春分了,适合竖鸡蛋?听说爱因斯坦看后也哈哈大笑

春分了,适合竖鸡蛋?听说爱因斯坦看后也哈哈大笑
2020年03月20日 09:05 新浪科技综合

  来源:赛先生

  撰文| 孙正凡(天体物理学博士、科普作家)

  责编| 叶水送

  立春这一天大家忘不了竖鸡蛋,只不过今年很多人宅在家里略感无聊,于是从竖鸡蛋到竖扫把,再到竖辣椒,似乎立春这一天什么都可以“竖”起来,然而在很多人看来春分才是竖鸡蛋的最佳时间。实际上,竖鸡蛋其实是“不靠谱游戏”,这是因为地球是在太阳引力场里,如同自由下落的“电梯”,地球在围绕着太阳公转的时候,我们是觉察不到太阳引力场对地球的影响,因此无论是“立春”、“春分”,还是一年中的其他时间,竖鸡蛋跟地球围绕太阳的公转没有关系,把鸡蛋竖起来“只需耐心和一点点技巧”,古人之所以认为立春这一天能把鸡蛋竖起来,可能纯属脑洞。

图片来自kknews.cc图片来自kknews.cc

  鸡蛋和我们一起乘坐“地球宇宙飞船”,飞船处于“失重状态”感受不到来自太阳引力的作用。

  每年的阳春三月,总是被“春分竖鸡蛋”的新闻报道刷屏。在相关报道中,我们经常看到只有春分才能把鸡蛋竖起来这样的解释。其实,这!不!科!学!

  竖鸡蛋,受追捧的“不靠谱游戏”

  无论从什么意义上说,春分都是一个重要节日,这一天全球任何地方都昼夜平分,太阳从地平线上正东方升起,又从正西方落下。近些年来,带着孩子“春分竖鸡蛋”的活动就会大受老师或者家长们追捧,生的或熟的鸡蛋都能立起来。

  为什么要选择这一天呢?媒体上对这个现象背后的科学原理最常见的解释是:春分的时候,太阳光直射赤道,所以万有引力南北平衡,地球、鸡蛋和太阳都排列到合适的位置,鸡蛋只有在这一天才能竖起来。

  但是你知道吗?这个传播极广的解释根本就不靠谱。

  在现行公历中,春分的日期是3月21日前后(2020年是3月20日)。这一天太阳直射赤道,昼夜长短相同,又在中国习俗春天的中间,所以被称为“春分”。

  竖鸡蛋时间为何从立春改成了春分

  有意思的是,这项游戏其实来自中国。1945年,即抗日战争最后一年,美国的《生活》(Life)杂志报道了在中国重庆有立春期间竖鸡蛋的习俗,于是这篇报道在美国也引起了“竖鸡蛋”的热潮,只是后来日期悄悄地从立春节气(2月4日前后)挪到了春分(3月21日前后)。为什么换了时间了呢?

  因为在报道中,中国对“立春”节气的解释是“春天的第一天”(the first day of spring),可在欧美的习惯里,春天是春分这一天才开始的。立春这个节气只有中国才有,春分这个日子却是全世界都熟悉的。这个有趣的误会造成了“竖鸡蛋”活动的日期从立春变成了春分。等这个活动再“出口转内销”回到国内。如今,我们国内“竖鸡蛋”活动也总是在春分这一天举行了。“春分时引力平衡”这种不靠谱但貌似“科学的解释”也在媒体上传播开来。

1945年国人在竖鸡蛋,图片来自生活杂志1945年国人在竖鸡蛋,图片来自生活杂志

  1946年1月,教育家叶圣陶的公子叶至善先生在他编辑的《开明少年》杂志上又讲述了这个故事,我们在此摘录部分文字如下:

  1945年立春那一天,有一位杨先生邀请了七八位美国记者和军官,给他们作了竖鸡蛋的表演。 

  杨先生在场地上一条线竖起30个鸡蛋。30个鸡蛋像一排立正的士兵,一动不动地等候检阅。那几个美国佬看着都信不过自己的眼睛,以为杨先生在施什么魔法。后来经杨先生说明,他们都亲自试了试,也都能把鸡蛋竖直。场地也许不平吧,他们又在桌子上试,垫上一张光滑的洋纸再试,结果都一样。 

  真是奇迹!美国记者立刻把亲见亲闻写成报道,用无线电拍回他们的老家美国。美国的许多报纸用显著的位置刊登这则新闻。“立春日竖鸡蛋”似乎比美军在硫磺岛登陆更能引起读者的兴趣。许多人特意买了鸡蛋,在桌子上颠来倒去地摆弄。大家以为鸡蛋也许跟牛顿的苹果一样,能引导他们去发现什么伟大的科学定理。 

  据说,流亡在美国的犹太科学家爱因斯坦看了这则新闻却大笑不止。

  为什么爱因斯坦听说了这个事儿会哈哈大笑呢?

  地球是在太阳引力场里自由下落的“电梯”

  鸡蛋能够竖起来,其实跟春分或者“引力平衡”一点关系都没有。春分这天是太阳光一年两次正好直射赤道的日子之一(另一次是秋分),赤道位于南北极距离相等。但这真不关“引力平衡”什么事儿。

  我以前用牛顿的万有引力定律计算太阳和地球对鸡蛋(也就是对地面上的我们)引力大小对比,结果是,太阳引力只有地球引力的约万分之六,实在小得可怜。可是,不管多小,太阳总是从某个方向拉着鸡蛋,使它倾斜甚至倒下——我们可没有两颗太阳从两边拉鸡蛋,使之绝对保持平衡。

  后来我发现根本不必做这个计算。因为这是把这个问题当成了静力学问题,这个思路其实是不对的。可实际上,鸡蛋并不是静止的,而是在运动!跟我们一起随着地球运动。当鸡蛋和我们一起乘坐“地球宇宙飞船”,飞船处于“失重状态”感受不到来自太阳引力的作用。同样,鸡蛋和我们也都根本感受不到太阳引力。

  这样一想,我们就知道爱因斯坦为什么会哈哈大笑了,因为他最伟大的科学贡献,广义相对论,最初就是从这样一个想法开始。

  那是在1907年的一天,爱因斯坦坐在位于伯尔尼的办公室里,思考着如何把引力整合进入他的相对论,突然有了一个自己都为之“震惊”的想法:“如果一个人从高处自由下落,他将不会感到自己的重量。”后来,他把这个想法称为“我一生中最幸福的思想”。

  爱因斯坦把这个想法拓展成了著名的“电梯思想实验”,奠定了广义相对论的基础。我们可以设想有一位物理学家,他的实验室是在摩天大楼的一部电梯里。电梯在下降的时候,他正在做实验,这时电梯的钢缆突然断开了,电梯和电梯里的实验器材、人都处于自由落体状态。这时候“自由落体状态”是我们从外面观测电梯得到的结论,那么对于完全封闭在电梯里的物理学家,他会看到什么呢?他继续做实验,会发现他的实验仪器和他自己和电梯依然是保持静止状态的。也就是说,对于电梯里的物理学家,他的实验不需要考虑使电梯自由下落的地球引力场,他甚至都不能从内部猜测外部发生了什么,是电梯自由落体,还是地球整个被邪恶的外星人偷走了。他只能知道,他和电梯保持相对静止状态。

  这个思想实验让爱因斯坦洞察到,引力场和加速度本质上是等效的,从而可以把引力整合进相对论,使相对论拓展成为广义相对论。

  那么,这个电梯思想实验,和我们竖鸡蛋有什么关系呢?

  当我们和鸡蛋一起“乘坐地球”时,地球围绕太阳转,地球就是那一部在太阳引力场里自由下落的电梯。我们在地球上只能看到我们相对地球处于相对静止状态。我们觉察不到地球的运动状态,也就是觉察不到太阳引力场对地球和我们影响(注意,不是不受太阳引力,是感觉不到)。地球静止是我们的直观感受。这也是为什么在哥白尼之前绝大多数古人一直坚持“地球是静止的”,反对“地球在运动”。

  这样我们就知道了,我们在考察地球实验室里鸡蛋状态的时候,我们和鸡蛋都感受不到太阳引力场的影响。所以,太阳的位置究竟是在春分直射赤道,还是在别的什么时间,都不会影响鸡蛋的状态。当我们仅仅计较于“春分竖鸡蛋”,或者按中国原始版本“立春竖鸡蛋”的时候,爱因斯坦老爷爷当然要对此报以哈哈大笑了。

  竖鸡蛋只需耐心和一点点技巧

  从爱因斯坦的“电梯思想实验”可以知道,竖鸡蛋这事儿,其实跟春分没有关系,昼夜是不是平均,不会影响鸡蛋的平衡状态。

  当然,地球这部电梯,还有自身的重力。所以我们才能稳稳地住在地球上,不能轻易跳出去,也不能在空中飞来飞去。

  那么怎么才能把鸡蛋竖起来呢?

  早在1947年,日本物理学家中谷宇吉郎(Nakaya Ukichiro)看到新闻上关于“引力平衡”这种不靠谱的解释之后,就用实验验证过,不分时间和地点,在任何时间都能把鸡蛋竖起来。他注意到鸡蛋的表面并不是完全光滑的,而是有许多微小的突起和小坑。要取得力学平衡,即重力和桌面的支持力,就需要仔细地调整鸡蛋的位置,总能有机会让鸡蛋表面的至少三个点跟桌面接触(给物理学家的观察能力点个赞)。

  只不过,在光滑的桌面上,把鸡蛋竖起来的平衡点确实不怎么好找,这需要耐心、技巧以及勤加练习。无论心情多么激动,手都要稳。美国天文科普作家菲尔·普莱特是一位“竖鸡蛋”达人,他曾经在各种时间不同场合表演竖鸡蛋,用实际行动来破除“只有在春分才能竖鸡蛋”的谣言。他竖鸡蛋的经验是,要放松,心平气和手要稳,不断微调,寻找鸡蛋的平衡位置。

  菲尔·普莱特还收到过“粉丝”提供的一个更加令人惊奇的实验成果——1999年10月16日,密歇根州一所中学的老师带领学生们不仅成功地把鸡蛋竖立在光滑平面上,而且保持时间竖立状态长达一个月之久,时间长到大家都觉得无聊了,最后人为放倒了。

  古人“立春竖鸡蛋”背后的脑洞

  为什么我们会在春分(古代是立春)竖鸡蛋呢?一个解释是,春分、立春代表着春天,春天是生命勃发的象征,正如古人对小鸡啄破蛋壳出世既司空见惯,又倍感神奇一样,所以他们就把鸡蛋跟春天联系起来了。而且竖鸡蛋确实是一项有益身心的娱乐活动,它带给我们的惊喜和激动,不亚于任何一场比赛。

  其实在古人“立春竖鸡蛋”背后还有一个神奇的脑洞。立春是一个节气,在中国习俗上标志着冬季结束,春季开始,所以它是个非常重要的节日,称为“春节”。古人注意到,历法中的24节气,即太阳的运行是有规律性的,音乐的音阶同样也有严格的规律性,于是古人就把天文历法与音乐节律对应起来,如冬至节气对应黄钟律,大寒节气对应大吕律等,这就是“律历”一说的由来。

  古人还认为,四季变化是由阴阳二气的变化所致。阳气在春季上升,夏季最盛,秋季下潜,冬季伏藏。这种阴阳二气的变化,可以反映在“律历”上。中国古代天文学有一个有趣的传统,通过芦苇灰来“观察”冬至等节气的到来。用葭筟(葭是初生的芦苇,筟是芦苇中的薄膜)烧成灰,把葭灰放在按黄钟、大吕十二律制造的一系列律管中,埋藏在密封的房间里。古人认为每到一个节气(严格来说是冬至等12中气),对应的律管中轻薄的葭灰会由于“阳气上升”而飞起来。这个活动叫做“葭灰测律”“候气”“测验”,也就是《千字文》里的“律吕调阳”。

  为什么要这么做呢?因为24节气对于中国历法很重要,可要准确计算到时分秒又很难。古人就想通过“阳气”在节气准确时刻在律管中的突然上升来检验24节气计算得到底准不准。——测验结果嘛,当然很惨。这项活动从汉代一直持续到清初,持续了两千年,大多数学者的报告是没有看到“飞葭灰”的现象,只有极少数人报告“非常成功”。

  可是看不到归看不到,并不妨碍人们把这项活动当做文雅之事记载到诗词中,在古诗词里就有“吹成暖景犹葭律”“春讯飞琼管”“灰飞葭管,新阳渐破严寒”之类的大量描绘。大学者王冕有一首《立春日》也写到了这个想象中的现象:

  葭吹六管动飞灰,便觉春从地底回。

  草木一时生意动,关河万里冻云开。

  这个说法还是普遍流传,并且产生更夸张的民间版本。比如我国北方流行“春来鹅毛气”,就是把一根竹管埋到地里,上方开口处放一根鸡毛或者鹅毛,到了立春之时,鸡毛或鹅毛会由于阳气吹拂飞起来,表明地气萌动,春回大地。

  “立春立鸡蛋”,也正是这样一个“春回大地,阳气上升”的民间版本。对于在一天当中的什么时刻“竖”也有说法。有的说法是只能在立春之前10分钟以内进行;有的说立春早上6点钟竖起来的鸡蛋可以竖立一天。相同的是他们都认为只有这一天可以进行,别的日子都不行。看来,一项迷思一旦流传开来,也有持久的生命力。

  当然,我们现在知道,不管“冬至飞灰”还是“立春飞灰”,按照古人的设计都是不可能看到的现象。那么这种说法,或者“候气测验”错在何处呢?正如王冕诗里说的“春从大地回”,古人以为四季变化的动力“阴阳二气”来自地下。

  如今我们知道科学的结论是“万物生长靠太阳”,这里春季回归是因为太阳在天空的位置越来越靠北,我们居住的北半球接受了越来越多的阳光,温度才逐渐上升,万物开始生长。

  春,不是来自地下的阳气,而是来自天上的阳光。

新浪科技公众号
新浪科技公众号

“掌”握科技鲜闻 (微信搜索techsina或扫描左侧二维码关注)

创事记

科学探索

科学大家

苹果汇

众测

专题

官方微博

新浪科技 新浪数码 新浪手机 科学探索 苹果汇 新浪众测

公众号

新浪科技

新浪科技为你带来最新鲜的科技资讯

苹果汇

苹果汇为你带来最新鲜的苹果产品新闻

新浪众测

新酷产品第一时间免费试玩

新浪探索

提供最新的科学家新闻,精彩的震撼图片