这种现象背后的真相其实显而易见,飞机固然无法横越地球周长,不仅不能,实际上它们始终固守其初始位置。
何以见得?我们不妨多角度进行探讨,甚至不需过多剖析,生活中诸多现象已然揭示了答案。
譬如天际翱翔的飞鸟,它们不正是天然的微型飞机吗?理论上,飞鸟无疑是可以像直升机那般悬浮在空中,但它们决不会因此跨越地球的另一端。
直观的解释,我们可以从物体的惯性出发,飞机在空中悬浮,惯性的作用始终持续,在这种情况下,飞机自然会与地球同步旋转。
更深层次的物理学分析表明,飞机与地球共处于一个惯性参考系中。惯性系是一个特别的参考框架,因为在此系中,我们无法通过任何现象来分辨运动或静止。
这恰恰体现了伽利略提出的相对性原理,它告诉我们所有惯性系是等价的,无尊卑之分,在惯性系中,物理规律呈现相同的模式,没有任何惯性系享有特殊地位。
那么何谓惯性系?简而言之,就是静止或做匀速直线运动的参考系。
让我们通过一例来领悟“相对性原理”的内涵。
设想你在一辆匀速直线行驶的火车内,若火车行驶无声,仅凭车内任何现象,你永远分辨不出火车究竟是静止还是在移动。
你或许不服,试图通过种种实验来证明火车的移动,但遗憾的是,无论实验结果如何,与你站在静止的地面上所做的实验毫无二致。
这就是相对性原理的精髓,惯性系无高低之分,物理定律表现一致,任何惯性系中的现象与静止参考系中的表现无异,无论何种观察或实验,均无法辨别参考系是否在移动。
明白了惯性系的这一属性,我们再回头审视文章开篇的疑虑。
地球本身就像一个巨大的惯性系,实际上可以理解为一个“超大型匀速直线行驶的火车”,在这样的体系中,你自然无法辨别地球究竟是运动还是静止。
假设你在悬停的飞机内,若12小时后飞机果真飞越地球周长,飞机与地球发生位置变化,那你便能分辨出地球的移动,这便违背了相对性原理中的惯性系等价原则,因此,飞机相对于地球不可能发生位移,始终停留在原地。
实则,这也是为何我们在日常生活中感受不到地球的运动,正因地球属于惯性系,我们身处其中,仿佛置身匀速直线行驶的火车内,只能通过外部参照来判断火车是否移动。
同理,我们通常也只能通过天体,比如太阳的升落来推测地球的运动。
这里需特别指出,地球并非严格意义上的惯性系,所以,在地球表面,实际上我们还是有可能判断出地球的移动,比如著名的傅科摆实验。当然,这又是一个更复杂的话题,与我们今日讨论的惯性系并不冲突。
相对性原理和惯性系等价原则告诉我们,要想抵抗地球的惯性,必须施加外力,唯有外力能够改变惯性状态。这也是牛顿运动定律所阐述的内容:任何物体在不受外力作用下,会保持静止或匀速直线运动。
因此,飞机要想跨越地球周长,不能仅靠悬停空中,而必须借助外力对抗飞机的惯性,并且需持续作用,因为飞机的惯性始终存在。
而当飞机借助外力获得速度,与地球形成一定相对速度开始匀速直线飞行,飞机本身便成了另一个惯性系。假设飞机上有只苍蝇,苍蝇悬停于飞机内部,也无法撞到飞机尾部。
同样,地球上空悬停的飞机,岂不是就如同飞机内部悬停的苍蝇?
最终,让我们深入探讨,何为“悬停”静止?静止必须有参照系作为依据。言归正传,飞机到底想相对于哪个参照系悬停静止呢?
是相对于地球,还是太阳,抑或银河系悬停静止?说到底,飞机最终仍需相对地面悬停静止,既然如此,飞机又如何可能飞越地球周长?
有人或许会问,飞行即悬停不动,无需考虑参照系?这无异于故意抬杠,毫无实际意义。