“地球宇宙飛船”,飛船處於“失重狀態”感受不到來自太陽引力的作用。同樣,雞蛋和我們也都根本感受不到太陽引力。

  這樣一想,我們就知道愛因斯坦為什麼會哈哈大笑了,因為他最偉大的科學貢獻,廣義相對論,最初就是從這樣一個想法開始。

  那是在1907年的一天,愛因斯坦坐在位於伯爾尼的辦公室里,思考著如何把引力整合進入他的相對論,突然有了一個自己都為之“震驚”的想法:“如果一個人從高處自由下落,他將不會感到自己的重量。”後來,他把這個想法稱為“我一生中最幸福的思想”。

  愛因斯坦把這個想法拓展成了著名的“電梯思想實驗”,奠定了廣義相對論的基礎。我們可以設想有一位物理學家,他的實驗室是在摩天大樓的一部電梯里。電梯在下降的時候,他正在做實驗,這時電梯的鋼纜突然斷開了,電梯和電梯里的實驗器材、人都處於自由落體狀態。這時候“自由落體狀態”是我們從外面觀測電梯得到的結論,那麼對於完全封閉在電梯里的物理學家,他會看到什麼呢?他繼續做實驗,會發現他的實驗儀器和他自己和電梯依然是保持靜止狀態的。也就是說,對於電梯里的物理學家,他的實驗不需要考慮使電梯自由下落的地球引力場,他甚至都不能從內部猜測外部發生了什麼,是電梯自由落體,還是地球整個被邪惡的外星人偷走了。他只能知道,他和電梯保持相對靜止狀態。

  這個思想實驗讓愛因斯坦洞察到,引力場和加速度本質上是等效的,從而可以把引力整合進相對論,使相對論拓展成為廣義相對論。

  那麼,這個電梯思想實驗,和我們豎雞蛋有什麼關係呢?

  當我們和雞蛋一起“乘坐地球”時,地球圍繞太陽轉,地球就是那一部在太陽引力場里自由下落的電梯。我們在地球上只能看到我們相對地球處於相對靜止狀態。我們覺察不到地球的運動狀態,也就是覺察不到太陽引力場對地球和我們影響(注意,不是不受太陽引力,是感覺不到)。地球靜止是我們的直觀感受。這也是為什麼在哥白尼之前絕大多數古人一直堅持“地球是靜止的”,反對“地球在運動”。

  這樣我們就知道了,我們在考察地球實驗室里雞蛋狀態的時候,我們和雞蛋都感受不到太陽引力場的影響。所以,太陽的位置究竟是在春分直射赤道,還是在別的什麼時間,都不會影響雞蛋的狀態。當我們僅僅計較於“春分豎雞蛋”,或者按中國原始版本“立春豎雞蛋”的時候,愛因斯坦老爺爺當然要對此報以哈哈大笑了。

  豎雞蛋只需耐心和一點點技巧

  從愛因斯坦的“電梯思想實驗”可以知道,豎雞蛋這事兒,其實跟春分沒有關係,晝夜是不是平均,不會影響雞蛋的平衡狀態。

  當然,地球這部電梯,還有自身的重力。所以我們才能穩穩地住在地球上,不能輕易跳出去,也不能在空中飛來飛去。

  那麼怎麼才能把雞蛋豎起來呢?

  早在1947年,日本物理學家中穀宇吉郎(Nakaya Ukichiro)看到新聞上關於“引力平衡”這種不靠譜的解釋之後,就用實驗驗證過,不分時間和地點,在任何時間都能把雞蛋豎起來。他注意到雞蛋的表面並不是完全光滑的,而是有許多微小的突起和小坑。要取得力學平衡,即重力和桌面的支援力,就需要仔細地調整雞蛋的位置,總能有機會讓雞蛋表面的至少三個點跟桌面接觸(給物理學家的觀察能力點個讚)。

  只不過,在光滑的桌面上,把雞蛋豎起來的平衡點確實不怎麼好找,這需要耐心、技巧以及勤加練習。無論心情多麼激動,手都要穩。美國天文科普作家菲爾·普萊特是一位“豎雞蛋”達人,他曾經在各種時間不同場合表演豎雞蛋,用實際行動來破除“只有在春分才能豎雞蛋”的謠言。他豎雞蛋的經驗是,要放鬆,心平氣和手要穩,不斷微調,尋找雞蛋的平衡位置。

  菲爾·普萊特還收到過“粉絲”提供的一個更加令人驚奇的實驗成果——1999年10月16日,密歇根州一所中學的老師帶領學生們不僅成功地把雞蛋豎立在光滑平面上,而且保持時間豎立狀態長達一個月之久,時間長到大家都覺得無聊了,最後人為放倒了。

  古人“立春豎雞蛋”背後的腦洞

  為什麼我們會在春分(古代是立春)豎雞蛋呢?一個解釋是,春分、立春代表著春天,春天是生命勃發的象徵,正如古人對小雞啄破蛋殼出世既司空見慣,又倍感神奇一樣,所以他們就把雞蛋跟春天聯繫起來了。而且豎雞蛋確實是一項有益身心的娛樂活動,它帶給我們的驚喜和激動,不亞於任何一場比賽。

  其實在古人“立春豎雞蛋”背後還有一個神奇的腦洞。立春是一個節氣,在中國習俗上標誌著冬季結束,春季開始,所以它是個非常重要的節日,稱為“春節”。古人注意到,曆法中的24節氣,即太陽的運行是有規律性的,音樂的音階同樣也有嚴格的規律性,於是古人就把天文曆法與音樂節律對應起來,如冬至節氣對應黃鍾律,大寒節氣對應大呂律等,這就是“律曆”一說的由來。

  古人還認為,四季變化是由陰陽二氣的變化所致。陽氣在春季上升,夏季最盛,秋季下潛,冬季伏藏。這種陰陽二氣的變化,可以反映在“律曆”上。中國古代天文學有一個有趣的傳統,通過蘆葦灰來“觀察”冬至等節氣的到來。用葭筟(葭是初生的蘆葦,筟是蘆葦中的薄膜)燒成灰,把葭灰放在按黃鍾、大呂十二律製造的一系列律管中,埋藏在密封的房間里。古人認為每到一個節氣(嚴格來說是冬至等12中氣),對應的律管中輕薄的葭灰會由於“陽氣上升”而飛起來。這個活動叫做“葭灰測律”“候氣”“測驗”,也就是《千字文》里的“律呂調陽”。

  為什麼要這麼做呢?因為24節氣對於中國曆法很重要,可要準確計算到時分秒又很難。古人就想通過“陽氣”在節氣準確時刻在律管中的突然上升來檢驗24節氣計算得到底準不準。——測驗結果嘛,當然很慘。這項活動從漢代一直持續到清初,持續了兩千年,大多數學者的報告是沒有看到“飛葭灰”的現象,只有極少數人報告“非常成功”。

  可是看不到歸看不到,並不妨礙人們把這項活動當做文雅之事記載到詩詞中,在古詩詞里就有“吹成暖景猶葭律”“春訊飛瓊管”“灰飛葭管,新陽漸破嚴寒”之類的大量描繪。大學者王冕有一首《立春日》也寫到了這個想像中的現象:

  葭吹六管動飛灰,便覺春從地底回。

  草木一時生意動,關河萬里凍雲開。

  這個說法還是普遍流傳,並且產生更誇張的民間版本。比如我國北方流行“春來鵝毛氣”,就是把一根竹管埋到地裡,上方開口處放一根雞毛或者鵝毛,到了立春之時,雞毛或鵝毛會由於陽氣吹拂飛起來,表明地氣萌動,春回大地。

  “立春立雞蛋”,也正是這樣一個“春回大地,陽氣上升”的民間版本。對於在一天當中的什麼時刻“豎”也有說法。有的說法是只能在立春之前10分鍾以內進行;有的說立春早上6點鍾豎起來的雞蛋可以豎立一天。相同的是他們都認為只有這一天可以進行,別的日子都不行。看來,一項迷思一旦流傳開來,也有持久的生命力。

  當然,我們現在知道,不管“冬至飛灰”還是“立春飛灰”,按照古人的設計都是不可能看到的現象。那麼這種說法,或者“候氣測驗”錯在何處呢?正如王冕詩里說的“春從大地回”,古人以為四季變化的動力“陰陽二氣”來自地下。

  如今我們知道科學的結論是“萬物生長靠太陽”,這裏春季回歸是因為太陽在天空的位置越來越靠北,我們居住的北半球接受了越來越多的陽光,溫度才逐漸上升,萬物開始生長。

  春,不是來自地下的陽氣,而是來自天上的陽光。

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